汽车安全带研究现状分析

秦钰轩，宁佳佳，吴天宇，谢建华，时 谦，刘 帮

（新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐830052）

0 引言

现代城市交通的发展在创造了便利的同时也增加了安全隐患。交通安全不仅关系到乘客的生命安全，还关系到和谐社会的建设。汽车行驶时，安全带是车内人员安全保障的第一措施，可有效保障车内乘客和司机的安全。

1 汽车设置主动安全机构的意义

自21世纪起，我国汽车的保有量持续、高速、稳定增长。随着汽车工业的不断发展，汽车安全成为汽车发展的核心主题之一。安全气囊和安全带已成为汽车中不可或缺的重要防护装备。汽车发生交通事故时，安全气囊和安全带的配合使用为车内乘员提供了更强的安全保障，有效地减少交通事故伤亡[1]。

2009～2018年全国交通事故，因机动车造成的道路安全事故比例达到90%以上，数据显示其中汽车交通事故发生率在机动车事故率中占比高达75%。而安全带作为保障汽车安全的重要装置，在极大程度上避免了安全事故中的人员伤亡。

2 汽车安全带的研究现状

2.1 国外汽车安全带研究现状

在汽车安全带研发方面，以美国为代表的发达国家起步早，发展速度快，1968年美国制定了第一部汽车安全法规。随着安全带技术研究的不断深入，其结构以及性能也越来越完善，除了注重新产品的开发，国外不少研究机构开始将研究重点转移到安全带的锁止性能以及约束性能上。文献[2]研究了安全带紧急锁止过程中出现跳锁的原因，对汽车安全带卷收器的锁止过程进行动力学研究，利用椭圆函数建立了动力学模型，通过理论分析以及实验验证的方法，研究织带松弛量对卷收器锁止性能的影响，最终得出织带松弛对汽车碰撞过程的紧急锁止以及乘员安全具有负面影响的结论。文献[3]研究了带预紧以及不带预紧功能的不同安全带在车辆侧翻过程中的性能，进行了多次翻车实验测试，主要分析了安全带对驾驶员和右前座位乘员的约束性能，结果表明预紧式安全带相比于非预紧式安全带，在车辆侧翻过程中，近侧乘员安全带拉出量约减少25mm，远侧乘员安全带拉出量约减少50mm。文献[4]通过使用Adams和Life MOD软件的组合，以及Hybrid-III虚拟模型对电动预紧卷收器的运行进行了动态仿真，以评估在各种碰撞情况下电动预紧卷收器的性能。通过观察安全带上的力和位移，进一步评估了电动预紧卷收器对每个预定碰撞场景的响应。文献[5]设计了一种基于Matlab软件的数值程序，使用Marc软件实现简单的数值程序对整个预张紧操作过程进行建模，以此来模拟计算汽车安全带中使用的大功率预紧器的锁止性能。通过将实验测试结果与数值仿真结果进行比较，将气体爆炸实验所得的压力数据与程序计算所得的时间-齿条位移数据进行对比分析，验证了所设计的数值程序的可靠性。文献[6]对预紧式安全带进行动力学仿真分析以及结构优化设计，该预紧器是由齿条和齿轮组成的齿轮机构，使用Adams多体动力学软件建立预紧式安全带的动力学模型。通过比较仿真模拟结果与实验测试结果，验证了动力学仿真模型动态模型的可靠性，对齿条和齿轮的轮廓进行优化设计，提高卷收器的预紧收缩量，并优化模型的织带预紧收缩量达到120mm。国外学者对汽车安全约束系统的相关研究多采用实验测试以及计算机模拟仿真两种方法，理论层面的数学分析则相对较少。

2.2 国内汽车安全带研究现状

国内企业以及研究机构在汽车安全系统方面的研究起步较晚，汽车整体安全技术相对落后，尤其是安全带装配，其核心技术相对缺乏。1992年，公安部发布关于驾驶和乘坐小型客车必须使用安全带的通告[7]，之后又陆续出台相关法规。1995年，广州标致汽车公司陈润灿对紧急锁止卷收器的结构特点以及锁止工作原理进行了初步分析[8]；2001年，上汽天合方根明对紧急锁止式安全带的工作原理进行进一步分析，并提出安全带在使用过程中的注意事项[9]；2019年，鲍马飞[10]对一款安全带卷收器的车感锁止性能、带感锁止性能和倾斜锁止性能进行了定量的分析，校核了卷收器的强度性能，并在降低产品成本和提高系统可靠性方面进行了有益的探索；重庆大学田林、陈刘波[11-12]对复合敏感紧急锁止式安全带做了锁止性能研究；湖南大学曹立波教授及其学生对主动预紧式安全带的碰撞性能进行了大量研究[13-15]；华南理工大学杜群贵教授及其学生对预紧安全带的关键技术进行研究，开发出一款新型预紧式安全带，并对其做了仿真研究[16]；华南理工大学王红[17]建立了一套安全带的三维模型，还建立了带感锁止机构和车感系统相结合的数学概念模型，并对其约束性能进行仿真；上海工程技术大学王晓聪[18]对安全带带感以及车感机构的锁止时间进行Adams仿真分析。纵观近年来国内学者对汽车安全带的研究工作，安全带被集成在约束系统中，其研究重点主要是在碰撞发生时乘员的胸部压力、头部加速度、位移量等响应，以此为指标间接得到安全带的约束性能[19-21]。

