汽車安全帶的進化史

陳富國

【中圖分類號】U46 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）15-0253-02

自1886年卡爾·本茨先生制造了世界上第一輛汽車并成功申請專利，汽車由此進入了人類的生活，并深刻的影響了世界的發展方向，使人類追求速度的腳步又向前邁出了一大步。但是，科學是一把雙刃劍，隨著物體移動速度的增加，隨之而來的就是發生事故的危險的增加。因此，人們在不斷追求更高的速度的同時，也開始思考如何在發生碰撞時更好的保護車內的乘客。

關于乘坐汽車，大家最熟悉的安全措施大概就是系安全帶了。目前世界上絕大多數的國家都在法律上明確規定了乘坐汽車必須要系安全帶，法律上對安全帶的使用規定甚至比對安全氣囊的還要嚴格。那么這根帶子有什么過人之處，使各國都立法強制要求所有的汽車上都安裝、使用安全帶，安全帶是如何誕生的，又經歷了哪些變化和發展呢？

汽車在誕生之初，座椅和家里的凳子差不多，好一些的就是個沙發，在發生事故時對人的保護能力十分有限。

我們知道，物體由于運動而具有的能量叫做動能，其表達式為E=（mv2）/2。目前根據我們國家的法律法規，當我們在高速路上平穩行駛的時候，最高速度可以達到120km/h，暨只需3秒鐘的時間，就移動了100米，相當于從約57米的高處落下的速度。即使按照《中國新車評價規程》暨C-NCAP的四項碰撞測試中要求最低的50km/h的速度測試碰撞，也達到13.9m/s，相當于從約四層樓10米高的距離自由落下。對人來說，這是相當快的一個速度了，一旦發生碰撞，必定會對人體造成很大的傷害。那么在碰撞中如何才是最好的保護乘客的措施呢？答案就是把乘客盡量固定在座椅上。

由牛頓第一定律我們知道，任何有質量的物體都有慣性。當車輛發生碰撞，車體受到一個很大的撞擊力，速度很快的減下來，甚至停了下來，而我們的身體由于慣性，還保持剛才的速度繼續向前運動，就會與方向盤或者儀表臺、玻璃窗等發生碰撞。如果這時乘客系好了安全帶，安全帶就會提供一個足夠大的力，使人也跟著一起減速下來，從而避免了和其他物體的硬性碰撞。

1885年紐約的Edward J. Claghorn將英國工程師George Cayley的發明搶先注冊為自己的專利，世界上第一個有關安全帶的專利誕生。當時只是“通過鉤子和其他裝置將人安全固定在物體上”的“游客安全帶”，這樣的描述我們甚至很難想象它的設計細節。

1902年紐約的一場汽車競賽上發生車禍，造成兩人死亡，數十人受傷。但是在這場車禍中，車手卻死里逃生，原因是他在比賽前用幾根皮帶將自己和同伴綁在了座位上，他的初衷有可能只是想在激烈的比賽中固定好自己，以免在急速轉彎時被甩來甩去，方便操作車輛。這幾根皮帶就是汽車安全帶的雛形，它的首次使用就挽救了兩位車手的性命，也讓人們意識到了安全帶的重要性。

1911年，美國軍人Benjamin Foulois在一架飛機上安裝了安全帶，但他的目的并不是出于安全考慮，而是為了在顛簸的跑道上起飛或者降落時讓身體不那么晃動，從而更好的操控飛機。

這個時期出現的一些初期安全帶的固定點主要是在下腹部兩側，橫跨髖部的兩點式安全帶，就是一根“安全腰帶”。

在20世紀中，美國等的一些汽車公司開始提供這樣的安全帶作為可選配置，比如納什公司在1949年，福特公司在1955年開始為一些車型提供安全帶選裝件，瑞典的Saab公司則在1958年將兩點式安全帶作為了汽車的標準配置裝配在了Saab 93GT750型車上，使這款車成為世界上第一款標配了安全帶的車型。時至今日，我們仍可以在部分車型的第二排中間位置、大巴、飛機等見到兩點式安全帶的使用。

兩點式安全帶比沒有安全帶要安全的多，但是大家還是很快發現這樣的設計是無法對人體的上半身進行有效約束的，人的軀干和頭、頸部仍然會在碰撞時由于慣性向前運動，從而發生碰撞導致受傷。所以三點式安全帶誕生了。其實早在1951年，就有兩位美國前飛行員為一種三點式安全帶申請了專利，他們設計了一種Y形的三點式安全帶，并將斜掛帶的扣接點置于座后-幾乎就在乘員的身后。這種安全帶與一個放在腹部上的扣環相連，叫做組合式肩-腰安全帶，并申請了專利。

