Ремни безопасности и натяжители ремней безопасности

Наиболее распространенным конструктивным элементом системы пассивной безопасности автомобиля являются ремни безопасности. Его использование снижает вероятность и тяжесть травм вследствие ударов о твердые части тела, стекла, о других пассажиров (так называемые вторичные удары). Пристегнутые ремни безопасности обеспечивают эффективную работу подушек безопасности.

По количеству точек крепления различают следующие виды ремней безопасности: двух-, трех-, четырех-, пяти- и шеститочечные.

Двухточечные ремни безопасности (рис. 1) в настоящее время используются в качестве центрального ремня безопасности на заднем сиденье некоторых старых автомобилей, а также на пассажирских сиденьях в самолетах. Двусторонний ремень безопасности представляет собой поясной ремень, который обхватывает талию и крепится к обеим сторонам сиденья.

Трехточечные ремни безопасности (рис. 2) являются основным типом ремней безопасности и устанавливаются на все современные автомобили. 3-точечный диагональный поясной ремень имеет V-образное расположение, которое равномерно распределяет энергию движущегося тела на грудь, таз и плечи. Компания Volvo предложила первые серийные трехточечные ремни безопасности в 1959 году. Рассмотрим устройство трехточечных ремней безопасности как наиболее распространенное.

Трехточечный ремень безопасности состоит из лямки, пряжки и натяжителя.

Ремень безопасности изготовлен из прочного материала и крепится к кузову специальными устройствами в трех точках: на стойке, на пороге и на специальной тяге с замком. Для адаптации ремня под рост конкретного человека во многих конструкциях предусмотрена регулировка высоты верхней точки крепления.

Замок фиксирует ремень безопасности и устанавливается рядом с автокреслом. Для соединения с застежкой ремешка сделан подвижный металлический язычок. В качестве напоминания о необходимости пристегиваться ремнем безопасности в конструкции замка предусмотрен выключатель, включенный в цепь системы AV-сигнализации. Предупреждение происходит с помощью сигнальной лампы на приборной панели и звукового сигнала. Алгоритм работы этой системы имеет отличия у разных производителей автомобилей.

Втягивающее устройство обеспечивает принудительное разматывание и автоматическое сматывание ремня безопасности. Он крепится к кузову автомобиля. Катушка оснащена инерционным стопорным механизмом, который останавливает движение ремня на катушке в случае аварии. Используются два способа блокировки: в результате движения (инерции) автомобиля и в результате движения самого ремня безопасности. Ленту можно стягивать с барабана катушки только медленно, без ускорения.

Современные автомобили оснащены ремнями безопасности с преднатяжителями.

Пятиточечные ремни безопасности (рис. 4) используются в спортивных автомобилях и для крепления детей в детских автокреслах. Включает в себя два поясных ремня, два плечевых ремня и один ремень между ногами.

Рис. 4. Пятиточечные ремни

6-точечные ремни безопасности имеют две лямки между ног, что обеспечивает более надежную посадку гонщика.

Одной из перспективных разработок являются надувные ремни безопасности (рис. 5), которые наполняются газом во время аварии. Они увеличивают площадь контакта с пассажиром и, соответственно, снижают нагрузку на человека. Надувная секция может представлять собой плечевую секцию или плечевую и поясную секции. Испытания показывают, что такая конструкция ремня безопасности обеспечивает дополнительную защиту от бокового удара.

Рис. 5. Надувные ремни безопасности

Ford предлагает эту опцию в Европе для Ford Mondeo четвертого поколения. Для пассажиров заднего ряда установлены надувные ремни безопасности. Система предназначена для уменьшения травм головы, шеи и грудной клетки в случае аварии для пассажиров заднего ряда, которые часто являются детьми и пожилыми людьми, которые особенно подвержены этим типам травм. В повседневном использовании надувные ремни безопасности работают так же, как и обычные, и совместимы с детскими сиденьями.

В случае аварии датчик удара подает сигнал на блок управления системой безопасности, блок посылает сигнал на открытие запорного клапана углекислотного баллона, расположенного под сиденьем, клапан открывается и газ, который ранее находившийся в сжатом состоянии, заполняет подушку ремня безопасности. Ремень быстро разворачивается, распределяя силу удара по поверхности тела, что в пять раз больше, чем у стандартных ремней безопасности. Время активации ремешков составляет менее 40 мс.

