CN115520137A - 一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，包括强化区、基础区以及连接固定两者的连接带，强化区和基础区均是由负泊松比结构以阵列式排布构成，强化区的泊松比略小；安全带在使用过程中通过预收紧机构进行收紧操作，该方案把安全带进行分区：胸腔受力最大，设置为强化区，利用负泊松比结构的“拉胀”特性对乘员的胸腔提供更大的受力面积，减少勒伤。盆腔处设置为基础区，受到拉力时能够稍微变宽，增大摩擦的同时减小驾乘人员向下滑脱的可能性，避免腹部受勒。预收紧机构能够在碰撞前提前收紧安全带，根据碰撞速度调节收紧力的大小，更好的保护驾乘人员。
Description
技术领域
本发明涉及一种车用安全带，特别是一种符合人体生物力学的自适应负泊松比安全带。
背景技术
安全带的本质是一种约束装置，它是为了防止发生碰撞时车内驾乘人员与方向盘、挡风玻璃、座椅靠背、车门等物体发生二次碰撞或者飞出车内造成伤亡，当身体发生倾斜移动时，由于安全带多为柔软材质，安全带与身体的接触是柔性的，可以发生一定程度的形变而不会使人受到伤害。
汽车安全带的主流形式是三点预紧式，一般家用轿车主要是以三点预紧式安全带为主。研究表明，当驾乘人员使用安全带时，人体比较强劲的胸部和盆腔两个部分会受到大部分来自安全带的作用力，不过由于人体构造和生物力学的原因，胸部较盆腔更容易因作用力过大导致损伤发生，如肋骨断裂、肝脾等器官受挤压破裂。
研究人员针对这一现象安全带损伤进行了探索和改进，如中文论文《负泊松比安全带织带乘员碰撞保护性能的FE仿真》，提出了一种使用负泊松比材料的安全带，来减少安全带对人体的损伤。如中国专利CN102729948A、CN112572340A、CN105667447A中均提出用负泊松比结构来设计安全带，其中前两者注重防勒伤设计，后者注重舒适性设计；中国专利CN208855581U和CN 216546085 U设计出带有自适应装置的安全带，前者考虑身材高大或肥胖人士的使用舒适度，后者兼顾舒适性的同时，控制事故发生时锁紧安全作用力不至于过大造成伤害。上述文章及专利中均没有考虑到实际事故发生时，胸腔所承受的极大压力，应该针对这一点设计出能够对胸腔提供更多保护的安全带。同时，应该使安全带能够对驾乘人员有更好的固定作用来减少下肢冲击损伤和颈部甩鞭伤。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种符合人体生物力学的自适应负泊松比安全带。
本发明的技术方案如下：
一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，所述安全带包括强化区、基础区以及连接带，所述强化区和基础区均是由负泊松比结构以阵列式排布构成，所述强化区的泊松比小于基础区的泊松比，使得安全带在拉伸过程中，强化区受到拉伸的膨胀程度大于基础区受到拉伸的膨胀程度；所述强化区和基础区通过连接带连接固定；所述安全带在使用过程中通过预收紧机构进行收紧操作，所述预收紧机构包括汽车前部和后部的传感器、分析模块和收紧模块，所述传感器用来感应汽车前部和/或后部是否有物体接近，如有物体接近，将该物体的速度传输给分析模块，所述分析模块依照该物体的速度进行分类，并输出指令给收紧模块，所述收紧模块控制安全带锁止器的电动机构，按照指令对当前安全带进行不同程度的收紧操作。
作为本发明的优选，所述强化区和基础区采用一种负泊松比结构。
作为本发明的优选，所述负泊松比结构为内凹六边形，该结构的泊松比公式为：
其中，h为中心线高，l为底边或顶边的中心线长，d为沿Z向的厚度，t为沿X或Y向的厚度，θ为底边或顶边与侧边的垂直方向形成的夹角，E、G为材料自身属性。
作为本发明的优选，所述强化区和基础区分别采用不同θ角的内凹六边形，其余构成参数相同。
作为本发明的优选，所述内凹六边形阵列式排布时的上下方向即为安全带的长度方向，左右方向即为安全带的宽度方向；阵列式排布时，内部具体为上下相邻的两个内凹六边形的顶边和底边吻合，左右相邻的内凹六边形，其中一列的两个内凹六边形的相邻侧边与另外一个内凹六边形的侧边吻合，依次排列。
作为本发明的优选，所述基础区作为安全带的初始端，所述强化区作为安全带的终点端，保证在使用安全带的过程中，人体的盆骨位置面对的是基础区，而人体的胸腔位置面对的强化区。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的符合人体生物力学的自适应负泊松比安全带，该安全带可以在碰撞发生、安全带受力时能更好的保护人员。考虑到人体生物力学及安全带收紧力作用部位不同把安全带进行分区：上肢部分胸腔受力最大，设置为强化区，利用负泊松比结构的“拉胀”特性对乘员的胸腔提供更大的受力面积(参阅图5和图6)，减少勒伤，减小压强。盆腔处设置为基础区，当受到拉力时能够稍微变宽，增大摩擦，减小压强的同时减小驾乘人员向下滑脱的可能性，避免腹部受勒。
(2)本发明提供的符合人体生物力学的自适应负泊松比安全带，预收紧机构的设计能够在碰撞前提前收紧安全带，并且根据碰撞速度的大小调节收紧力的大小，这样能够在不牺牲驾乘人员舒适性的基础上有效的将驾乘人员固定在座椅上，使其减少滑脱造成的下肢、腹部、脊柱等损害，同时减少脖子移位，降低颈部的损害，避免甩鞭伤等二次伤害。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为构成本发明安全带的负泊松比结构图。
图2为图1的正视图。
图3为本发明的结构图。
图4为图3中A处的放大图。
图5为未分区时安全带受到拉力前后的结构对比图。
图6为分区后安全带受到拉力前后的结构对比图。
图7为强化区和基础区的结构对比图。
