客车座椅安全带及约束系统：设计成果

国外有研究显示，在交通事故中，安全带为乘客提供的保护要比安全气囊有效得多。我们通常将安全带或安全气囊等提供的这类安全保护称为被动安全，它是指汽车发生不可避免的交通事故后，能对车内乘员进行保护，避免发生伤害或使伤害降低至最低程度。被动安全研究的是当汽车与障碍物发生第一次碰撞后，如何避免车内乘员与车内构件之间发生第二次碰撞，很多交通事故中造成乘员伤害的主要原因就是第二次碰撞。客车的被动安全措施主要有优化车身上部结构强度、使用安全带（乘员约束系统）和安全玻璃等。

同理，主动安全是指汽车能识别潜在的危险因素，自动减速或当突发因素作用时，能在驾驶员的操纵下避免发生碰撞事故。主动安全的研究主要集中在操纵稳定性、制动性和视认性方面，如客车上装备的ABS（防抱死制动系统）、胎压报警系统、倒车雷达系统和智能导航系统等，都是提高主动安全的措施。

图8-56 一款坐式导游椅的结构图

1—底骨架 2—座椅垫底骨架 3—底骨架连接螺栓 4—气弹簧 5—靠背转轴板 6—靠背转轴板螺栓 7—靠背 8—靠背连接螺栓 9—扶手限位螺栓 10—扶手 11—扶手固定螺栓 12—扶手连接板 13—扶手下连接杆 14—靠背后面板 15—座椅垫后面板 16—卷簧机构 17—开口销 18—三点式安全带 19—座椅垫 20—座椅垫底板 21—扶手转轴盖 22—扶手座盖 23—底座两侧板 24—安全带固定孔

图8-57 导游椅上的上车扶手安排

因此，我们必须重视安全带在客车上的使用。安全带之所以能起到保护乘员的作用，是因为当发生碰撞事故时，安全带能将乘员“束缚”在座椅上，使乘员的头部及胸部不至于由于惯性而碰撞到车身内部构件，这能使乘员很好地免受二次碰撞的伤害。更重要的是安全带能使乘员不被抛离座椅。因此将安全带称为“乘员约束系统”的叫法更为贴切。

1.汽车安全带及其性能

客车安全带的结构设计要满足标准及法规的要求，即GB 14166—2003和GB 14167—2006。这两个标准的区别是：GB 14166是安全带标准，GB 14167是安全带的安装标准。

GB 14166—2003《机动车成年乘员用安全带和约束系统》中规定了硬件（如带扣、调节装置、连接件等）、织带、安全带总成的技术指标和试验方法。

GB 14167—2006《汽车安全带安装固定点》中规定了不同安装位置的座椅的安全带的固定点数量和固定点位置。

安全带通常是由专业的生产厂家制造的，客车设计中主要的任务是安全带型式的选择及其固定点的设计。客车上使用的安全带有两点式和三点式这两种。

两点式安全带又有两种型式：腰带和肩带。腰带是横跨在佩戴者骨盆前方的，肩带是从臀部斜跨前胸至另一侧肩部的。客车中采用最多的是腰带型的不带卷收器的二点式安全带，主要用于非前排座椅。其优点是对乘员的腰部有很好的约束作用，且安装简单，成本低廉；缺点是对躯干、头部和颈部保护不力。图8-58是带有卷收器的两点式安全带的结构型式。

图8-58 两点式安全带的结构型式

三点式安全带可形成一条腰带和一条肩带，其优点是对乘员的腰部和躯干有很好的约束作用，在乘用车上广为采用，缺点是头部和颈部保护不力。图8-59是三点式安全带的结构型式。

可见，安全带主要由织带、卷收器和带扣等零件组成：

（1）织带 主要材料为100%涤纶丝，是安全带的本体，是一根由化学纤维编制而成的带子，宽度一般为46～48mm，厚度约为1.1～1.2mm，其高低温性能、耐磨性、阻燃性、抗微生物性能、耐光性能十分优良。

