汽車安全帶研究現狀分析

秦鈺軒，寧佳佳，吳天宇，謝建華，時 謙，劉 幫

（新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊830052）

0 引言

現代城市交通的發展在創造了便利的同時也增加了安全隱患。交通安全不僅關系到乘客的生命安全，還關系到和諧社會的建設。汽車行駛時，安全帶是車內人員安全保障的第一措施，可有效保障車內乘客和司機的安全。

1 汽車設置主動安全機構的意義

自21世紀起，我國汽車的保有量持續、高速、穩定增長。隨著汽車工業的不斷發展，汽車安全成為汽車發展的核心主題之一。安全氣囊和安全帶已成為汽車中不可或缺的重要防護裝備。汽車發生交通事故時，安全氣囊和安全帶的配合使用為車內乘員提供了更強的安全保障，有效地減少交通事故傷亡[1]。

2009～2018年全國交通事故，因機動車造成的道路安全事故比例達到90%以上，數據顯示其中汽車交通事故發生率在機動車事故率中占比高達75%。而安全帶作為保障汽車安全的重要裝置，在極大程度上避免了安全事故中的人員傷亡。

2 汽車安全帶的研究現狀

2.1 國外汽車安全帶研究現狀

在汽車安全帶研發方面，以美國為代表的發達國家起步早，發展速度快，1968年美國制定了第一部汽車安全法規。隨著安全帶技術研究的不斷深入，其結構以及性能也越來越完善，除了注重新產品的開發，國外不少研究機構開始將研究重點轉移到安全帶的鎖止性能以及約束性能上。文獻[2]研究了安全帶緊急鎖止過程中出現跳鎖的原因，對汽車安全帶卷收器的鎖止過程進行動力學研究，利用橢圓函數建立了動力學模型，通過理論分析以及實驗驗證的方法，研究織帶松弛量對卷收器鎖止性能的影響，最終得出織帶松弛對汽車碰撞過程的緊急鎖止以及乘員安全具有負面影響的結論。文獻[3]研究了帶預緊以及不帶預緊功能的不同安全帶在車輛側翻過程中的性能，進行了多次翻車實驗測試，主要分析了安全帶對駕駛員和右前座位乘員的約束性能，結果表明預緊式安全帶相比于非預緊式安全帶，在車輛側翻過程中，近側乘員安全帶拉出量約減少25mm，遠側乘員安全帶拉出量約減少50mm。文獻[4]通過使用Adams和Life MOD軟件的組合，以及Hybrid-III虛擬模型對電動預緊卷收器的運行進行了動態仿真，以評估在各種碰撞情況下電動預緊卷收器的性能。通過觀察安全帶上的力和位移，進一步評估了電動預緊卷收器對每個預定碰撞場景的響應。文獻[5]設計了一種基于Matlab軟件的數值程序，使用Marc軟件實現簡單的數值程序對整個預張緊操作過程進行建模，以此來模擬計算汽車安全帶中使用的大功率預緊器的鎖止性能。通過將實驗測試結果與數值仿真結果進行比較，將氣體爆炸實驗所得的壓力數據與程序計算所得的時間-齒條位移數據進行對比分析，驗證了所設計的數值程序的可靠性。文獻[6]對預緊式安全帶進行動力學仿真分析以及結構優化設計，該預緊器是由齒條和齒輪組成的齒輪機構，使用Adams多體動力學軟件建立預緊式安全帶的動力學模型。通過比較仿真模擬結果與實驗測試結果，驗證了動力學仿真模型動態模型的可靠性，對齒條和齒輪的輪廓進行優化設計，提高卷收器的預緊收縮量，并優化模型的織帶預緊收縮量達到120mm。國外學者對汽車安全約束系統的相關研究多采用實驗測試以及計算機模擬仿真兩種方法，理論層面的數學分析則相對較少。

2.2 國內汽車安全帶研究現狀

國內企業以及研究機構在汽車安全系統方面的研究起步較晚，汽車整體安全技術相對落后，尤其是安全帶裝配，其核心技術相對缺乏。1992年，公安部發布關于駕駛和乘坐小型客車必須使用安全帶的通告[7]，之后又陸續出臺相關法規。1995年，廣州標致汽車公司陳潤燦對緊急鎖止卷收器的結構特點以及鎖止工作原理進行了初步分析[8]；2001年，上汽天合方根明對緊急鎖止式安全帶的工作原理進行進一步分析，并提出安全帶在使用過程中的注意事項[9]；2019年，鮑馬飛[10]對一款安全帶卷收器的車感鎖止性能、帶感鎖止性能和傾斜鎖止性能進行了定量的分析，校核了卷收器的強度性能，并在降低產品成本和提高系統可靠性方面進行了有益的探索；重慶大學田林、陳劉波[11-12]對復合敏感緊急鎖止式安全帶做了鎖止性能研究；湖南大學曹立波教授及其學生對主動預緊式安全帶的碰撞性能進行了大量研究[13-15]；華南理工大學杜群貴教授及其學生對預緊安全帶的關鍵技術進行研究，開發出一款新型預緊式安全帶，并對其做了仿真研究[16]；華南理工大學王紅[17]建立了一套安全帶的三維模型，還建立了帶感鎖止機構和車感系統相結合的數學概念模型，并對其約束性能進行仿真；上海工程技術大學王曉聰[18]對安全帶帶感以及車感機構的鎖止時間進行Adams仿真分析。縱觀近年來國內學者對汽車安全帶的研究工作，安全帶被集成在約束系統中，其研究重點主要是在碰撞發生時乘員的胸部壓力、頭部加速度、位移量等響應，以此為指標間接得到安全帶的約束性能[19-21]。

