一種汽車入水后安全浮起裝置的設計

陳慧君 黃強

摘 要：隨著汽車數(shù)量急劇增長，與之帶來的安全問題令人擔憂。在操作失誤或其它事故中，當車輛落入水中后易導致車內(nèi)人員不幸溺亡。該文創(chuàng)新性地設計了一種新型的裝置，能確保汽車入水后能飄浮于水面，為乘客逃脫爭取時間，同時也為營救降低難度。該裝置結構簡單、操作便捷、可靠耐用，具有廣闊的應用前景。該裝置已獲批國家實用新型專利。

關鍵詞：汽車 安全浮起裝置 機構設計 方案分析

中圖分類號：U467 文獻識別碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0075-02

汽車作為一個很普通的交通工具，給人們的工作、生活帶來了很多的便利，但隨之而來的汽車安全問題也日益突出。隨著近年來不斷有人駕車不慎落入水中后溺亡，有人便開始嘗試研究汽車的浮力裝置。目前，浮力裝置已經(jīng)應用到交通事故打撈方面，遺憾的是事后使用的浮力裝置，在搶救及時性方面不如安裝在汽車車身上的裝置?；诖耍覀儎?chuàng)新性地設計了一種汽車入水后安全浮起裝置，該裝置可是實現(xiàn)汽車入水后安全浮起的功能，從而有效提升汽車的安全性能，確保車上乘客的人身安全和財產(chǎn)安全，具有較強的應用價值。

1 汽車入水后安全浮起裝置基本構成

汽車入水后安全浮起裝置主要由儲氣罐、氣管、氣袋、拉索裝置等部件構成，如圖1所示。

（1）儲氣罐。

儲氣罐的作用是儲存氣體。當汽車落水后，儲氣罐中的高壓氣體會流經(jīng)氣管進入前后氣囊中，使得氣囊充氣，并產(chǎn)生浮力，從而確保汽車不沉入水底，為車上人員的安全逃生提供便利。儲氣罐為合金材料不銹鋼儲氣罐。將儲氣罐安裝在汽車后備箱中，并通過固定卡槽的形式，將其固定在后備箱中。

（2）氣管及氣袋。

輸氣管的作用是把從儲氣罐內(nèi)輸出的氣體輸進氣袋內(nèi)，保證氣體能安全迅速地充入氣袋，使氣袋膨脹產(chǎn)生浮力讓車輛浮起，達到預定的效果?？紤]到氣管的工作條件，要求氣管能承受高壓。氣袋的作用是儲存從儲氣罐內(nèi)輸出來的氣體而膨脹產(chǎn)生浮力使車輛浮起。根據(jù)氣袋的工作環(huán)境，要求氣袋有高度的密封性。

（3）拉索及其操縱機構。

拉索的作用是在險情發(fā)生時，拉下拉索使儲氣罐的壓柄開關向下壓而打開放氣彈簧，使氣體放出，經(jīng)過氣管而到達氣袋。圖3為拉索的操縱機構，主要由鋼絲拉索、固定擋板，手拉柄組成。當汽車未遇險時，手柄固定在后面的擋板上，此時儲氣罐也未打開。當汽車遇險時，駕駛員向前拉動手柄以啟動浮起裝置。

（4）儲氣罐開啟裝置。

如圖4所示，為儲氣罐口的開啟裝置。壓柄與水平夾角為40度，通過鉚釘與固定件相連。當汽車遇水險時，駕駛員立即向前拉動安裝在變速桿所在箱體的左側面上的手拉柄，手拉柄未拉動時緊貼在后面的擋板上，此時拉動手拉柄向前，將拉柄拉至緊貼在后面的擋板上，鋼絲拉索一端固定在手拉柄上，另一端固定在儲氣罐操縱裝置的壓柄上，通過螺母緊固連接，受拉力作用，與儲氣罐操縱裝置壓柄上用螺母緊固連接的鋼絲拉索被向下拉動，壓柄此時繞鉚釘傾斜一定角度向下運動，與壓柄中端相對應的挺柱受壓，挺柱一端緊貼住壓柄，壓柄受壓向下壓動后壓縮彈簧，使氣體從通氣通道放出，經(jīng)過出氣口而流出。

2 汽車入水后安全浮起裝置工作原理

如圖4所示，該裝置未工作時，手拉柄固定緊貼在擋板上就防止了挺柱可能會因氣壓的原因而頂起壓柄，打開氣門，使氣體泄漏；另一端在操縱裝置內(nèi)，頂頭是與汽車配氣機構中氣門相同的結構的氣門，被壓縮彈簧緊緊頂住。

