汽車柔性座椅后倒的構(gòu)想

摘要當(dāng)前，人們對(duì)交通安全給予了越來越多的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，很多交通事故都是因?yàn)槌丝偷淖闻c汽車是剛性連接造成的。在某些發(fā)生碰撞事故的過程中，如果座椅能夠柔性向后傾倒，往往能夠減小傷害，本文主要針對(duì)常規(guī)座椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并從機(jī)械動(dòng)力學(xué)的角度的動(dòng)力進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞動(dòng)力結(jié)構(gòu)汽車鉆入

中圖分類號(hào):U462文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 引言

隨著汽車業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車安全性能的要求也越來越高。但現(xiàn)在的小轎車在很多方面還不能完全滿足人們對(duì)安全性能的要求。通常，在車發(fā)生前碰撞事故時(shí)，身體最可能受到的傷害是由于方向盤對(duì)駕駛員胸部的碰撞。另外，在追尾事故中，由于卡車尾部和小轎車前部之間有一定的高度差，因此在小轎車與卡車的對(duì)追尾中，小轎車的前部位置不能吸振緩沖，使得前擋風(fēng)玻璃直接與卡車尾部相撞，造成車內(nèi)人員上半身肢體收到嚴(yán)重的撞擊損傷。針對(duì)以上兩個(gè)問題，我們對(duì)常規(guī)的汽車柔性座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了后倒式柔性座椅來避免或者減少交通事故對(duì)于乘客身體上的傷害，并從動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)這種柔性座椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討 。

2 后倒柔性座椅的設(shè)想

2.1后倒柔性座椅的結(jié)構(gòu)

在柔性座椅的結(jié)構(gòu)上，除了滿足一般柔性座椅的舒適度及其它要求外，還對(duì)后倒過程有著特殊的要求。在此，我們對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

(1)安全帶。在一般柔性座椅上的安全帶是由一條安全帶來固定人身體，以致在發(fā)生碰撞事故時(shí)能夠避免二次碰撞。但如果把柔性座椅設(shè)置成后倒柔性座椅的話，安全帶與胸部的壓力就會(huì)增加。也就是說，如果只是單純?cè)黾尤嵝宰魏蟮构δ艿脑挘m然方向盤對(duì)駕駛員的胸部的撞擊概率將會(huì)減小，但安全帶對(duì)胸部的損傷的概率就會(huì)大大增加。所以，如果將柔性座椅設(shè)計(jì)成緊急情況下后倒，一定要對(duì)安全帶進(jìn)行改進(jìn)。可以設(shè)計(jì)成兩個(gè)帶的安全帶，使在瞬間收的沖力平均分配到身體的部位上;可以在安全帶位置上安裝卡肩，讓力集中到肩部而不是心臟的部位;甚至可以參考過山車的固定裝置等。

(2)背翻柔性座椅靠背和轉(zhuǎn)軸。一般柔性座椅有可能會(huì)發(fā)生這樣的一個(gè)情況，前排柔性座椅的背靠的強(qiáng)度不足，在質(zhì)量和慣性力的作用下向后發(fā)生較大的變形，失去支撐作用，使前排射向后座或后窗，而向后背翻的柔性座椅要求就要更高，首先是保證一般柔性座椅的正常強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，還盡量要保證后由于高速后翻所帶來的沖擊，其次。柔性座椅上必然要含有離合片，在緊急情況時(shí)讓柔性座椅的椅背和椅座向脫離，所以就要在平時(shí)的情況下保證離合片不會(huì)在正常行駛下發(fā)生變形。

(3)頭部固定裝置 。一般情況下，如果只由安全帶固定上半身，則可能會(huì)造成在后翻時(shí)胸部與頭部之間的加速度差，在頸部這個(gè)速度差值如果超過了一定程度就會(huì)給人造成致命的傷害。我們對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)單估算:1、將后倒等效為后退;2、裝置的反應(yīng)速度為0.01s;3、假設(shè)處于剎車狀態(tài)，地面摩擦系數(shù)為0.8;4、人端坐時(shí)上身重心與腰部高差為0.4m，則假設(shè)人相對(duì)于車簡(jiǎn)化后退位移為s=0.4€?.414=0.5656m; 5、假設(shè)車速為非高速行駛的情況下速度為20m/s(72km/h)，檢測(cè)距離為，3.5m;則從檢測(cè)到車開始后倒到兩車相撞 t=3.5/20-0.01=0.145s，人相對(duì)與車加速度為;a‘=2€譻/t2=53.80 m/s2;又車相對(duì)于地的加速度為a1=0.8€譯=7.87 m/s2;則人相對(duì)于地加速度為a=0.8€譯+53.8=61.4m/s2;取人上半身為50kg則人受力為F=m €?a=3070N;如圖1所示:

圖1人所在位置示意圖

由以上計(jì)算我們可以看到，如果人需要后倒及時(shí)的話則，則人需要承受6倍左右的重力。也就說假設(shè)胸部位置和柔性座椅是一體，人頭部和胸部的差值越位人自身重量的6倍。一般的人相對(duì)來說比較難以承受。雖然不至于致命，但也會(huì)造成一定的損傷。所以，要實(shí)現(xiàn)柔性座椅的迅速后翻，還需要一個(gè)頭部固定裝置，或者在駕駛員頸部也裝有和拉力賽選手一樣的護(hù)頸裝備，來保證頸部的安全。

2.2 后倒柔性座椅的動(dòng)力

同樣，針對(duì)需要針對(duì)汽車柔性座椅需要在緊急情況下迅速后翻，考慮到車體的特殊情形，我們大膽構(gòu)想了以下動(dòng)力源作為柔性座椅后翻的動(dòng)力。

(1) 彈簧。一個(gè)簡(jiǎn)單示意圖2如下:

圖2彈簧為動(dòng)力的后翻柔性座椅示意圖

開始的彈簧為壓簧，正常行駛下是被壓緊。擋片由電路來控制。當(dāng)需要后倒的信號(hào)傳入，擋片彈開，同時(shí)，軸上的離合片也迅速彈開。以彈簧為動(dòng)力來使柔性座椅位置后倒。以此原理為基礎(chǔ)可以延伸出很多柔性座椅裝置，如用于“車輛的座椅裝置(申請(qǐng)?zhí)朲L200510079516.0)”，“一種汽車安全座椅(專利號(hào)ZL 200720129265.7)”，都在柔性座椅的后倒過程中使用了彈簧作為了原動(dòng)力，而且彈簧具有的價(jià)格便宜，物理性能穩(wěn)定，瞬間爆發(fā)力強(qiáng)等特點(diǎn)，是后倒柔性座椅的理想后倒動(dòng)力源。

(2)氣壓傳動(dòng)。鑒于車體內(nèi)的制動(dòng)氣壓一半不到1000kp，所以如果需要?dú)鈮簜鲃?dòng)的話則需要尋找新的氣壓源。由現(xiàn)在安全氣囊的原理我們也可以構(gòu)想出來這樣一種氣缸——在碰撞時(shí)在汽缸里面引發(fā)某種小劑量爆炸的化合反應(yīng)，即可以由傳感器直接控制點(diǎn)火，點(diǎn)火后發(fā)生爆炸反應(yīng)。推動(dòng)氣缸內(nèi)部的拉桿，拉桿經(jīng)過一系列桿件，最后帶動(dòng)與柔性座椅柔性座椅相連的鋼管，使柔性座椅后翻，最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3以氣體為動(dòng)力的后翻柔性座椅示意圖

除利用瞬間爆炸產(chǎn)生氣體以外，我們還可以自行放置氣缸于車內(nèi)，所需氣缸要求計(jì)算如下;

由上的后退人承受后拉力為3070N

則氣動(dòng)要提供力大約為6kN;

取氣筒內(nèi)徑為d=80;則面積s=d2/4=5024N;

氣筒需提供氣的平均壓力p=F/s≈1.3Mpa;

假設(shè)爆炸初壓為平均氣壓的20倍;則pmax=26 MPa;

又假設(shè)氣筒為薄壁圓筒則氣筒材料所受拉應(yīng)力=pmax*r/;45號(hào)鋼屈服應(yīng)力強(qiáng)度為s=360 MPa，取安全系數(shù)為s=1.8;

取=200MPa;則壁厚=5.2;可接受。

(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)。公知，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率想對(duì)于前兩種動(dòng)力源的能量最多，功率最大，如果能在緊急情況下如能利用發(fā)動(dòng)機(jī)主軸所輸出的功率的話，那后倒速度將可以得到大幅提升。參考變速箱原理，利用主軸的動(dòng)力設(shè)想如圖4 、圖5。

圖4動(dòng)力從主軸傳入新軸示意圖

圖5 動(dòng)力由新軸傳入柔性座椅示意圖

在圖4中，在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸動(dòng)力軸旁增加一新軸，在新軸上存在齒輪與其嚙合，但由于不存在花鍵，所以動(dòng)力并不傳入新軸。在旁邊裝好結(jié)合套，結(jié)合套和齒條(撥叉)相連與一電機(jī)相連。當(dāng)傳感器感受到需要后倒時(shí)，由傳感器控制電機(jī)控制啟動(dòng)，帶動(dòng)撥叉，撥叉帶動(dòng)結(jié)合套和齒輪外圈互相嚙合，此時(shí)動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)主軸輸入到新軸。

在圖5中，由于新軸已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過齒輪和皮帶等傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給與柔性座椅背相連的齒輪中，使柔性座椅背獲得圓周動(dòng)力，向后翻倒。

3 結(jié)語

以上對(duì)后倒柔性座椅的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力問題進(jìn)行了一番構(gòu)想。不過即使結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，動(dòng)力上也不存在任何問題，后倒的柔性座椅還存在其它很多本文未涉及的問題。不過，隨著對(duì)汽車柔性座椅的不斷深入研究，不久就會(huì)有真正滿足人安全和生理需要的柔性座椅產(chǎn)生，到時(shí)候后倒式柔性座椅將會(huì)有更廣闊的前景。

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