С новым Mercedes-Benz S-Class W222 компания расширяет возможности защиты пассажиров на заднем сиденье. Пакет «PRE-SAFE для задних сидений» сочетает в себе преднатяжители ремней и подушку безопасности в ремне безопасности (Beltbag) и подушки безопасности в передних сиденьях. Комбинированное использование этих устройств при ДТП снижает травматизм пассажиров на 30% по сравнению с традиционной схемой. Подушка безопасности ремня безопасности представляет собой ремень безопасности, способный надуваться и тем самым снижать риск получения травм пассажирами при лобовом столкновении за счет уменьшения нагрузки на грудную клетку. Откидывающееся сиденье в стандартной комплектации оборудовано подушкой безопасности, спрятанной под обивкой подушки сиденья.Такая подушка предотвратит проскальзывание пассажира в полулежачем положении под ремень безопасности в случае аварии (так называемого «ныряния»). Таким образом, Mercedes-Benz удалось разработать удобное сиденье с откидывающейся спинкой, которое в случае аварии обеспечит более высокий уровень безопасности, чем сиденье, в котором спинка откидывается за счет выдвижения подушки сиденья.

В качестве меры против неиспользования ремней безопасности с 1981 г предлагаются автоматические ремни безопасности (рис. 6), которые автоматически закрепляют пассажира при закрытии двери (запуске двигателя) и освобождают его при открытии двери (запуск двигателя) стоп). Как правило, движение плечевого ремня, перемещающегося по краям дверной коробки, автоматизировано. Ремень застегивается вручную. Из-за сложности конструкции, неудобства посадки в автомобиль автоматические ремни безопасности в настоящее время практически не используются.

Рис. 6. Автоматический ремень безопасности

2. Натяжители ремней безопасности

При скорости, например, 56 км/ч от момента столкновения с неподвижным препятствием до полной остановки автомобиля проходит около 150 мс. Водитель и пассажир автомобиля не успевают совершить какие-либо действия за столь короткий промежуток времени, поэтому являются пассивными участниками аварийной ситуации. В этот период должны быть активированы преднатяжители ремней безопасности, подушки безопасности и аварийный выключатель аккумуляторной батареи.

При аварии ремни безопасности должны поглощать уровень энергии, примерно равный кинетической энергии человека, падающего с четвертого этажа многоэтажного дома. Ввиду возможного ослабления ремня безопасности для компенсации этого ослабления используется натяжитель (преднатяжитель.

Натяжитель ремня безопасности сматывает ремень безопасности в случае столкновения. Это помогает уменьшить провисание ремня безопасности (пространство между ремнем безопасности и телом). Таким образом, ремень безопасности заранее предотвращает движение пассажира вперед (по отношению к движению автомобиля).

В автомобилях используются как диагональные натяжители ремней безопасности, так и натяжители с пряжкой. Использование обоих видов позволяет оптимально зафиксировать пассажира, так как в этом случае система оттягивает пряжку назад, одновременно натягивая диагональную и брюшную ветви ремня безопасности. На практике в основном устанавливаются натяжители первого типа.

Натяжитель ремня безопасности улучшает натяжение и повышает защиту от проскальзывания ремня. Это достигается за счет немедленного срабатывания натяжителя ремня безопасности во время первоначального удара. Максимальное перемещение водителя или пассажира в прямом направлении должно составлять около 1 см, а продолжительность процесса механического воздействия должна составлять 5 мс (максимальное значение 12 мс). Натяжитель гарантирует, что секция ремня (длиной до 130 мм) смотается почти за 13 мс.

Наиболее распространены механические преднатяжители ремней безопасности (рис. 7).

Рис. 7. Механический натяжитель ремня безопасности: 1 — ремень безопасности; 2 — храповое колесо; 3 — ось инерционной катушки; 4 — защелка (закрытое положение); 5 — маятниковое устройство

В дополнение к традиционным механическим натяжителям многие производители теперь оснащают автомобили пиротехническими натяжителями (рис. 8).