图8-59 三点式安全带的结构型式

1—卷收器总成 2—定位夹 3—导向环螺栓 4—ϕ11纸垫 5—弹垫12 6—ϕ11.3定距圈 7—导向环总成 8—锁舌总成 9—下固定螺栓 10—带扣总成

（2）卷收器　它是用于收卷、存储部分或全部织带，并在增加某些机构后起到特定作用的装置。有卷收器的安全带可使佩戴者不必随时调整织带的长度。卷收器按其作用可分为：无锁式卷收器、自锁式卷收器、紧急锁止式卷收器和预紧式卷收器。而应用最广泛的是紧急锁止式卷收器，此种卷收器中装有惯性感应元件和棘轮棘爪机构，织带缠绕在卷轴上。当汽车正常行驶时，卷收器借助卷簧的作用，既能使织带随使用者身体的移动而自由伸缩，又不会使织带松弛。但当紧急制动或碰撞发生时，卷收器内的感应元件将使驱动锁止机构锁住卷轴，使织带固定于某一位置并承受使用者的身体载荷。

（3）带扣 这是既能把乘员约束在安全带内，又能快速解脱的连接装置。

（4）附加功能 限力杆和高度调节器，都是为了提高安全性和舒适性。限力杆是为了限制安全带的最大约束力，高度调节器的作用是调整肩部固定点的位置，使安全带达到最合适的走向。

安全带的主要性能指标应表现在表8-11中所列的11条，表中仅给出了欧盟或国标的相关规定。

表8-11 汽车安全带的主要性能指标

2.客车座椅安全带的固定点及其安装

首先要读懂GB 14167—2006《汽车安全带安装固定点》标准中的一些容易引起异义的定义和术语，为了便于对照，我们还是采用列表的型式，将GB 14167—2006标准中的各个术语及定义列于表8-12中，并加入了我们对这些术语在客车上的理解。

表8-12 汽车安全带安装固定点的术语和定义

（续）

（续）

（1）安全带的固定点的最低数量GB 14167—2006《汽车安全带安装固定点》标准中规定了M类和N类车辆的安全带的固定点的最低数量，而将允许有站立乘客的M₂和M₃类中的城市客车排除在外。因此，我们只讲述M₃类汽车中的Ⅲ级车的情况即可。

首先必须清楚什么是“前排乘员座椅”，GB 14167中的定义是：“最前H点”位于过驾驶员R点的横截面上或在此横截面前方的座椅。因此，在目前的Ⅲ级车中最常见的是一层车和一层半两种车型，这样我们就可以认为导游椅和一层半车型的最前排四个座椅都属于“前排乘员座椅”，其安全带固定点的最低数量是3个。

驾驶椅的安全带固定点的最低数量也是3个。

其他的“最前H点”位于驾驶员R点后面的乘客椅，都称作“非前排乘员座椅”，在大客车中，其安全带固定点的最低数量有2个就够了。两侧最前排的乘客椅和最后排中间的乘客椅不必有3个安全带固定点。并且乘客椅的安全带固定数量与前后相邻座椅间的H点高度差无关，“72mm”的差值仅仅是GB 13057—2003标准中对座椅安装强度的规定。表8-13是M₃类客车中的Ⅲ级车的座椅安全带固定点数量的列表。

表8-13 M₃类客车中Ⅲ级车的座椅安全带固定点数量

表8-13只是规定了前向安装的座椅，而对于后向安装的座椅，其安全带固定点的最低数量是2个。图8-60是一款一层半车型的前部座椅布置型式。

一般认为单层客车不太可能出现乘客座椅位于驾驶员座椅之前，但如果是上客门位于前轮之后时，就可能出现这种情况，对于这种没有意义的特例我们就不做讨论了。

（2）安全带固定点的位置 客车安全带固定点位置的设计或校核应遵循以下四点：

①安全带的固定点既可以设在车辆的构架上或座椅构架上，亦可设在车辆的其他部件上，或者分设于以上各部件上。但在客车上，为了结构上的简单性，安全带的固定点，不管两点还是三点，都设置在座椅本身的构架上。

