汽車安全帶強制限速裝置研發(fā)

吳豫席　張志鵬　曾雨晨

摘 要：汽車安全帶強制限速裝置屬于被動安全裝置，由車速傳感器、加速踏板傳感器、電控節(jié)氣門傳感器、電壓濾波器、強制限速裝置等組成。該裝置的配置使得在乘員不佩戴安全帶的情況下，對車輛進行強制限速，解決高速時安全帶佩戴率不高的問題。

關鍵詞：安全帶;傳感器;速度監(jiān)測;強制限速

1 座椅安全帶作用

座椅安全帶可以有效的將乘客的身體約束在座椅上，使乘客的身體盡可能的靠在座椅靠背上;當發(fā)生交通意外時，安全帶可以降低或者有效避免二次傷害給乘員帶來的威脅，使傷亡程度降到最低。但是安全帶佩戴率不高問題一直未得到根本的解決，本文中研發(fā)的安全帶強制限速裝置，不僅可以提高安全帶佩戴問題，而且可以提高被動安全。

2 安全帶強制限速控制裝置組成

2.1 車速傳感器

車速傳感器是用來檢測汽車行駛速度的裝置，將車速感應系統(tǒng)檢測到的感應信號傳給汽車電子控制單元ECU。

車速傳感器根據(jù)結構的不同可以分為舌簧開關式、電磁感應式、光電式、可變磁阻式傳感器，本次實驗以電磁感應式車速傳感器為例。

電磁感應式車速傳感器與自動變速器輸出軸上的齒輪相結合，裝在輸出軸附近的殼體上，形成感應信號來檢測輸出軸的轉速，如圖1a所示;電磁感應式車速傳感器由齒輪、永久磁鐵、電磁感應線圈、電控單元ECU組成，如圖1b所示。

電磁感應式車速傳感器工作時的運行狀態(tài)：當輸出軸轉動時，齒輪2隨軸一起轉動，齒輪2的凸齒為感應轉子，當齒輪間斷性地靠近或遠離感應線圈時，感應線圈內(nèi)的磁通量將會發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應原理，從而產(chǎn)生交變感應電動勢，并將此信號傳遞給電控單元ECU，得到的感應電壓如圖2所示;自動變速器輸出軸轉速越高，相應的車速也就越快，交變電壓脈沖周期也就越短，電子控制單元ECU根據(jù)車速傳感器感應電壓脈沖周期的大小來計算汽車行駛的速度。

2.2 加速踏板信號控制原理

現(xiàn)代汽車以汽油機和柴油機為主流，因此本裝置主要以汽油機和柴油機為例。汽油機通過加速踏板控制節(jié)氣門開度的大小來控制噴油量，以此調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉速;柴油機通過加速踏板來直接控制噴油量。當汽油機采用全電控節(jié)氣門時，控制原理和柴油機相同，加速踏板只起到信號輸出的作用。汽車電子油門的加速踏板上安裝有位移傳感器，當駕駛員踩踏加速踏板時，加速踏板運動，行程將會發(fā)生改變，繼而影響節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓，當電壓信號輸送到發(fā)動機電控制單元ECU時，ECU根據(jù)加速踏板節(jié)氣門輸出電壓的高低來確定噴油量的多少，由于噴油量的多少與發(fā)動機的轉速成正比，則可以通過加速踏板來控制節(jié)氣門開度大?。垂?jié)氣門開度大小的電壓信號）來控制發(fā)動機的輸出轉速，由此我們可以通過控制加速踏板工作行程來控制車速。

2.3 電控汽車節(jié)氣門電壓波形分析

當加速踏板的工作行程發(fā)生改變時，節(jié)氣門開度大小也會發(fā)生改變，繼而節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓發(fā)生改變。本次實驗探究了線性輸出型節(jié)氣門位置傳感器電壓變化的波形;實驗時，打開汽車電器設備開關，發(fā)動機不進行運轉，慢慢踩動加速踏板直至加速踏板最大行程（即節(jié)氣門從關閉位置到節(jié)氣門全開），并慢慢松開加速踏板至原來位置（即節(jié)氣門從全開到關閉狀態(tài)）。反復試驗，得到加速踏板節(jié)氣門輸出電壓波形，如圖3所示。汽車在怠速狀態(tài)時，節(jié)氣門關閉，此時為最小輸出電壓等于880mV;當節(jié)氣門全開時，此時輸出電壓為4.36V。