Рис. 8. Пиротехнический натяжитель: 1 — ремень безопасности; 2 — поршень; 3 — пиротехнический патрон

Они активируются, когда встроенный в систему датчик обнаруживает превышение заданного порога замедления, что указывает на начало столкновения. При этом воспламеняется детонатор пиротехнического патрона. При взрыве патрона выделяется газ, давление которого воздействует на поршень, соединенный с ремнем безопасности. Поршень движется быстро и натягивает ремень. Обычно время отклика устройства не превышает 25 мс от начала разряда.

Во избежание превышения нагрузки на грудную клетку эти ремни имеют ограничители натяжения, которые работают следующим образом: сначала достигается максимально допустимая нагрузка, после чего механическое устройство позволяет пассажиру продвинуться на определенное расстояние вперед, сохраняя уровень заряда постоянным.

По конструкции и принципу действия различают следующие виды натяжителей ремней безопасности:

• трос с механическим приводом;
• мяч;
• поворотный;
• полка;
• обратимый.

2.1. Тросовый натяжитель ремня безопасности

Натяжитель ремня безопасности 8 и автоматический сматыватель ремня безопасности 14 являются основными узлами натяжителя троса (рис. 9). Система подвижно закреплена на защитной трубке 3 в крышке подшипника, аналогично вертикальному маятнику. На поршне 1 закреплен стальной трос 17. Трос намотан и установлен на защитной трубке на барабане 18 для троса.

Модуль натяжения состоит из следующих элементов:

• датчики в виде системы «пружина-масса»;
• газогенератор 4 с пиротехническим метательным зарядом;
• поршень 1 со стальным тросом в трубке.

Если замедление автомобиля при столкновении превышает определенное значение, то пружина датчика 7 начинает сжиматься под действием массы датчика. Датчик состоит из опоры 6, газогенератора 4 с выбрасываемым им пиротехническим зарядом, ударной пружины 5, поршня 1 и трубки 2.

Рис. 9. Натяжитель троса: а — зажигание; б — напряжение; 1, 16 — поршень; 2 — трубка; 3 — защитная трубка; 4 — газогенератор; 5, 15 — ударная пружина; 6 — кронштейн датчика; 7 — пружина датчика; 8 — ремень безопасности; 9 — ударная пластина с ударным штифтом; 10, 14 — механизм намотки ремня безопасности; 11 — болт датчика; 12 — зубчатый венец вала; 13 — зубчатый сегмент; 17 — стальной трос; 18 — барабан

Если опора 6 переместилась на расстояние большее нормы, газогенератор 4, удерживаемый в покое болтом датчика 11, освобождается в вертикальном направлении. Напряженная ударная пружина 15 толкает ее в направлении ударного штифта в ударной пластине. При ударе газогенератора об ударник происходит воспламенение поплавкового заряда газогенератора (рис. 9, а).

В это время газ нагнетается в трубку 2 и перемещает поршень 1 со стальным тросом 17 вниз (рис. 9, б). При первом движении троса, намотанного на муфту, зубчатый сегмент 13 перемещается радиально наружу от барабана под действием силы ускорения и входит в зацепление с зубчатым венцом вала 12 механизма намотки ремня безопасности 14.

2.2. Шариковый натяжитель ремня безопасности

Он состоит из компактного модуля, который, помимо распознавания ремня, также включает в себя ограничитель натяжения ремня (рис. 10). Механическое срабатывание происходит только тогда, когда датчик замка ремня безопасности определяет, что ремень безопасности пристегнут.

Шариковый преднатяжитель ремня безопасности приводится в действие шариками, помещенными в трубку 9. В случае столкновения блок управления подушкой безопасности воспламеняет выбрасывающий заряд 7 (рис. 10, б). В электрических натяжителях ремней безопасности активация механизма привода осуществляется блоком управления подушками безопасности.

При воспламенении выброшенного заряда расширяющиеся газы приводят шары в движение и направляют их через шестерню 11 в баллон 12 для сбора шаров.

Рис. 10. Шаровой натяжитель: а — общий вид; б — зажигание; в — напряжение; 1, 11 — шестерня; 2, 12 — баллон для мячей; 3 — приводной механизм (механический или электрический); 4, 7 — пиротехнический метательный заряд; 5, 8 — ремень безопасности; 6, 9 — трубка с шариками; 10 — моталка ремня безопасности

Поскольку катушка ремня безопасности жестко соединена со звездочкой, она вращается с шариками, а ремень втягивается (рис. 10, в).

