图1   预紧限力式安全带内部结构

传统的安全带研究方法只能检验安全带自身的性能，不能检验在碰撞过程中安全带对假人胸部的保护效果。加强对安全带性能的研究工作，通过安全带的特征曲线，控制安全带的各项参数，有利于保证安全带的质量，提高乘员在事故中的安全系数。

汽车安全带的种类

汽车安全带是将乘员约束在座椅上的安全装置，在汽车发生碰撞时可防止乘员身体冲出与方向盘、仪表板等发生二次碰撞，并且将乘员的胸部加速度和胸部压缩量控制在最低限值。对于汽车碰撞乘员约束系统而言，其包括安全带、安全气囊、座椅、方向盘及吸能管柱等，其中最重要的部件是安全带。随着汽车碰撞安全性能的要求不断提高，促进了汽车安全带技术的飞跃发展。目前汽车安全带主要分为：普通安全带、限力式安全带、预张紧限力式安全带及预卷式预张紧限力式安全带，其价格从45～500元人民币不等。在中国销售的安全带必须满足GB14166法规，其中包括很多项目的强制性测试。

图2   预紧限力式安全带（钢珠式预紧器）

普通安全带的工作机理为：安全带由车感传感器和带感传感器感应到车体加速度或者安全带拉出的加速度，带感加速度大于2 g，车感传感器大于0.45 g，其安全带卷约束器的锁止机构发挥作用，安全带锁止后通过安全带自身的变形来吸收人体的碰撞能量，降低胸部加速度和胸部压缩量。由于普通安全带对人体胸部的保护效果有限，目前只在一些低价位乘用车和商用车当中使用。

图3   预紧限力式安全带（钢丝式预紧器）

限力式安全带是在普通安全带卷束器中心安装一根限力轴，通过限力轴扭曲变形限制安全带织带力的增长。将织带力控制在某一恒定范围内，可以降低胸部加速度和胸部位移量，目前这款安全带只在一些低价位乘用车中使用。

图4   预紧限力式安全带（齿轮齿条式预紧器）

预张紧限力式安全带是在限力式安全带上增加预紧器，其工作原理是通过安全气囊ECU发出一个预紧点火信号，预紧器内的火药燃烧产生高压气体作为卷曲动力，消除安全带与人体之间的间隙。目前，预张紧限力式安全带已经在中高端车型当中广泛使用。

预卷式预紧限力式安全带是在预张紧限力式安全带上增加了预卷电机系统，其工作原理是通过雷达装置感应车辆与前车辆的间距，如果间距小于某一设定值，其ECU发出信号控制电机运动，消除安全带与人体之间的空隙，并且提醒驾驶员紧急刹车或者应急处理。这款安全带涉及到很多主动安全相关的装置（例如探测雷达、计算程序等），因此其整体价格非常昂贵，目前只在一些高端车型上使用。

预紧限力式安全带内部结构和预紧器工作原理

在车辆行驶过程中，安全带和人体之间有一定的间隙，这个间隙的大小由安全带卷束力控制。卷束力过大会造成人体不舒适，而在碰撞当中需要将这个间隙消除，减少人体胸部向前的位移量。随着安全气囊技术的发展，利用安全气囊ECU给出碰撞信号，由火药燃烧的高压气体作为动力驱动安全带卷轴向回收紧，于是产生了预紧器。随着EURO-NCAP和C-NCAP要求的日益提高，如果一款车型要在EURO-NCAP和C-NCAP达到三星或者以上成绩，必须使用安全预紧限力安全带。目前，预紧器的结构主要分为钢珠式、钢丝式和齿轮齿条式，其原理都是将化学能转化为动能，但是执行结构有很大的区别。图1为配备钢珠式预紧器的预紧限力安全带内部结构，其中，限力轴发挥安全带限力作用，通过中轴扭曲变形产生一个恒定的安全带织带力。表为三种预紧器的比较。由于钢珠式预紧器具有结构紧凑、体积小巧及质量轻等优点，任何车型都可以匹配，因此目前的市场份额达95%左右。由于生产量巨大，因此其价格相对便宜，一致性控制较好。