對于安全帶的鎖止行為，目前主要有兩類研究方法，一是定量數據分析，通過對車發動機的一系列相關數據的嚴格測試確定安全帶鎖扣的理論可負擔范圍；二是計算機模擬仿真，國內對汽車安全帶的研究有很多理論的數學分析，但實際的實驗測試卻很少。這對于提高安全帶的鎖緊性能和結構性能，提高行業研究人員的技術研發水平是遠遠不夠的。

3 存在的問題及新設想

（1）安全帶的約束并不適用于所有人。由于人體型態差異以及人體慣性，安全帶無法最大限度保障乘客及駕駛員的生命安全，存在設計不夠人性化、不夠智能，預判情況比較局限的問題，無法精準判斷每一次事故并及時地做出反應。

（2）安全氣囊的展開與安全帶的緊收可能對人體造成二次傷害。由于安全氣囊年久失修或者汽車出場時的安裝失誤，事故發生時會出現安全帶鎖扣無法脫開或者安全氣囊未正常彈出的情況，會對駕駛員及乘客造成難以挽回的危害。

（3）汽車座椅并不能在所有情況下保障乘客的安全。在汽車發生正向碰撞時，汽車座椅會給乘客和駕駛員帶來極大的慣性，易造成車內人員身體損傷，在狹小的汽車箱體內，座椅及汽車形變后的狹小空間增加了乘客及駕駛員的逃生難度。

（4）安全帶扣鎖設計與優化的研究較少。大多數設計是基于安全帶的卷收器與安全帶的肩帶對人體的影響，考慮的是舒適性和安全帶出現的故障排查，而安全帶上卷首器和肩帶的設計很難阻止二次事故的發生，為了保護乘客的安全，更應該對汽車上固定的安全帶卡扣進行研究和改裝。針對以上問題，為了提高安全帶的可靠性，對其進行改進和優化是可行且必要的。

課題組設計適用（SG90 MG996R—QC—模塊SG90）90°～180°的通用舵機，如圖1。當汽車發生碰撞事故時，主板識別碰撞信號并發出指令，舵機接收指令后驅使棘輪轉動。當棘輪逆時針旋轉至180°時，通過拉桿Ⅲ、轉軸、拉桿Ⅲ帶動軸承向下移動2～3 cm。軸承向下移動時帶動H型上支架和與之相連的H型下支架一起向下移動，H型下支架下移帶動拉桿Ⅰ下移。拉桿Ⅰ與PUSH按動板和壓簧片相連，拉桿Ⅰ下移帶動PUSH按動板下移，壓簧片向外彈出，PUSH按動板回彈，保險帶解鎖，這樣可以大大提高其可靠性。

圖1 90°～180°的通用舵機1.主板2.舵機3.棘輪4.固定銷Ⅰ5.保險帶底板6.H型上支架7.固定銷Ⅱ8.軸承9.PUSH按動板10.壓簧片11.彈簧12.拉桿Ⅰ13.H型下支架14.拉桿Ⅱ15.轉軸16.拉桿Ⅲ

該設計適用于應對保險帶突發故障的狀況，在發生碰撞事故后，可以實現對碰撞后的車況做出判定、發出指令及完成解鎖動作，能有效降低汽車碰撞后保險帶無法人為按動解鎖逃生的概率。通過棘輪裝置及智能指令系統將碰撞事故智能分類，并對是否自解鎖做出智能判斷，進而完成保險帶的自解鎖。

4 結論及展望

在發生汽車交通事故時，安全帶對乘客和司機的生命安全起到了重要的保護作用。但安全帶扣鎖在汽車車身內部發生事故后，該部位發生嚴重損壞導致安全帶卡死造成車內人員不能及時逃生，這對汽車安全帶的鎖止系統提出了更高的要求。為了保證駕駛員及乘客的生命安全，汽車安全帶的設計開發不僅要考慮安全帶的成本，還要研究安全帶的材料以及固定位置。結合汽車應急預警響應各方面的實際問題，將汽車安全帶的制造成本控制在合理范圍內。結合現有的國內外企業及機構對安全帶設計和優化方面的研究，筆者認為對安全帶的研究不應該局限于提醒結構和鎖止機構，在安全帶的扣鎖上也應該進行相應的研究，在節省材料和空間的基礎上，設計更加高效可靠的安全帶，為駕駛員與乘客的安全提供保障。