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图8-60 一款一层半客车的前部座椅布置型式

②安全带的固定点可以共用。

③标准所规定的是有效固定点的位置。

④客车上采用的安全带都是两点式或三点式。

从上述四点出发，结合GB 14167—2006的要求，我们做出了M₃类客车的Ⅲ级车的安全带有效固定点位置图，如图8-61所示。

对于图8-61，我们应明确以下八点：

①β角：可认为是靠背角度，可由制造商规定，若不做规定，则M₂、M₃类车型都取15°。

②b：我们重新定义了上有效固定点距座椅纵向中心平面的距离为SU，且SU≥140mm。

③a：CR的值取决于SU的值，按目前客车安全带的使用情况，SU<280mm，所以取CR=450mm。GB 14167—2006的“4.5.4”条规定：“对符合GB 13057要求的M₃及最大设计总质量大于3500kg的M₂类车辆，若上固定点处于座椅上，则无须满足4.3.3.6及4.5.1”。通常认为不管是否符合GB 13057，最好都执行“安全带上有效固定点应在通过C点的水平面上方”这一条款，因为确定一个上部有效固定点的最小高度是非常合理的。在“安全带固定点的强度”和“座椅自身强度”这两个问题上，GB 13057和GB 14167是相互引用的：“座椅自身强度”是座椅的强度，与安全带固定点的强度也有关系，但有无安全带，座椅都必须有足够的强度。而“安全带固定点的强度”应理解为连接螺栓的强度和螺栓局部的座椅构件的强度为好，因为如果是螺栓不破坏而只是螺栓周围的座椅件破坏，或者是座椅本身刚度不足而使其变形量过大，这些也是座椅本身的强度不足而导致了安全带固定点强度不足。所以，既然标准这样规定了，我们就只能理解为标准已默认了安全带的固定螺栓强度没有问题，可能出现问题的地方是座椅上用来固定安全带螺栓的部件，也就是安全带的固定点强度是指螺栓周围那一块区域的强度。

图8-61 M₃类客车中Ⅲ级车的安全带有效固定点位置图

至于GB 13057和GB 14167的相互引用，我们将在后面的座椅安装强度讨论之后再做详细结论。

④c：SU≤200mm时，取DR=675mm；SU>200mm时，取DR=315mm+1.8SU；目前的情况是SU=190～210mm，所以图中取了DR=675mm。

⑤L₁、L₂：非带扣侧和带扣侧的下有效固定点。

⑥α₁、α₂：非带扣侧和带扣侧的下有效固定点的角度，其定义是：α₁和α₂为经R点分别通过L₁点和L₂点，且垂直于车辆纵向中心面的平面与水平面之间的夹角。

对于M₃类客车中Ⅲ级车安全带的α₁和α₂角度范围我们汇总于表8-14。

表8-14 M₃类客车中Ⅲ级车安全带的α₁和α₂角度范围

从α₁和α₂的角度值引出的一个问题是：客车座椅安全带带扣的结构型式只能是通过硬杆安装于座椅骨架之上，并且最好不允许转动：任何软连接或转动范围超标的硬连接都是不合法的。如图8-62所示，图a是合法的，图b是不合法的。

图8-62 客车安全带带扣的两种型式

⑦J₁点：由于不会发生三个以上固定点的情况，所以我们只取J₁点即可。一般对于此处的标准理解是这样：J₁和J₂不能称为上有效固定点，只能通过本标准所定义的4.3.3.1条款来确认一个J₁点，再通过这个J₁点来确认上有效固定点的位置。而上有效固定点的位置必须满足从4.3.3.2到4.3.3.6这5条。对于上固定点设置在座椅本体上的三点式安全带，此条是很容易满足的，而对于上固定点设置于车身之上的三点式安全带，其上固定点在车身上的位置，就需认真校核了。