2.3. Роторный натяжитель ремней безопасности

Работает по принципу ротора. Натяжитель состоит из ротора 2, детонатора 1, приводного механизма 3 (рис. 11, а)

Первый детонатор приводится в действие механическим или электрическим приводом, при этом расширяющийся газ вращает ротор (рис. 11, б). Поскольку ротор соединен с ременным валом, ремень безопасности начинает втягиваться. При достижении определенного угла поворота ротор открывает перепускной канал 7 ко второму картриджу. Под действием рабочего давления в камере № 1 воспламеняется второй патрон, благодаря чему ротор продолжает вращаться (рис. 11, в). Дымовые газы из камеры №1 выходят через выпускной канал 8.

Рис. 11. Роторный натяжитель: а — общий вид; б — действие первого детонатора; в — действие второго детонатора; г — действие третьей петарды; 1 — приманка; 2 — ротор; 3 — приводной механизм; 4 — ремень безопасности; 5, 8 — выходной канал; 6 — работа первой приманки; 7, 9, 10 — обводные каналы; 11 — срабатывание второго детонатора; 12 — камера №1; 13 — выступление третьей приманки; 14 — камера №2

При достижении второго перепускного канала 9 происходит воспламенение третьего патрона под действием рабочего давления в камере № 2 (рис. 11, г). Ротор продолжает вращаться и отработанный газ из камеры № 2 выходит через выходное отверстие 5.

2.4. Реечный натяжитель ремней безопасности

Для плавной передачи усилия на ремень применяют также различные устройства реечной передачи (рис. 12).

Натяжитель стойки работает следующим образом. По сигналу блока управления подушками безопасности воспламеняется заряд-детонатор. Под давлением образующихся газов поршень с рейкой 8 движется вверх, вызывая вращение шестерни 3, находящейся с ней в зацеплении. Вращение шестерни 3 передается шестерням 2 и 4. Шестерня 2 жестко связана с наружным кольцом 7 обгонной муфты, которая передает крутящий момент на торсионный вал 6. При вращении кольца 7 ролики 5 муфты зажаты между сцеплением и торсионным валом. В результате вращения торсионного вала происходит натяжение ремня безопасности. Натяжение ремня прекращается, когда поршень достигает демпфера.

Рис. 12. Натяжитель ремня безопасности: а — исходное положение; б — конец натяжения ремня; 1 — амортизатор; 2, 3, 4 — шестерни; 5 — ролик; 6 — ось кручения; 7 — наружное кольцо обгонной муфты; 8 — поршень с рейкой; 9 — петарда

2.5 реверсивный натяжитель ремня

В более сложных системах пассивной безопасности помимо пиротехнических преднатяжителей ремней безопасности используются реверсивный преднатяжитель ремня безопасности (рис. 13) с блоком управления и адаптивный ограничитель усилия ремня безопасности (отключаемый.

Каждый реверсивный преднатяжитель ремня безопасности управляется отдельным блоком управления. На основе команд шины данных блоки управления преднатяжителями ремней безопасности приводят в действие подключенные исполнительные двигатели.

Реверсивные натяжители имеют три уровня усилия срабатывания:

1. малое усилие — подбор провисания ремня безопасности;
2. средняя сила — частичное натяжение;
3. высокая прочность — полное натяжение.

Если блок управления подушками безопасности регистрирует незначительное лобовое столкновение, при котором пиротехнический натяжитель не требуется, он посылает сигнал блокам управления натяжителями. Они дают команду на полное натяжение ремней безопасности приводными двигателями.

Рис. 13. Ремень безопасности с реверсивным преднатяжителем: 1 — шестерня; 2 — крючок; 3 — ведущий привод

Вал двигателя (на рис. 13 не показан), вращаясь через зубчатую передачу, приводит во вращение ведомый диск, соединенный с валом ремня безопасности двумя выдвижными крюками. Ремень безопасности оборачивается вокруг оси и затягивается.

Если вал двигателя не вращается или немного вращается в противоположном направлении, крюки могут сложиться и освободить вал ремня безопасности.

Переключаемый ограничитель натяжения ремня безопасности срабатывает после срабатывания пиротехнических преднатяжителей. В этом случае механизм блокировки блокирует ось ремня, не давая ремню разматываться под действием возможной инерции тел пассажиров и водителя.