〖TP90.JPG；%45%45，Y〗影響深遠的汽車使用三點式安全帶是沃爾沃（Volvo）工程師Nils Bohlin于1959年發明。他在任職沃爾沃公司之前，曾在瑞典航空工業負責設計飛行員座椅彈射器，對在極端條件下如何保障生命安全有著深刻的認識和研究。此前沃爾沃公司已經把一種斜帶式兩點安全帶安裝在了汽車的前排座上，但是效果并不完美，在極端情況下，乘客容易從安全帶側面滑出從而導致危險。尼爾斯的發明從人體生理學的角度看是很理想的位置，從肩部斜跨到腰部，再橫向的跨過人體下腹部。如圖所示，對乘客來說，就是在人的左肩或右肩以及左右胯部各有一個固定點，所以〖TP91.JPG；%45%45，Y〗叫三點式安全帶。一直到現在，汽車上的安全帶依然使用著這樣的基本架構。更偉大的是沃爾沃公司及尼爾斯個人在擁有了三點式安全帶的專利后，并沒有依賴這項重要的發明牟利，而是把它分享給了全世界，任何汽車廠商都可以免費使用這項專利，這一做法贏得了全球的贊譽。

初期的三點式安全帶長度不能改變，很明顯我們無法用一根固定長度的帶子適應不同體型的乘客，并且如果這根帶子在平常開車的時候也一直緊緊勒著我們的身體，會讓我們很不舒服（這也是少部分人拒絕乘車系安全帶的原因，當然這樣做是對自己和他人極不負責任的做法），因此，工程師們開始考慮這個問題。1968年，三點式安全帶出現了大的改進，先是安全帶的一頭出現了一個帶彈簧的轉芯，使安全帶使用時可以調節長度，之后逐步演化成了現在的安全帶卷收器。我們現在在乘坐汽車使用安全帶時都知道，緩慢移動身體時，安全帶是可以隨著我們的身體移動而伸長的，但是當你快速移動時，安全帶就會突然“卡死”。這就是卷收器在工作。它雖然默默的埋藏在B柱或C柱的內部，但是它的工作非常重要。一是使安全帶使用時不需要人為的調節長度，由內部的預緊彈簧來提供收緊織帶的力矩來進行調整。二是在突然發生碰撞時，及時制止了安全帶的伸長，阻止了人由于慣性向前沖。這里列舉一種卷收器內部結構。圖中，車輛平穩行駛或者減速較緩時，重塊及與重〖TP92.JPG；%40%40，Y〗塊相連的限位塊不與棘輪接觸，轉芯可以自由轉動；而當發生碰撞或者是急減速時，由于慣性作用，重塊向前擺動，帶動限位塊向上翹起，阻止了棘輪的轉動，從而限制了安全帶的伸長，使我們感覺被“卡住”了。除此之外，各國工程師們設計了不同種類的卷收器，雖然內部構造不同，但是它們要做的工作都差不多。

接下來還有新的問題。如果卷收器外的安全帶過長，比如冬天人們穿的衣服較多較厚，或者是人們為了活動自由一些而將安全帶拉出來較多，那么碰撞發生時雖然卷收器停止釋放安全帶，但是人體距離安全帶還是有一定距離的，等到人體結實的部位，比如胸部、肋部，由于慣性向前“沖”到安全帶的位置并與之碰撞，這時候很可能是人體承受不了安全帶突然施加給人體的力而導致受傷。

〖TP93.JPG；%40%40，Y〗該怎么辦呢？這里要用到高中物理學過的動量定理來看看工程師們能做什么。Ft=mvt-mv0，這是動量定理的表達式。如果乘客質量為75kg，車輛運行速度為50km/h（13.9m/s），那么人體的動量就是1042.5kgm/s。我們用一個F-t圖像來表示，就是右邊這個圖。圖中1線是一般碰撞時人體受力隨時間變化曲線，圖像所圍的面積就是人體的動量。要讓人體停下來，即動量減為零，等式的右邊不是工程師可控的，即圖像的面積大小是不可變的，可以做的工作就是盡量的延長碰撞發生的時間t，或者及早讓人體受到約束力，從而減小人體受到的作用力F的峰值，至少降到人體能夠承受的范圍內。

