Hur bilbälten fungerar

En förare sätter på sig sitt bälte. Se fler bilsäkerhetsbilder. SABAH ARAR / AFP / Getty Images

Enligt en forskningsrapport från National Highway Traffic and Safety Administration räddar säkerhetsbälten ungefär 13 000 liv i USA varje år. Vidare uppskattar NHTSA att 7000 amerikanska dödsolyckor i bilolyckor skulle ha undvikits om offren hade bälten.

-

Medan säkerhetsbälten ibland bidrar till allvarlig skada eller död, är nästan alla säkerhetsexperter eniga om att knäckning dramatiskt ökar dina chanser att överleva en olycka. Enligt NHTSA minskar säkerhetsbälten risken för dödsfall för en passagerare i framsätet med cirka 50 procent.

När du tänker på det är detta helt fantastiskt: Hur kan ett tygstycke bli skillnaden mellan liv och död? Vad gör det faktiskt? I den här artikeln undersöker vi säkerhetsbältenas teknik för att se varför de är en av de viktigaste teknologierna i en bil.

Den grundläggande idén med säkerhetsbältet är väldigt enkel: Det hindrar dig från att flyga genom vindrutan eller häcka mot instrumentbrädan när din bil kommer till ett plötsligt stopp. Men varför skulle detta hända i första hand? Kort sagt, på grund av tröghet.

Tröghet är ett objekts tendens att fortsätta röra sig tills något annat motverkar denna rörelse. För att uttrycka det på ett annat sätt är tröghet varje objekts motstånd mot att ändra hastighet och körriktning. Saker vill naturligtvis fortsätta.

Om en bil rusar med 50 miles per timme vill tröghet hålla den 50 km / h i en riktning. Luftmotstånd och friktion med vägen bromsar den ständigt, men motorns kraft kompenserar för denna energiförlust.

Allt som finns i bilen, inklusive föraren och passagerarna, har sin egen tröghet, som är separat från bilens tröghet. Bilen accelererar åkare till sin hastighet. Föreställ dig att du kuster på en stabil 50 mil per timme. Din hastighet och bilens hastighet är ganska lika, så du känner att du och bilen rör dig som en enhet.

Men om bilen skulle krascha i en telefonstång, skulle det vara uppenbart att din tröghet och bilens var helt oberoende. Polens kraft skulle få bilen till ett plötsligt stopp, men din hastighet skulle förbli densamma. Utan säkerhetsbälte skulle du antingen smälla in ratten 50 miles per timme eller flyga genom vindrutan med 50 miles per timme. Precis som polen bromsade bilen, så skulle instrumentpanelen, vindrutan eller vägen bromsa ner dig genom att utöva en enorm mängd kraft.

Det är givet att oavsett vad som händer i en krasch, något skulle behöva utöva kraft på dig för att sakta ner dig. Men beroende på var och hur styrkan appliceras, kan du bli dödad omedelbart eller så kan du gå ifrån skadan som är oskadad.

Om du träffar vindrutan med huvudet, är stoppkraften koncentrerad till en av de mest utsatta delarna av din kropp. Det stoppar dig också mycket snabbt eftersom glaset är en hård yta. Detta kan lätt döda eller allvarligt skada en person.

En säkerhetsbälte tillämpar stoppkraften på mer hållbara delar av kroppen under en längre tid. I nästa avsnitt ser vi hur detta minskar risken för större skador.

I det sista avsnittet såg vi att en passagerare kommer att plötsligt stoppa varje gång en bil stoppas. Ett säkerhetsbältes jobb är att sprida stoppkraften över hårdare delar av kroppen för att minimera skador.

En typisk säkerhetsbälte består av en varvbälte, som vilar över ditt bäcken, och a axelbälte, som sträcker sig över bröstet. De två bältesektionerna är tätt fästa vid bilens ram för att hålla passagerare i sina säten.

När bältet bärs korrekt kommer det att tillämpa det mesta av stoppkraften på revburet och bäckenet, som är relativt robusta delar av kroppen. Eftersom bälten sträcker sig över ett brett parti av kroppen, koncentreras inte kraften i ett litet område, så det kan inte göra så mycket skada. Dessutom säkerhetsbältet vävband är gjord av mer flexibelt material än instrumentbrädan eller vindrutan. Det sträcker sig lite, vilket innebär att stoppet inte är så plötsligt. Säkerhetsbältet borde dock inte ge mer än lite, annars kan du stöta på ratten eller sidofönstret. Säkra säkerhetsbälten låter dig bara växla något framåt.