图8为强化区受到拉力前后的安全带宽度对比实验图。
图9为基础区受到拉力前后的安全带宽度对比实验图。
图10为预收紧机构的逻辑框图。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图对本申请进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为：基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1
参阅图3所示：一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，包括强化区1、基础区2以及连接带3，强化区1和基础区2均是由负泊松比结构以阵列式排布构成，强化区1的泊松比小于基础区的泊松比，使得安全带在拉伸过程中，强化区1受到拉伸的膨胀程度大于基础区2受到拉伸的膨胀程度(参阅图6)；强化区1和基础区2通过连接带3连接固定，基础区2作为安全带的初始端，强化区1作为安全带的终点端，保证在使用安全带的过程中，人体的盆骨位置面对的是基础区2，而人体的胸腔位置面对的强化区1。
实施例2
参阅图1-4所示：强化区1和基础区2采用内凹六边形的负泊松比结构。
该结构的泊松比公式为：
其中，h为高，l为底边或顶边的长，d为沿Z向的厚度，t为沿X或Y向的厚度，θ为底边或顶边与侧边的垂直方向形成的夹角，E、G为材料自身属性；内凹六边形阵列式排布时的上下方向即为安全带的长度方向，左右方向即为安全带的宽度方向；阵列式排布时，内部具体为上下相邻的两个内凹六边形的顶边和底边吻合，左右相邻的内凹六边形，其中一列的两个内凹六边形的相邻侧边与另外一个内凹六边形的侧边吻合，依次排列。
强化区1和基础区2分别采用不同θ角的内凹六边形，其余构成参数相同；
仿真试验：泊松比越大，结构受到拉伸时向外膨胀的程度越小，反之则越大。以此作为所设计安全带不同区的划分依据，这里保持h、l不变，增大了θ，减小了泊松比，然后将泊松比小的区域布置为强化区1，泊松比大的区域布置为基础区2(参阅图7)；
仿真参数：
基础区：h0＝8.66mm，l0＝10mm，θ0＝30°；强化区：h1＝8.66mm，l1＝10mm，θ1＝45°，对安全带进行拉伸测试；
仿真结果：参阅图8显示了强化区在承受拉力前后的变形情况，图9显示了基础区在承受拉力前后的变形情况。基础区变形后该处的安全带宽度由70mm变为87.0454mm，变宽了24.35％；强化区变形后该处的安全带宽度由78.064mm变为118.981mm，变宽了52.41％，远大于基础区。可以证明通过调整参数来实现泊松比的改变是可行的，也得到了很好的强化效果。
实施例3
参阅图10所示：安全带在使用过程中通过预收紧机构进行收紧操作，预收紧机构包括汽车前部和后部的传感器、分析模块和收紧模块，传感器用来感应汽车前部和/或后部是否有物体接近，如有物体接近，将该物体的速度传输给分析模块，分析模块依照该物体的速度进行分类，并输出指令给收紧模块，收紧模块控制安全带锁止器的电动机构，按照指令对当前安全带进行不同程度的收紧操作，例如速度快时收紧程度大，速度慢时收紧程度小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，其特征在于：所述安全带包括强化区、基础区以及连接带，所述强化区和基础区均是由负泊松比结构以阵列式排布构成，所述强化区的泊松比小于基础区的泊松比，使得安全带在拉伸过程中，强化区受到拉伸的膨胀程度大于基础区受到拉伸的膨胀程度；所述强化区和基础区通过连接带连接固定；所述安全带在使用过程中通过预收紧机构进行收紧操作，所述预收紧机构包括汽车前部和后部的传感器、分析模块和收紧模块，所述传感器用来感应汽车前部和/或后部是否有物体接近，如有物体接近，将该物体的速度传输给分析模块，所述分析模块依照该物体的速度进行分类，并输出指令给收紧模块，所述收紧模块控制安全带锁止器的电动机构，按照指令对当前安全带进行不同程度的收紧操作。
2.根据权利要求1所述的一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，其特征在于：所述强化区和基础区采用一种负泊松比结构。
3.根据权利要求2所述的一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，其特征在于：所述负泊松比结构为内凹六边形，该结构的泊松比公式为：
其中，h为中心线高，l为底边或顶边的中心线长，d为沿Z向的厚度，t为沿X或Y向的厚度，θ为底边或顶边与侧边的垂直方向形成的夹角，E、G为材料自身属性。
4.根据权利要求3所述的一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，其特征在于：所述强化区和基础区分别采用不同θ角的内凹六边形，其余构成参数相同。
5.根据权利要求4所述的一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，其特征在于：所述内凹六边形阵列式排布时的上下方向即为安全带的长度方向，左右方向即为安全带的宽度方向；阵列式排布时，内部具体为上下相邻的两个内凹六边形的顶边和底边吻合，左右相邻的内凹六边形，其中一列的两个内凹六边形的相邻侧边与另外一个内凹六边形的侧边吻合，依次排列。
6.根据权利要求1所述的一种符合人体生物力学的自适应分区负泊松比安全带，其特征在于：所述基础区作为安全带的初始端，所述强化区作为安全带的终点端，保证在使用安全带的过程中，人体的盆骨位置面对的是基础区，而人体的胸腔位置面对的强化区。
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