摘 要：汽车安全带作为保护乘员的重要装置，对于减少交通事故造成的伤害有着举足轻重的作用。目前市面上常见的三点式安全带和四点式安全带在安全性、舒适性和灵活性等方面各有一定的优缺点。本文针对这两类安全带的应用情况进行研究分析，创造性地提出了一种组合型多点可变安全带，将两种安全带相结合，实现其相互转换的功能，以更好地适应消费者对安全性和舒适性等方面的要求。同时，通过运用ANSYS软件对设计成果进行受力分析，对设计结构和材料进行强度检验，验证了项目设计的可行性。

关键词：汽车安全带；三点式；四点式；转换机制；ANSYS有限元分析

安全是人们出行最基本的需求。当高速行驶的汽车发生碰撞或遇到意外紧急制动时 ， 将产生巨大的惯性力，这个惯性力可能超过驾驶人体重的20倍（视行车速度及撞击程度有所不同），使驾驶人及乘客与车内的方向盘、挡风玻璃、座椅靠背、车门等物体发生碰撞，极易造成对驾乘人员的伤害，甚至将驾乘者抛离座位或抛出车外。汽车安全带的作用就是在车辆发生碰撞或使用紧急制动时，将乘员牢牢地拴在座椅上，防止发生二次碰撞，起着约束乘员位移和缓冲作用，吸收撞击能量，化解惯性力，避免或减轻驾乘人员受伤的程度。因此，针对汽车安全带的研究成为人们热议的话题。

1 安全带使用现状

目前市面上常用的汽车安全带有三点式安全带和四点式安全带两种。三点式安全带主要配置于常规车辆上，用于普通出行，而四点式安全带主要应用在赛车上，满足高速行驶车辆的安全需求。

1.1 三点式安全带使用概况

三点式安全带仍然是汽车中最重要的独立安全装置，它是应用最为广泛，最有深远意义的安全创新技术，该技术在减轻全世界千千万万交通事故的后果方面，它的贡献是其它任何单一的安全方案都无法比拟的。行车中，坐在车内的人体的移动速度与车速相同，突然停车时，人体仍会以原有速度移动，此时，安全带能将原本作用于人体的介乎3000至5000公斤之间的冲力挡住。如今，这种安全带已经成为轿车标准配置的一部分。目前， 汽车上普遍使用的安全带为改进后的连续性三点式紧急锁止式安全带。

1.2 四点式安全带使用概况

四点式安全带主要应用于赛车，现在一些制作厂商，比如沃尔沃，正尝试将其应用到微型轿车上。典型的四点式安全带包括两条竖向的吊带，可以束住车内乘员的胸腔，并在底部与横向安全带扣接。这种安全带大都为双肩式固定，加上横在腰部的一根，很像日常旅游时背的双肩式登山包。安全带的长短是事先根据车手坐在座椅上的尺寸调好的，基本上不再调节，也没有预拉紧装置。这种安全带可以将撞击力更均匀地分散掉，在车辆遭受翻滚或滑动时，乘员不会因剧烈晃动而产生位移继而导致身体伤害；同时，乘员通过座椅与车身更加紧密的结合到一起，更能够感受到车辆的动态，即达到常说的“人车合一”的状态，以便更有效地操控车辆。

2 组合型多点可变安全带设计

通过分析两种类型安全带的优缺点，本文致力于设计一种能够很好地实现两种安全带相互衔接转换的机构，即组合型多点可变安全带。

2.1 设计结构综述

组合型多点可变安全带的设计理念是通过在通用三点式安全带的结构基础上增加一个机械锁装置，实现了三点式安全带与四点式安全带的任意切换，从而达到了一款安全带实现两种形式安全带功能的效果，使安全带满足了人体佩戴舒适性高、对人体的束缚能力强，对人体的安全保护作用好等的多重功能。

组合型多点式安全带在设计上沿用通用三点式安全带采用的标准GB14166-2003《道路车辆成年成员用安全带和约束系统》，同时还满足GB8410-1994《汽车内饰材料的燃烧特性》的要求。