2.4 安全帶強制限速工作原理

汽車在低速穩(wěn)定駕駛過程中，車速與發(fā)動機的轉速成線性關系，加速踏板控制節(jié)氣門的輸出電壓與車速成成線性遞增關系，而且加速踏板是駕駛員控制車速主要參數(shù)之一，所以選擇加速踏板的節(jié)氣門輸出電壓大小作為駕駛員控制車速的主要依據(jù)。本裝置將“安全車速設定裝置”中的安全車速設定為x，此時對應的加速踏板節(jié)氣門輸出電壓為y。當汽車運行時，本裝置將對車速傳感器、安全帶卡扣開關以及控制加速踏板行程的傳感器電壓進行檢測，以確定其工作狀態(tài)，并根據(jù)不同狀態(tài)按以下模式進行工作，如圖4所示。

（1）工作方式

a.不受約束行駛模式

第一種情況：當車速傳感器檢測到車速未達到x時，車速傳感器電子控制單元ECU將對外輸出低電平，開關S1不閉合，整個電路處于斷路狀態(tài)，不起作用。

第二種情況：當車速傳感器檢測到車速達到或超過安全車速x時，車速傳感器將此信號傳遞給車速傳感器的ECU，ECU對外輸出高電平，開關S1閉合;然后安全帶卡扣檢測系統(tǒng)將對安全帶卡扣進行檢測，當安全帶卡扣檢測系統(tǒng)檢測到安全帶卡扣時（即駕駛員佩戴安全帶），電腦控制單元ECU對外輸出高電平，則安全帶卡扣開關S2閉合;此時電路1與電路2處于并聯(lián)狀態(tài)，電路2中會形成小電流，常閉繼電器將介入工作，使電路1部分處于斷路，電路2部分處于工作狀態(tài);電路1中就會形成較大的電流，使安全帶收緊器開始工作，來調(diào)節(jié)安全帶織帶的長度，以滿足乘客（身材大小和肥胖）的不同需求，并以合適的力度將乘客固定在座椅上。

b.受約束的行駛模式

若車速傳感器檢測到車速達到或超過安全車速x時，車速傳感器將此信號傳遞給電子控制單元ECU，ECU對外輸出高電平，開關S1閉合;然后當安全帶卡扣檢測系統(tǒng)未檢測到安全帶卡扣時（即駕駛員未佩戴安全帶），電子控制單元ECU對外輸出低電平，即卡扣開關S2斷開，電路2處于斷路狀態(tài)，電路1處于工作狀態(tài)，此時安全帶提示燈亮起，蜂鳴器提示駕駛員系好安全帶，同時加速踏板干涉裝置處于工作狀態(tài)，干涉裝置將對加速踏板的節(jié)氣門輸出電壓進行強制干涉，將超過加速踏板節(jié)氣門安全電壓進行過濾，此時超過部分電壓變?yōu)閥（如圖5所示），并將此電壓信號y傳遞給發(fā)動機ECU，使車速控制在安全車速x以下。如果駕駛員仍然在沒有系安全帶的情況下欲加大油門，則此強制干涉裝置仍向發(fā)動機的ECU輸入加速踏板電壓為y，使實際車速保持在安全車速以下。 只有當檢測系統(tǒng)檢測到安全帶卡扣為高電平（即電路2部分處于工作狀態(tài)，電路1處于斷路狀態(tài)）或者實際車速低于安全車速時（即S1處于斷路），干涉裝置不起干涉作用。

（2）電壓過濾器的電路分析

圖6是加速踏板節(jié)氣門開度電壓過濾器的原理電路。圖中U0是輸入電壓，U1為輸出端電壓，U為電壓源電壓，其電壓與加速踏板節(jié)氣門y相等，D為二極管，二極管能夠導通的最低正向電壓不計。當輸入端U0電壓小于電壓源U的電壓時，U0等于U1;當輸入端電壓U0大于電壓源電壓U時，輸出端電壓U0等于電壓源電壓U，以此起到對加速

踏板節(jié)氣門電壓起到濾波作用。

（3）安全帶強制限速裝置控制流程，如圖7。

3 結束語

本裝置屬于被動安全裝置，與安全帶相配合使用，彌補了安全帶佩戴率不高的問題，有效提高了乘員的安全性，同時降低了交通事故的嚴重性。

參考文獻：

[1]郭榮春 曹鳳萍 汽車安全工程 北京 中國水利水電出版社 2016.02.

[2]劉輝，趙建彪，李闖，等 基于限制車速的安全帶強制使用裝置[J].電子設計工程，2011.