挺柱受壓向下運動時，壓向壓縮彈簧，彈簧被壓縮，向下運動，這時錐角為45度的氣門被打開，氣門離開落座，落座的作用是使氣門固定住，氣門繼續(xù)壓縮彈簧向下運動。當氣門壓縮彈簧到通氣通道的上面的通口時，此時直接與罐內(nèi)氣體相通的通道，因壓力的平衡被打破，罐內(nèi)外氣體的壓力相差較大，罐內(nèi)的高壓氣體便通過通氣通道6被迅速壓出，氣體進入操縱裝置上左側的入氣口，氣體便在壓力的作用下經(jīng)氣管進入氣袋，氣管使用了T型結構，這樣做的目的是不但免去了為每個氣袋各配備一個儲氣罐或者在操縱裝置上設置兩個出氣口的麻煩，而且使得氣管內(nèi)的氣體相流通，壓力相等。

被高壓氣體充滿的氣袋在浮力的作用下，因前后兩個氣袋的位置與儲氣罐的距離的不同，前后兩個氣體被充滿的時間也不一樣。后袋距離較近，首先先被充滿，產(chǎn)生的浮力隨即使汽車后部先被浮起，這樣車輛在浮起的過程中，汽車先是在前低后高的狀態(tài)下向上浮，待短暫的時間后，前袋也被充滿，汽車就會恢復至水平狀態(tài)下繼續(xù)向上浮。當汽車浮至水面時，車輛漂浮在水面上，這時，車內(nèi)的人員可以輕易地解開安全帶，打開車門，可以根據(jù)水的深淺選擇逃生方式，若水太深，不便自行逃離，可以向他人求救；若水不是很深，可以選擇自行逃離。浮在水面上的汽車可以通過吊車吊起至陸地，旋開放氣閥，放出氣體即可。

3 該裝置工作流量和時間計算

在車輛發(fā)生落水時，車輛安全浮起裝置能不能在短時間內(nèi)起作用就得看氣體的流量了。

通過查找公式：

Q=π×R2×V×3 600

R=（E/D）×（V2L/2 g）

P=RL

其中，Q為流量；V為氣體的流速；E為氣體在氣管管道內(nèi)的摩擦系數(shù)；P為壓力，單位為MPa。

Q=π×R2×V×3 600=3.14×（12×10-3）2×3 600×V

R=（E/D）×（V2L/2 g）=（0.208 7/24）×（V25/2 g）

設計中，往前氣袋輸氣的氣管暫取長5m，往后氣袋輸氣的氣管暫取長3m。

計算中，氣管的半徑為12 mm。

聯(lián)合解方程組，得

Q=0.865 8 m3/s

V=0.531 9 m/s

計算結果中，氣體的流速偏小是因為罐口的半徑不小，導致了氣流的過慢。

以前袋為例，氣體流到前袋需要：

t1=L/V=5/0.5391 s=9.4 s

充滿氣袋的時間需要：

t2=V/Q=1/0.8658 s=1.2 s

也就是說，前袋的充滿氣的時間是：

t=t1+t2=9.4+1.2=10.6 s

以后袋為例，氣體流到前袋需要：

t3=L/V=3/0.539 1 s=5.6 s

充滿氣袋的時間需要：

t4=V/Q=1/0.8658 s=1.2 s

也就是說，后袋的充滿氣的時間是：

t=t3+t4=5.6+1.2=7.8 s

4 結語

文中對新型汽車入水后安全浮起裝置的基本構成、工作原理進行了詳細的介紹，并對其工作氣流及運行時間等進行了分析。從汽車遭遇險情到最后汽車浮在水面上，車輛和車內(nèi)的人安全獲救，裝置的工作過程具體為：拉動手拉柄帶動鋼絲拉索的拉動使壓柄向下壓動挺柱，使壓縮彈簧被壓縮，向下運動直至通氣通道上通氣口與出氣口相聯(lián)通使氣體被壓出儲氣罐，通過氣管到達氣袋，使車輛浮起而達到救人的目的。該裝置結構簡單，操作方便快捷，能有效提升汽車入水后的安全性。因此，該汽車入水后安全浮起裝置具有廣泛的應用前景和開發(fā)價值。

參考文獻

[1] 艾若扎維克，梁建和，甘善澤.汽車底盤構造與維修[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

[2] 曹立波.汽車車身結構與設計[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3] 孫桓，葛文杰，陳作模.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 王曉.汽車附屬裝置設計準則（第一版）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5] 寧貴欣.CATIA V5工業(yè)造型設計實例教程[M].北京：清華大學出版社，2004.