⑧Z点：RZ=530mm确定了Z点的位置。此点也基本上确定了安全带上固定点的最低位置，对于驾驶椅和乘客椅来说，靠背较高，此点的位置容易达到，而对于导游椅，由于靠背较低，其安全带上固定点往往达不到高度，从而导致有效固定点不达标。

（3）实车举例 图8-63是一款乘客双人椅的两点式安全带有效固定点设计方案，该方案采用了带卷收器的结构型式，此时卷收器的安装位置和安装姿态决定了L₁点的角度α₁，并且对于图中的这种安装方式还要认真校核安全带固定点的强度。

图8-64是一款乘客双人椅的三点式安全带有效固定点设计方案：卷收器不影响L₁和L₂点的安装位置，上部固定点只要重点注意其高度位置就可。

图8-65是一款驾驶椅的三点式安全带有效固定点设计方案：图中L₂的角度α₂=18°，不符合30°～80°的规定，应调整带扣的安装点。

图8-66是一款导游椅的三点式安全带有效固定点设计方案：图中的上有效固定点位置偏低不达标，需上移上部固定点的位置。

图8-63 一款乘客双人椅的两点式安全带有效固定点

图8-64 一款乘客双人椅的三点式安全带有效固定点

（4）安全带固定点的强度GB 14167—2006《汽车安全带安装固定点》标准中第4.5.1.1条规定：“对其他车辆，上有效固定点的前向位移不应超出R点平面前倾10°的范围”，而M₃类中的客车就是执行此条标准。

我们看看GB 14167规定的试验方法，表8-15总结了M₃类中的客车尤其是Ⅲ级车的试验载荷数据，表中的数据是对应单个座位的。图8-67是三点式安全带和两点式安全带的固定点强度试验照片。

图8-65 一款驾驶椅的三点式安全带有效固定点

图8-66 一款导游椅的三点式安全带有效固定点

从表8-15中可以看出，单个座位上的试验载荷还是很大的，图8-68表达了加载的力值和位置，我们将6.6倍的座椅质量力的作用点取在与下模块的作用点相同。从力学角度分析，座椅的底脚固定螺栓所承受的拉力远比安全带的固定螺栓的受力值要大得多。以图中的三点式安全带为例，按双人椅来计算，底脚螺栓的拉力T=33150N，约3400kgf。而8.8级的M8螺栓所能承受的拉力极限也不过是3300kgf，所以安全带固定点的强度试验首先带给我们的是座椅本身的固定强度问题。同理，我们算出二点式安全带的座椅的底脚固定螺栓所受的拉力T=23437N，约2400kgf。可见，对于三点式安全带，座椅采用8.8级的M8螺栓来固定，强度是不够的，而对于两点式安全带，则可以采用8.8级的M8螺栓。

图8-67 三点式安全带和两点式安全带的固定点强度试验图片

表8-15 客车安全带固定点强度试验载荷数据 （单位：N）

图8-68 安全带的固定点强度试验对座椅的安装螺栓影响

实际上上面计算的座椅地脚螺栓的拉力值偏大，因为我们的计算模型是假设座椅的四个安装螺栓都固定于地板面。而真实的情况是靠侧墙的螺栓固定点比过道处的高出约230mm左右，这样就使得加载力对地脚螺栓的力矩变小了，结果是地脚螺栓的拉力值会比上面的计算值要小。但这是一个力学上的静不定问题，任何设计上的偏差、加工上的误差、材料上的缺陷都会使得螺栓的受力变得不确定。而上面我们假设座椅的地脚螺栓都固定于地板面的计算结果是夸大了螺栓所承受的拉力，按此力值来设计结构强度也是可取的，这相当于增加了一个保险系数。

因此，安全带固定点的强度就是座椅的自身刚度和安装强度问题。