汽车安全带工作原理

汽车安全带工作原理

1. 引言

据美国公路交通安全局(NHTSA)的一份研究报告显

示，在美国，安全带平均每年可挽救13000个生命。同时，

NHTSA还估计，如果系好安全带，7000遇难者本可以幸

免于难。虽然某些情况下安全带确实也会造成严重伤害或

死亡，但几乎所有安全专家都认为系好安全带可显著增加

您在事故中的生存机会。据NHTSA估计，安全带可将前

排乘客的死亡风险降低50%。

考虑到这些情况时，您一定会感到十分惊奇：一条小

小的编织带如何就能导致生死之别呢？它到底有什么作用

呢？在本文中，我们将探讨安全带的技术，了解为什么在

任何汽车上它都是最重要的技术之一。

2. 安全带的原理:碰撞过程

安全带的设计理念非常简单：当汽车突然停止时，安全带会防止您飞出挡风玻璃或撞向仪表板。但为什么首先会发生这种情况呢？简而言之，是由于惯性。

惯性是物体在其他物体阻止其运动之前试图保持原有运动的趋势。换言之，惯性是每个对象对其行进速度和方向进行改变的一种阻抗。任何事物都具有保持运动的特性。

如果一辆汽车的速度约为80公里/小时，那么惯性会使它保持以约80公里/小时的速度在一个方向上行进。空气阻力和路面摩擦会不断使其减速，但发动机的动力会补偿这些能量损失。

汽车中的一切物体（包括驾驶员和乘客）都有自己的惯性，且独立于汽车的惯性。汽车将其乘坐者加速到汽车的速度。假设您以约80公里/小时的速度巡航。您的速度和车速几乎相等，因此，您感觉您与车辆就像是一个整体在一起移动。

但如果汽车撞到电话线杆，显然您的惯性将与汽车的惯性彼此完全独立。电话线杆的阻力会使汽车突然停下，但是您的速度仍保持不变。如果没有安全带，您将以约80公里/小时的速度撞向方向盘或者飞出挡风玻璃。就像电话线杆会使汽车减速一样，仪表板、挡风玻璃或路面也会向您施加极大的作用力使您减速。

有一点是必然的，即不管在撞击中发生什么事情，都需要有某些物体在您身上施加作用力才能使您停下来。但是根据施加力的位置和方式，可能会使您立即毙命，也可能让您毫发无伤地离开。

如果您的头部撞向挡风玻璃，那么这种停止的力量将集中在您身体最脆弱的一个部位上。它也会令您迅速停下来，因为玻璃表面很硬。但这可以轻易地让一个人受重伤或丧命。

安全带将停止力施加到人身体能够较长时间承受压力的部分。在下一节，我们将介绍它是如何减少人体严重受伤的机会的。

3. 安全带如何使您免受重击

在上一节中，我们知道了当汽车突然停止时，乘客也会突然停止运动。安全带的工作就是将这种停止作用力扩散到身体比较强壮的部位上，以尽可能减少伤害。

典型的安全带由一个围在骨盆处的安全腰带和一个跨过胸部的肩带组成。这两段安全带紧紧固定在汽车框架上，以便将乘客保持在座椅上。

正确系好安全带后，它可以将大部分停止作用力施加到胸腔和骨盆，这些身体部位相对来说比较强壮。由于安全带在身体上跨越的部分较宽，因而作用力不会集中在一个较小区域，所以不会造成过大伤害。此外，安全带所用的材料比仪表板或挡风玻璃要柔软得多。它可以略微拉伸，这意味着停止过程不会过于突然。但是，安全带不应拉伸过长，否则可能会使您撞向方向盘或侧窗。安全带只允许您略微前移。

汽车的折皱区是能切实起到缓冲作用的区域。折皱区是汽车前部和后部相对比较容易压折的区域。汽车在撞到障碍物时不会突然停止，而是通过溃缩（就像空易拉罐一样）吸收部分撞击力。汽车的车厢比较坚固，因此不会挤压在乘客身上。它会继续短暂移动，使汽车的前部撞向障碍物。当然，只有在您随汽车车厢一起运动时（也就是说，安全带将您固定在座椅上时），折皱区才能为您提供保护。

最简单的安全带（某些过山车就使用了这种安全带）由通过螺栓固定在车身上的一条长带子组成。这种安全带会始终将您紧紧绑在座椅上，这会很安全，但并不是特别舒适。

汽车的安全带能够拉伸和收回——当安全带拉紧时，您的身体可以轻松地前倾。但是在撞击中，安全带会突然收紧并将您紧紧固定好。在下一节中，我们将介绍使这一切成为可能的机制。

4. 安全带的卷收器:如何拉伸和收回

在典型的安全带系统中，安全带与一个卷收器相连。卷收器中的核心元件是卷轴，它与安全带的一端相连。在卷收器内部，一个弹簧为卷轴提供旋转作用力（或扭矩）。它会旋转卷轴，以便卷起任何松弛的安全带。

螺旋形的弹簧会旋转卷轴以使安全带保持紧绷

当您拉出安全带时，卷轴将逆时针旋转，并使相连的弹簧也沿相同方向旋转。这样，旋转的卷轴就反扭了弹簧。因为弹簧想要恢复到原状，因此它会抗拒这一扭转运动。如果您松开安全带，弹簧将收紧，并顺时针旋转卷轴，直至使安全带张紧。

卷收器有一个锁定机构，可在汽车发生碰撞时停止卷轴的旋转。如今，有两种常用的锁定系统：

◆由汽车运动触发的系统

◆由安全带运动触发的系统

第一种系统在汽车迅速减速（例如，当汽车撞上某物体）时锁定卷轴。下面是这种设计的示意图。

这种机构中的核心元件是一个加重摆锤。当汽车突然停止时，惯

性会导致摆锤向前摆动。摆锤另一端的棘爪会抓住固定在卷轴上的一

个带齿棘轮。由于棘爪卡住了其中一个轮齿，因而齿轮便无法逆时针

旋转，从而使与之相连的卷轴也无法旋转。当撞击后再次松开安全带

时，齿轮会顺时针旋转，并与棘轮分开。

第二种系统在猛拉安全带时锁定卷轴。多数设计利用卷轴旋转的

速度作为激活动力。图中所示为一种常见配置方式。

这种设计的核心元件是一个离心式离合器——一种安装在旋转卷

轴上的加重摆杆。当卷轴缓慢旋转时，摆杆并不摆动。一个弹簧使

它保持在原来的位置。但当猛拉安全带时，卷轴将快速旋转，离心力

驱使摆杆的加重端向外摆动。

伸长的摆杆会推动卷收器壳上的凸轮。凸轮通过滑动销与一个枢

转棘爪相连。当凸轮移到左侧时，滑动销会沿棘爪的槽口移动。这

会将棘爪拖入与卷轴相连的旋转棘轮。棘爪锁入轮齿中，禁止逆时针

旋转。

在某些新型安全带系统中，还会使用预紧器来收紧安全带。在下一节中，我们将介绍这些装置的工作原理。