图7   齿轮齿条式预紧器工作原理

安全带的碰撞安全性能分析

“没有最好的安全带，只有最合适的安全带”，因此，安全带的匹配需要做大量的碰撞试验和CAE分析。经过上百轮的优化，确定预紧器的类型、预紧器点火时间、预紧器最大拉力、织带的延伸率及限力器的限力值。图8为安全带自身的动态试验，通过减速滑台制造几种典型的加速度波形，采用TNO刚性假人测试胸部和腰部的位移量，但是这种方法只能检测安全带自身的性能。图9为乘员约束系统的动态试验，通过加速滑台准确复形车体碰撞加速度波形，通常将安全带和安全气囊一起进行匹配，将整个乘员约束系统统一优化。此外，还需要进行乘员约束系统CAE分析，可大量减少整车碰撞和滑台碰撞的次数，降低开发试验费用，有效压缩开发周期。

图8   减速滑台做安全带性能动态试验

由于乘员的胸部和头部运动由安全带控制，其整车的约束条件是整车碰撞加速度和乘员舱的尺寸。通过分析胸部的位移与安全带拉力之间的耦合关系，可以得到安全带特征曲线。图10为某车型普通安全带特征曲线，其安全带特征曲线分为三个区域：区域1为碰撞开始到安全带锁止，其胸部位移包括安全带与人体的间隙、安全带卷轴的松弛量和安全带锁止伸出量。区域2内的曲线斜率代表织带的刚度，即织带延伸率，目前织带延伸率分为：6%、7%、9%和12%四个挡，织带的宽度全球统一为46 mm，织带延伸率由织带的编织方法和编织密度控制。曲线的斜率越大代表织带的刚度越大，即织带的延伸率越小。区域3为织带达到最大力后的胸部残余运动，其整个胸部位移量最大值控制为胸部到方向盘中心的距离，应该防止假人胸部撞击方向盘。由于试验前采用了人为预紧，所以区域1的比例很小。

图9   加速滑台做安全带性能动态试验

图11为预紧限力式安全带特征曲线，由于做第一轮数据采集试验，预紧器没有点火，相当于限力式安全带。与图10相比，增加了限力器的作用区间，由于限力器的作用距离仅为95～110 mm，因此当限力轴扭曲到一定程度后其扭力出现了衰退。对于预紧限力式安全带，建议采用钢珠式预紧器，预紧器点火时间控制在15～22 ms（超过40ms后人体相对车体已经运动，预紧器失去作用），预紧力控制在1.4 kN左右，预紧力持续时间12～14ms；限力值控制在4kN，限力器持续距离为110 mm。目前，限力值分为：3 kN、4 kN及5 kN三个挡，如果超过了5kN就失去了限力的作用。区域2的长度根据胸部与方向盘中心距离减去区域1、3的长度得到，从而计算安全带的刚度，确定安全带的织带延伸率。安全带特征曲线的设计就是安全带性能参数的设计，能够直观地反映出碰撞过程中安全带对假人的保护效果。

图10  普通安全带特征曲线

结语

综上所述，安全带的匹配是一个非常复杂的过程，安全带企业只能为安全带本身的一致性负责，不能为整车碰撞安全性能负责。所以乘员约束系统的开发必须由主机厂来完成，安全带必须和安全气囊、吸能管柱、方向盘及座椅刚度统一进行匹配。作者根据多年工作经验，提出以下建议供业内人士探讨：

第一，安全带参数优化确定之后，进入到大批量生产状态，主机厂要定时定量对安全带进行抽检，以控制安全带的生产一致性。由于安全带是一个性能件，作者认为不能进行二次布点，否则会造成很多质量问题。目前，国内有几十家安全带企业，但是真正有实力的企业很少，产品同质化程度太高，恶性竞争严重，严重影响了安全带碰撞安全性能和生产一致性。最便宜的安全带仅仅35元左右，出现了“安全带不如裤腰带”的现象，无法保证安全带性能。

图11  预紧限力式安全带特征曲线（预紧器没点火）

第二，加强对安全带新技术的研究。预卷式预紧限力式安全带是未来的发展趋势，融合了主动安全和被动安全的技术，值得大力研究。很多司机长时间疲劳驾驶后，反应能力急剧下降，可以通过预卷器定时收放安全带，达到提醒驾驶员的作用。安全带预卷功能对驾驶员的提醒效果远高于声音提醒。

第三，加强对安全带性能的研究工作，通过安全带的特征曲线，控制安全带的各项参数。传统的安全带研究方法只能检验安全带自身的性能，不能检验在碰撞过程中安全带对假人胸部的保护效果。通过制作安全带特征曲线，可以将安全带各项参数与假人伤害结合起来分析，有利于安全带参数的优化。