组合型多点可变安全带在整体结构布局上沿用了通用三点式安全带包括座椅左下方的卷收器，卷收器内的织带一端穿过左上方的导向环回到卷收器中形成双层可伸缩的织带，外层织带套合于与锁扣配合的锁舌，在佩戴时锁舌固定于锁扣上。

区别之处在于与锁扣配合的固定锁扣改装为一个可锁死的滑动装置，组成了组合型多点可变安全带的核心创新部分：机械锁装置。通过机械锁装置的锁死与开锁状态实现三点式和四点式安全带两种模式的切换。同时也增加了一条安全带及一个安置在座椅右后方的卷收器，满足实现四点式安全带的结构要求。

2.2 机械转换装置结构

2.2.1 滑条

滑条采用工字钢结构，从而有效增强材料的刚度强度。竖直固定于座椅右下方，其中一侧盖板加工为双侧牙齿结构，实现与装有扣锁的滑块的凹槽配合的功能。

2.2.2 滑块

滑块为凹型长方体框架，采用槽钢结构。水平方向设有齿形滑槽，竖直方向布置有两个圆孔。顶端为圆柱体，末端为长方体形的按钮从圆孔中穿过，两个按钮的末端分别与一个弹簧的两端相连接，通过按动按钮实现滑块沿滑槽的上下运动。同时当切换为四点式安全带时，滑块将离开滑槽运动到人体前方，实现了四点式安全带的功能。

2.2.3 机械锁

机械锁装置设于滑块的内部，由滑块内框、按钮、卡齿、传动杆及弹簧等几个主要部分组成。滑块内部有两组两两配合的“L”型传动杆，每两个传动杆“L”型的长臂中间用一个螺栓铰连，，使两个杆交叉成“X”型，短臂垂直于框架平面。螺栓与小滑块相连接，滑块配合于框架内部的滑槽，可沿滑槽横向自由滑动。每组两个传动杆长臂的顶端分别与两个按钮的末端铰连。通过按动按钮调节弹簧实现机械锁的位置变化，使机械锁沿着滑条上下自由滑动。

滑动装置可以沿着滑条上下自由滑动，同时还可以依靠一个可变向齿式棘轮机构实现在任意位置固定锁住。所述的齿式棘轮机构的棘轮齿安装在滑条两侧。齿条形棘爪安装在滑块内部，与“L”型传动杆的短臂相连接，使得棘爪可以在传动杆的带动下在滑块内部横向移动。

这种组合型多点可变安全带还包括座椅后侧右下方的卷收器，卷收器内的织带一端穿过座椅头枕右侧的导向环回到卷收器中形成双层可伸缩的织带，外层织带套合于与滑条配合的滑块装置，当滑块离开滑槽时卷收器中的织带将伸出，从而实现四点式安全带结构。

2.3 工作原理

汽车正常行驶时，采用三点式安全带。滑块装置由于齿条形棘爪与棘轮齿的啮合而固定在滑条上，将左侧安全带的锁舌拉出，带动织带克服弹簧回弹力向外伸出绕过人体，至右侧扣在滑块的锁扣内，即完成系带。从而形成三点式安全带。

调节锁扣的位置时，同时按下机械锁上下两侧的按钮，使得弹簧压缩。两按钮靠近，与之相铰接的两个传动杆之间的夹角随之变小，两个传动杆交叉处的小滑块沿着滑槽向远离弹簧的方向滑动。传动杆的短臂带动齿条形棘爪向远离弹簧的方向滑动，带动齿条形棘爪与滑条的棘轮齿脱离啮合，使滑块可以沿着滑条在外力作用下上下自由滑动。当调节至合适位置的时候松开按钮，两个按钮在弹簧弹力的作用下向外运动，两按钮之间距离增大，与之相铰接的两个传动杆之间的夹角随之变大。传动杆交叉处的小滑块沿着滑槽向靠近弹簧的方向滑动，传动杆的短臂带动齿条形棘爪向靠近弹簧的方向滑动，带动齿条形棘爪与滑条的棘轮齿重新进入啮合。从而可以使得滑块在滑条上的位置固定，三点式安全带正常使用。滑块的上下滑动会改变左侧安全带在人体上的压迫位置，人们可以根据自己体型自行调节至舒适位置。