En bil crumple zoner gör det verkliga arbetet med att mjukgöra slaget. Smuliga zoner är områden i framsidan och baksidan av en bil som kollapsar relativt lätt. Istället för att hela bilen kommer till ett plötsligt stopp när den träffar ett hinder, absorberar den en del av slagkraften genom att plattas ut, som en tom soda. Bilens hytt är mycket hårdare, så det kraschar inte runt passagerarna. Den fortsätter att röra sig kort och krossar framsidan av bilen mot hindret. Naturligtvis skyddar crumplezoner bara dig om du rör dig med bilens hytt - det vill säga om du är säkrad till sätet med din säkerhetsbälte.

Den enklaste typen av säkerhetsbälte, som finns i vissa berg- och dalbanor, består av en längd av banden som är bultade till fordonets karosseri. Dessa bälten håller dig tätt mot sätet hela tiden, vilket är väldigt säkert men inte särskilt bekvämt.

Bilbälten har förmågan att förlänga och dra tillbaka -- Du kan lätt luta dig framåt medan bältet förblir ganska spänt. Men vid en kollision kommer bältet plötsligt att dra åt dig och hålla dig på plats. I nästa avsnitt tittar vi på maskinerna som gör allt detta möjligt.

En spiralfjäder roterar spolen för att hålla säkerhetsbältets spännband.

I ett typiskt säkerhetsbältesystem är bältesbandet anslutet till en infällningsmekanism. Det centrala elementet i tillbakadragaren är en spole, som är fäst vid ena änden av bandet. Inuti retraktorn applicerar en fjäder en rotationskraft, eller vridmoment, till spolen. Detta fungerar för att rotera spolen så att den lindrar upp eventuella lösa band.

När du drar ut bandet, roterar spolen moturs, vilket vrider den fästade fjädern i samma riktning. Effektivt fungerar den roterande spolen till tvinnas våren. Våren vill återgå till sin ursprungliga form, så den motstår denna vridande rörelse. Om du släpper bandet, kommer fjädern att dra åt sig och rotera spolen medurs tills det inte finns mer slack i bältet.

Tillbakadragaren har en låsmekanism som hindrar spolen att rotera när bilen är inblandad i en kollision. Det finns två typer av låssystem som används i dag:

• system utlöses av bilens rörelse
• system utlöses av bältes rörelse

Den första typen av system låser spolen när bilen snabbt retarderar (till exempel när det träffar något). Diagrammet nedan visar den enklaste versionen av denna design.

Det centrala manöverelementet i denna mekanism är en viktad pendel. När bilen plötsligt stoppar får trögheten svängen framåt. De spärrhaken i den andra änden av pendeln tar tag i en tandad spärrväxel fäst vid spolen. När spärren griper tag i en av tänderna kan växeln inte rotera moturs och inte heller den anslutna spolen. När bandet lossnar igen efter kraschen roterar växeln medurs och spärren lossnar.

-

Den andra typen av system låser spolen när något rycker bältesbandet. Aktiveringskraften i de flesta konstruktioner är hastigheten på spolrotationen. Diagrammet visar en vanlig konfiguration.

Det centrala manöverelementet i denna design är en centrifugalkoppling -- en viktad svängningsspak monterad på den roterande spolen. När spolen snurrar långsamt, vrids inte spaken alls. En fjäder håller den i läge. Men när något sticker ihop bandet, snurrar spolen snabbare, centrifugalkraft driver den vägda änden på spaken utåt.

Den förlängda spaken trycker på a kam stycke monterat på retractorhuset. Kammen är ansluten till en svängbar spärr med en glidstift. När kammen flyttas åt vänster rör sig stiftet längs ett spår i spärren. Detta drar spärren in i den roterande spärrväxeln som är fäst vid spolen. Låset låses fast i kugghjulets tänder och förhindrar rotation moturs.

I vissa nyare säkerhetsbältesystem är a förspännare fungerar också för att dra åt bältesbandet. I nästa avsnitt ser vi hur dessa enheter fungerar.

När gasen antänds, trycker trycket kolven upp för att rotera infällningen.