对于安全带的锁止行为，目前主要有两类研究方法，一是定量数据分析，通过对车发动机的一系列相关数据的严格测试确定安全带锁扣的理论可负担范围；二是计算机模拟仿真，国内对汽车安全带的研究有很多理论的数学分析，但实际的实验测试却很少。这对于提高安全带的锁紧性能和结构性能，提高行业研究人员的技术研发水平是远远不够的。

3 存在的问题及新设想

（1）安全带的约束并不适用于所有人。由于人体型态差异以及人体惯性，安全带无法最大限度保障乘客及驾驶员的生命安全，存在设计不够人性化、不够智能，预判情况比较局限的问题，无法精准判断每一次事故并及时地做出反应。

（2）安全气囊的展开与安全带的紧收可能对人体造成二次伤害。由于安全气囊年久失修或者汽车出场时的安装失误，事故发生时会出现安全带锁扣无法脱开或者安全气囊未正常弹出的情况，会对驾驶员及乘客造成难以挽回的危害。

（3）汽车座椅并不能在所有情况下保障乘客的安全。在汽车发生正向碰撞时，汽车座椅会给乘客和驾驶员带来极大的惯性，易造成车内人员身体损伤，在狭小的汽车箱体内，座椅及汽车形变后的狭小空间增加了乘客及驾驶员的逃生难度。

（4）安全带扣锁设计与优化的研究较少。大多数设计是基于安全带的卷收器与安全带的肩带对人体的影响，考虑的是舒适性和安全带出现的故障排查，而安全带上卷首器和肩带的设计很难阻止二次事故的发生，为了保护乘客的安全，更应该对汽车上固定的安全带卡扣进行研究和改装。针对以上问题，为了提高安全带的可靠性，对其进行改进和优化是可行且必要的。

课题组设计适用（SG90 MG996R—QC—模块SG90）90°～180°的通用舵机，如图1。当汽车发生碰撞事故时，主板识别碰撞信号并发出指令，舵机接收指令后驱使棘轮转动。当棘轮逆时针旋转至180°时，通过拉杆Ⅲ、转轴、拉杆Ⅲ带动轴承向下移动2～3 cm。轴承向下移动时带动H型上支架和与之相连的H型下支架一起向下移动，H型下支架下移带动拉杆Ⅰ下移。拉杆Ⅰ与PUSH按动板和压簧片相连，拉杆Ⅰ下移带动PUSH按动板下移，压簧片向外弹出，PUSH按动板回弹，保险带解锁，这样可以大大提高其可靠性。

图1 90°～180°的通用舵机1.主板2.舵机3.棘轮4.固定销Ⅰ5.保险带底板6.H型上支架7.固定销Ⅱ8.轴承9.PUSH按动板10.压簧片11.弹簧12.拉杆Ⅰ13.H型下支架14.拉杆Ⅱ15.转轴16.拉杆Ⅲ

该设计适用于应对保险带突发故障的状况，在发生碰撞事故后，可以实现对碰撞后的车况做出判定、发出指令及完成解锁动作，能有效降低汽车碰撞后保险带无法人为按动解锁逃生的概率。通过棘轮装置及智能指令系统将碰撞事故智能分类，并对是否自解锁做出智能判断，进而完成保险带的自解锁。

4 结论及展望

在发生汽车交通事故时，安全带对乘客和司机的生命安全起到了重要的保护作用。但安全带扣锁在汽车车身内部发生事故后，该部位发生严重损坏导致安全带卡死造成车内人员不能及时逃生，这对汽车安全带的锁止系统提出了更高的要求。为了保证驾驶员及乘客的生命安全，汽车安全带的设计开发不仅要考虑安全带的成本，还要研究安全带的材料以及固定位置。结合汽车应急预警响应各方面的实际问题，将汽车安全带的制造成本控制在合理范围内。结合现有的国内外企业及机构对安全带设计和优化方面的研究，笔者认为对安全带的研究不应该局限于提醒结构和锁止机构，在安全带的扣锁上也应该进行相应的研究，在节省材料和空间的基础上，设计更加高效可靠的安全带，为驾驶员与乘客的安全提供保障。