汽车在高速行驶的时候，四点式安全带对人体的约束更加牢固，在事故发生时对人的保护性能更强，其安全性大大提高，可以将三点式安全带转变成四点式安全带。按下滑块的按钮，滑块便可在滑条上自由滑动，这时将滑块向上拉，直至滑出滑条。与佩戴正常三点式安全带类似，将右臂穿过右侧安全带，将机械锁拉至身体正前方腹部偏上位置即可。

若需由四点式安全带切换到三点式安全带，只需按下机械锁两侧按钮将滑块装置插回至滑条，调节到合适位置，放开两侧按钮，保证滑块已安全锁死。与此同时卷收器将直接收回右侧安全带，实现了三点式安全带定位。

3 组合型多点可变安全带结构有限元分析

本文根据安全带实际使用情况，并结合GB14166一93中的对安全带性能的实验要求，使用有限单元方法对机械锁的结构强度及合理性进行分析。在机械锁结构中，主要承受载荷的结构是锁舌，齿形滑条和滑块。关于滑块和齿条的受力，可以看作平面应力问题，因此本文建立了该结构简化的2维有限元模型，并进行了分析计算。然后，为了得到结构更加具体的受力情况，有建立了三维有限元模型并进行计算。

3.1 滑块与齿形滑条的二维有限元模型

取安全带结构的横截面建立二维模型，使用ansys软件进行网格划分。将接触的边设定为接触对，摩擦系数0.1。同时，将滑槽的下端面设定为固定约束。划分网格后在侧面施加载荷13500N。使用动态加载的方法加载。经过计算，得到了如图所示的应力分布云图。

3.2 锁身与齿槽的三维有限元模型

为了的到更精确的计算结果。我们又建立了更接近真实情况的三维有限元分析模型。我们首先建立安全带受力构件的三维模型。使用Ansys软件进行网格划分。划分网格之后，分别得到各个零件的有限元模型，其中齿槽有节点12014个，单元7557个。锁身有节点2601个，单元1210个。接触面26对，定义摩擦系树为0.1。使用动力学分析方法对安全带进行受力分析。参考GB14167，在锁扣处施加载荷13500N+10°使用动态加载的方法，加载时间1s，然后卸载。经过ansys有限元分析软件运行求解之后得到了如下结果：

表1 分析计算结果

最大应力值 131.99MPa

最大位移量 9.8044e-005 m

计算迭代次数 26

3.3 结果分析

该结构的最大应力出现在滑槽与锁接触部位，危险点主要来源为挤压应力和局部引力集中。该材料经计算分析为合格。次锁扣的受力结构也比较合理。

同时，此模型还可以有以下改进措施：

结合人机工程学的知识改进外形，使其适应人的手的形状，使人操作时更加舒适。

改进滑槽的形状，符合等强度原则，使更加其节省材料，减轻重量，更加美观。

改进引力集中出的设计，提高其疲劳强度。

4 总结与展望

本文的重点内容是组合型多点可变安全带的设计研究。目前汽车安全带在碰撞事故中对乘员的有效保护作用已得到了世界各国的公认。组合型多点可变安全带兼顾了三点式安全带的舒适性，四点式安全带的安全性，可在不同的运行条件下充分发挥每种安全带的作用。然而，本设计仍有很多细节还需要不断的改进和完善，项目的研究工作还需不断地深化。本研究的结构参数仍需优化，还考虑安全带延伸率、宽度，卷收器等相关参数设置；由于条件所限，本研究没有进行碰撞的试验研究。

总的来说，本文所研究的组合型多点可变安全带在提高乘员的安全性、灵活性方面具有一定的参考价值，也具有一定的推广实用价值，当然其中还有很多不足，有待于其他研究人员在日后的工作和学习中继续充实和完善。

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注：源自国家大学生创新性实验计划项目 项目编号：201410613039