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力学STS篇
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安全带的作用及工作原理解析


  理想的安全带作用过程短暂而有序:首先,及时收紧,在事故发生的第一时刻毫不犹豫地把人“按”在座椅上。然后,适度放松,待冲击力峰值过去,或人已能受到气囊的保护时,即适当放松安全带。避免因拉力过大而使人肋骨受伤。而安全带的重要性到底有多大是不少人的疑问,我们可以看下面的数据。

  安全带的作用及工作原理

  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%。

  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。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。

  安全带的作用及工作原理解析


螺旋形的弹簧会旋转卷轴以使安全带保持紧绷

  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。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和由安全带运动触发的系统。


第一种系统在汽车迅速减速时锁定卷轴

  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。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。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。


第二种系统在猛拉安全带时锁定卷轴

  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。预紧器的设计理念是:在发生碰撞时收紧安全带的任何松弛部分。 卷收器的传统锁定机构使安全带无法进一步拉伸,而预紧器的作用则是拉回安全带。 这种拉回力可将乘客移到座位中的最佳撞击位置。 预紧器通常与传统锁定机构一起使用,而不是代替它们。

  市场上有多种不同的预紧器系统。 某些预紧器会将整个卷收器向后拉,某些则会旋转卷轴本身。 通常,预紧器会连接到激活汽车安全气囊的中央控制处理器。 处理器监控机械或电子运动传感器,这些传感器可响应因撞击产生的突然减速。 当探测到撞击时,处理器将激活预紧器,然后激活安全气囊。某些预紧器采用了电动机或螺线管,但当今的多数设计采用点火方式来拉入安全带。当燃气点燃时,压力会推动活塞上行,从而旋转卷收器。


当燃气点燃时,压力会推动活塞上行,从而旋转卷收器

  这种预紧器中的核心元件是一个燃气室。在燃气室内,还有一个包含易爆点火材料的小燃烧室。 这个小燃烧室带有两个电极,并连接至中央处理器。当处理器探测到撞击时,它会立即在电极上施加一个电流。 电极产生的火花将点燃点火材料,从而将燃气室中的燃气点燃。 燃烧的气体会产生很大的外推力。 该压力推动位于燃气室内的活塞,使其高速向上运动。活塞的一侧固定有一个齿条。 当活塞弹起时,齿条将与一个连接到卷收器卷轴的齿轮啮合。 高速运动的齿条会快速旋转卷轴,从而卷起安全带。

  在剧烈撞击中(如当汽车与某障碍物高速相撞时),安全带会造成严重的伤害。 随着乘客惯性速度的增加,需要更大的力才能使乘客停下来。 换言之,撞击时您的运动速度越快,安全带对您施加的作用力就越大。

  某些安全带系统使用负载限制器来尽可能减少安全带造成的伤害。 负载限制器的设计理念是:当有巨大的作用力施加到安全带上时,额外释放更多安全带。 最简单的负载限制器是缝制在安全带中的折叠带束。 当施加到安全带上的作用力达到特定值时,用来固定折叠带束的缝线将会断裂。 当缝线断开时,安全带的折叠部分便随即展开,从而使安全带能够再伸长一些。

  更高级的负载限制器在卷收器中采用了一个扭杆。 扭杆就是一个长金属杆,当向其施加足够的作用力时会发生扭曲。 在负载限制器中,扭杆的一端固定在锁定机构上,另一端固定在旋转的卷轴上。 在轻度事故中,扭杆将保持形状不变,卷轴将使用锁定机构进行锁定。 但是当有巨大的作用力施加到安全带上时(因而也施加到卷轴上),扭杆将略微扭曲。 这会使安全带延伸得更多一些。

  从某种意义上说,安全带的重要性超越了安全气囊,所以现在大多数汽车都强制要求驾驶员系安全带,如果安全带系统有问题的话,被动安全的效果会流失大半,重要性不言而喻。当然真正的安全不能仅靠安全带,驾驶员也要保持良好的驾驶习惯。



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