Idén med en försträckare är att dra åt eventuell slack i bältebanden vid en krasch. Medan den konventionella låsmekanismen i en indragare förhindrar att bältet sträcker sig längre, förspännaren faktiskt drar i bältet. Denna kraft hjälper till att flytta passageraren till den optimala kraschpositionen i sitt säte. Kompressorer arbetar normalt tillsammans med konventionella låsmekanismer, inte i stället för dem.

Det finns ett antal olika förspänningssystem på marknaden. Vissa förspännare drar hela infällningsmekanismen bakåt och andra roterar själva spolen. Generellt sett är spännare anslutna till samma centrala styrprocessor som aktiverar bilens krockkuddar. Processorn övervakar mekaniska eller elektroniska rörelsessensorer som svarar på den plötsliga retardationen av en påverkan. När en stötar detekteras, aktiverar processorn försträckaren och sedan krockkudden.

Vissa pretensioners är byggda kring elmotorer eller solenoider, men de mest populära designen idag använder pyroteknik för att dra i bältesbandet. Diagrammet nedan visar en representativ modell.

Det centrala elementet i denna försträckare är en kammare med brännbar gas. Inuti kammaren finns det en mindre kammare med explosiva ämnen tändare material. Denna mindre kammare är utrustad med två elektroder, som är anslutna till den centrala processorn.

När processorn upptäcker en kollision applicerar den omedelbart en elektrisk ström över elektroderna. Gnisten från elektroderna tänder tändmaterialet, som förbränner för att antända gasen i kammaren. Den brinnande gasen genererar mycket tryck utåt. Trycket trycker på a kolv vilar i kammaren och kör den uppåt med hög hastighet.

Ett rackutrustning är fäst på en sida av kolven. När kolven skjuter upp, kopplar rackväxeln in ett växel som är anslutet till retraktorspolmekanismen. Hastighetsratten roterar spolen kraftfullt och lindrar upp eventuell slak bälte.

Vid allvarliga kraschar, när en bil kolliderar med ett hinder i extremt hög hastighet, kan säkerhetsbältet orsaka allvarliga skador. När passagerarens tröghetshastighet ökar tar det en större kraft att få passageraren till stopp. Med andra ord, ju snabbare du påverkar, desto hårdare kommer säkerhetsbältet att trycka på dig.

Vissa säkerhetsbältesystem använder lastbegränsare för att minimera skador på bältet. Den grundläggande idén med en lastbegränsare är att släppa lite mer överskott av bandbanden när en stor kraft appliceras på bältet. Den enklaste lastbegränsaren är en vika ihop sydd i bältet. Stygn som håller vecket på plats är utformade för att gå sönder när en viss kraft appliceras på bältet. När sömmarna lossnar, veckas banden ut så att bältet kan sträcka sig lite mer.

Mer avancerade lastbegränsare är beroende av a torsionsstång i infällningsmekanismen. En torsionsstång är bara en längd av metallmaterial som kommer vrida när tillräckligt med kraft appliceras på det. I en lastbegränsare är torsionsstången fäst vid låsmekanismen i ena änden och den roterande spolen i den andra. I en mindre allvarlig olycka kommer torsionsstången att ha sin form och spolen låser sig tillsammans med låsmekanismen. Men när en hel del kraft appliceras på banden (och därför spolen), vrider torsionsstången något. Detta gör att bandet kan sträcka sig lite längre.

Under åren har säkerhetsbälten visat sig vara långt ifrån den viktigaste säkerhetsanordningen i bilar och lastbilar. De är dock inte på något sätt ofelbara och bilsäkerhetsingenjörer ser mycket utrymme för förbättring i dagens design. I framtiden kommer bilar att vara utrustade med bättre bälten, bättre krockkuddar och troligen helt ny säkerhetsteknik. Naturligtvis kommer regeringen fortfarande att behöva ta itu med det största problemet med säkerhetsanordningar - få människor att använda dem.

För mer information om säkerhetsbälten och andra säkerhetssystem, kolla in länkarna på nästa sida.

Relaterade artiklar

• Hur Crash Testing fungerar
• Hur kraft, kraft, moment och energi fungerar
• Så fungerar NASCAR-säkerhet
• Hur "Jaws of Life" fungerar
• Hur luftkuddar fungerar
• Hur rullbana fungerar
• Citronlagar förklarade

Fler bra länkar

• National Highway Traffic Safety Administration
• Federal Highway Administration
• Försäkringsinstitut för motorvägsäkerhet
• Automotive Coalition for Traffic Safety
• Car-Safety.org