正是出于圖像中1線的實際碰撞和2線的理想碰撞初段的巨大差別，工程師們想到的辦法是在碰撞發生瞬間安全帶立刻收縮，及時的把人體約束在座椅上，使安全帶在碰撞發生的初期就開始對人體施加向后的作用力，像2線一樣及早的開始上揚，及早的開始使人體減速，才能得到峰值足夠小的理想的2線。這個裝置叫預緊器，也叫預縮器。對于三點式安全帶，固定點只有三個，所以預緊器無外乎三種：卷收器預緊器，卡扣預緊器，錨點預緊器。其中卷收器預緊器中一種比較常見的叫“爆燃式預緊器”，如右圖所示。箭頭所指的柱狀部分是炸藥，之所以選擇炸藥是因為它可以在毫秒級別〖TP94.JPG；%40%40，Y〗時間內就做出反應。爆炸后推動前方的鋼珠運動，再推動棘輪轉動，從而將安全帶收緊。除了使用炸藥外，也有使用電機帶動轉輪的，優點的可以重復使用，缺點是成本較大，對電機的要求較高。

當然這個2線畢竟是理想化的曲線，是工程師們追求做到的，實際碰撞中很可能是如圖中的3線。在爆燃式預緊器的作用下，安全帶較早的收緊作用在人體上。但是仍難以保證每次碰撞的峰值不會超過人體能承受的最大值，這時仍會對人體造成傷害。于是，限力器出現了。一般是通過卷收機構上設計一根可變形的金屬軸心來實現的，拉力達到一定程度后，這根軸心發生塑性形變，對拉力進行〖TP95.JPG；%40%40，Y〗“封頂”，這個變形同時還能多“吐出”一些安全帶來延長作用時間，并且工程師是可以控制“封頂”力的值的。這樣就可以得到如圖中4線一樣較為理想的曲線了。

聰明的工程師們沒有就此停止研究。通過更細致的研究發現，不同的乘客高矮胖瘦都不一樣，一位45kg的女士和一位90kg的壯漢體型相差懸殊，承受力也不一樣。如果使用相同力值的限力器，必會〖TP96.JPG；%40%40，Y〗顧此失彼，影響設計預期。于是自適應限力器面世了。它可以根據使用者的具體體型進行限力的調整。它需要一些配合才能很好的工作，比如通過座椅上的體重傳感器讀取乘客的體重信息等。

腳步并未停止！汽車工程師們經過仔細的研究人體物理承壓極限后，有了驚人的發現：在碰撞的初期，人體可以承受較大的峰值力而不受傷，如果該力值持續下去，才會導致骨折。于是就有瘋狂的工程師開始嘗試讓限力器在初始階段保持一個較大的、人體可承受的峰值，一小段時間后，在人體即將不能承受時再把峰值降下來。這就是兩段式限力預緊器。如圖中的5線。

工程師還曾對不同年齡的乘客骨骼強度做了研究，一個20多歲的年輕人肯定和一個60多歲的老人家不能使用同一個限力峰值。而目前幾乎所有的限力器還是基于50%受眾體的男性標準人體參數進行設計的，對一些邊緣人群還是考慮不足。于是有人提出了電控限力的概念。這個裝置可以手動輸入或結合人臉識別系統進行更精準的識別，根據駕駛員和乘客的具體情況來調整限力參數，以提供更佳的預防措施。

最后再說兩點：第一，前面所說的各種發明好像都發生在卷收器，其實工程師們在錨點、卡扣等位置也做了很多的文章，比如類似爆燃式卷收器的“爆燃式錨點預緊器”，也是利用炸藥的爆炸在碰撞初期使錨點部位的安全帶適量收縮，達到預收緊的作用。第二，即使在看起來很不起眼的卡扣位置，也大有文章可做。工程師們發現，某些情況下安全帶在卡扣兩邊會出現一邊較緊，一邊較松。當碰撞發生時，較緊的一邊會從卡扣處從另一邊抽〖LL〗一部分安全帶過來，而碰撞時安全帶過緊可不是好事，尤其是人體上軀干部位。由此就有了“動態鎖舌卡扣”（Dynamic Locking Tongue，簡稱DL〖TP97.JPG；%40%40，Y〗T）。它相當于一個袖珍凸輪軸，在正常情況下，安全帶可以在卡扣上順滑移動，一旦在發生碰撞，安全帶上的張力增加（普遍峰值是5kg時），這個鎖舌就會發生翻轉，把織帶牢牢卡住，織帶就再也無法通過卡扣滑動了。這樣安全帶橫跨髖部的部分就不會從橫跨胸部的部分抽取一些過來，避免了胸部受到更大的勒擠，導致胸部受傷，極端情況下可以避免乘客從安全帶下面滑出，造成保護失效。

安全帶，一根帶子，三個固定點，無數的工程師絞盡腦汁在這小小方寸間為保障乘客的生命安全、減小受到傷害的程度而努力，我們需要做的，就是上車，請系好安全帶。