[发明专利]用于乘员碰撞安全保护的安全带缓冲、吸能与耗能装置

说明书

一种用于乘员碰撞安全保护的安全带缓冲、吸能与耗能装置。利用柔顺超材料中柔顺单胞体的连续变形对碰撞时安全带给人体的瞬时高压进行缓冲和吸收，柔顺超材料由若干个基础结构相似的柔顺单胞体串联而成。柔顺胞体按照变形功能分为刚性杆和柔性片。刚性杆包括上安全带支撑轴与两个下安全带支撑轴，两个稳定连接杆，两个下安全带支撑轴与两个稳定连接杆4装配后形成四边形结构。所述柔性片包括四个结构相同的可变形薄片，两两一组将上安全带支撑轴和两个下安全带支撑轴固连。本发明应用在汽车乘员碰撞安全保护中可有效均匀缓冲安全带带给乘员的冲击力；多个单胞体组成超材料能够应对多种不同情况的碰撞事故；结构简单、性能稳定，成本低。

技术领域

本发明属于汽车安全技术领域，涉及一种用于乘员碰撞安全保护的安全带缓冲、吸能与耗能装置。

背景技术

汽车发生碰撞时，乘员的动能耗散主要有两部分：一部分是乘员通过约束系统变形以及车身内饰的变形而耗散的能量，即所谓乘员约束能量；另一部分是乘员通过约束系统传递到车体并在车体前部变形过程中消耗的能量，即所谓压溃能量(也称Ride-down能量)。在碰撞发生时，上述两种能量的分配方式对乘员的伤害有重要影响。一般认为，在保证其他部位以及其它指标的前提下，尽可能提高Ride-down效率可以改善乘员响应。安全带作为约束系统的重要组成部分，在满足生存空间的前提下，尽量降低安全带为主的约束系统刚度有助于提高Ride-down效率而降低乘员响应，减小乘员受严重伤害的风险。

当安全带系统的刚度比较大时，虽能提供更好的约束保护，但也更可能会对人体造成损伤。特别是在较高速碰撞情况下，安全带给人体的反作用力可能会引起包括骨折等在内的严重伤害。为了降低车身碰撞时安全带施加给人体的瞬时冲击力，更好的碰撞吸能特性以及更好的舒适性和方便性始终是安全带设计发展的一个主要思路。目前已有的可以提升安全带碰撞吸能特性装置主要是限力式安全带和气囊式安全带，此外就是对安全带织带本身提出的强度、延伸率等能量吸收特性要求。

现有的安全带碰撞吸能装置或方式存在一些缺陷和不足，主要有以下问题：

(1)保护效果有限。以限力式安全带为例，它依靠卷收器中的扭力杆提供缓冲度。当安全带拉力达到设定的限力值后，扭力杆触发转动效果，从扭力杆上多释放的织带即可作为缓冲。限力器的使用可以改善安全带的缓冲特性，使安全带对乘员施加更为均匀的约束力，降低使用时的不适感。但其问题在于：1)此类安全带受预设的限力值影响很大，只能在安全带拉力超过该值之后起到保护作用；2)此类安全带不具备能量耗散的功能，吸收的能量还会释放出来再次作用到乘员上；3)限力值太小或太大，保护效果都不好。

(2)结构复杂，控制方式繁琐，成本比较高。气囊式安全带的保护效果比普通安全带和限力式安全带都要好，但是结构复杂度和成本都增加了很多，一般来说都含有气体发生器、传感器等诸多元件，控制方面也比较繁琐。受限于成本，该项技术多见于中高端车型，推广程度不足，普通用户很难自行加装。

(3)对安全带织带本身的要求主要是强度、延伸率等能量吸收指标，这些指标基本已经标准化，在吸能织带材料没有新进展之前大同小异。值得注意的是，针对确定型号的安全带织带，其刚度不能根据碰撞情况动态调整，导致缓冲效果不稳定。另外，安全带织带吸收的能量大部分并不会耗散掉，而是再次释放到乘员身上，容易造成多次伤害。

综上所述，理想的安全带约束系统应该具备以下两个功能特点：1)缓冲功能，即能均匀安全带对乘员身体造成的压力，降低乘员响应，主要是降低乘员的瞬时加速度；2)吸能与耗能功能，即能够吸收一部分碰撞带来的乘员动能，并将其全部或部分耗散，使其不能再次施加到乘员身上。

从结构方面考虑提高安全带的能量吸收特性是可行之道。超材料具备天然材料所不具备的特殊性质，而这些性质就来自人工的特殊结构。柔顺多稳态机构在缓冲吸能方面具有独到的优势，包括结构简单、制造方便、吸能效果显著等，结合了柔顺机构特点的超材料具备响应快速、吸能效果好等诸多优点，可以为安全带缓冲吸能结构的设计提供新思路。

发明内容