汽車防溺水安全救生氣囊裝置的研究

李緒飛 鄒俊輝 游寶 王浪浪 安栗

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2010-5640-3222

摘? 要：隨著交通的現(xiàn)代化的發(fā)展，交通運(yùn)輸發(fā)展突飛猛進(jìn)，使道路的交通安全形勢持續(xù)嚴(yán)峻，安全成為一個(gè)必不可少的話題。交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展帶動汽車的飛速發(fā)展，對于汽車防溺水裝置既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。汽車防溺水裝置是汽車在落入水中時(shí)非常重要的逃生裝置。本文研究了一種汽車水上安全救生氣囊裝置，其闡述了結(jié)構(gòu)組成和工作原理。當(dāng)汽車落水且水位危及到車內(nèi)人員生命安全時(shí)，裝在車體兩端的水位傳感器，就可以檢測到車體落水，并將這一信號在極短的時(shí)間內(nèi)傳遞給水上安全氣囊系統(tǒng)的控制電腦，使氣囊充氣。從而起到保護(hù)人們生命安全的目的。

關(guān)鍵詞：防溺水? 救生氣囊? 手動破窗彈簧? 耐壓浮力氣囊? 工作原理

中圖分類號：U463.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0033-03

Research on Automobile Anti Drowning Safety Airbag Device

LI Xufei*? ZOU Junhui? YOU Bao? WANG Langlang? AN Li

（Guizhou Institute of Technology， Guiyang， Guizhou Province， 550000 China）

Abstract： With the development of modern economy and the popularization of expressway， the speed of cars is getting faster and faster， and safety has become an essential topic. In this paper， a kind of airbag device is studied， and its structure and working principle are described. When the car falls into the water and the water level endangers the life of the people inside the car， the water level sensors installed at both ends of the car body can detect the car falling into the water， and transmit this signal to the control computer of the water airbag system within a very short time， so as to make the airbag inflated. So as to protect peoples lives and safety.

Key Words： Drowning prevention; Life-saving airbag; Manual broken window spring; Pressure-resistant buoyant air bag; Working principle

每年都有因?yàn)槠嚨暨M(jìn)水里人被淹死的事故發(fā)生，而且溺水事故死亡的人數(shù)占比40%。

2020年7月7日，貴州省安順市西秀區(qū)有一輛公交車落水。這輛公交車從安順火車站駛向客車東站途中，汽車沖破石護(hù)欄從高處墜入湖中。從事故發(fā)生到救援結(jié)束，在這起碰撞事故和溺水事故疊加之下，使救援現(xiàn)場情況變得非常復(fù)雜，潛水作業(yè)難度也很大。相關(guān)部門組建的專業(yè)救援隊(duì)，通過生命探測確定來感知幸存者大概的位置。最終將被救人員和墜湖公交車打撈上岸，但是被救人員中受傷16人，無生命體征21人。此類悲劇每年都會發(fā)生，相對于陸地上的事故而言，水下的事故救援難度大，面臨的危險(xiǎn)因素更大。因此，本文提出了一種汽車防溺水救生安全氣囊裝置，具體地說是一種能在汽車發(fā)生溺水事故時(shí)自動施救和求救以減少傷亡事故發(fā)生的溺水自救輔助裝置。

1? 工作原理

在汽車車門位置安裝安全氣囊（見圖1），該氣囊為爆破氣囊，氣囊可分離當(dāng)救生氣囊使用，當(dāng)汽車落入水中后，根據(jù)壓力傳感器傳來的信號，觸發(fā)安全氣囊感應(yīng)裝置，控制器自動打開氣體發(fā)生器，氣體發(fā)生器點(diǎn)火爆發(fā)氣體，使汽車依靠浮力的支撐浮出水面，氣囊控制器自動給汽車扶正，避免汽車沉入水中?？刂破鹘邮詹⒎答亗鞲衅鞲惺艿乃畨盒盘?，氣體發(fā)生器發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或把備用安全氣體釋放出，通過充滿浮力的安全氣囊使汽車向上運(yùn)動并浮出水面，同時(shí)，讓車內(nèi)有足夠大的空間供車內(nèi)人員自救，從而有相對較充足的救援時(shí)間等待救援。

2? 組成結(jié)構(gòu)

汽車水上安全救生裝置的組成結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)部分：耐壓浮力氣囊、智能化的中央控制器、手動破窗彈簧裝置、壓力感應(yīng)裝置、氣體發(fā)生器、擴(kuò)散硅壓力傳感器。其各組成位置：在車門的中間的位置安裝耐壓浮力氣囊、氣體發(fā)生器。智能化的中央控制器安裝在汽車發(fā)動機(jī)機(jī)殼后輪廓處，壓力感應(yīng)裝置安裝在車前擋風(fēng)玻璃處，位置與各車門的擴(kuò)散硅壓力傳感器相連。當(dāng)汽車落水且水深危及到車內(nèi)人員的生命安全時(shí)，裝在車體兩端的水位傳感器就可以檢測到車體落水信號，啟動工作，并將這一信號在極短的時(shí)間內(nèi)傳遞給水上安全救生系統(tǒng)的電控單元，然后電控單元控制氣囊前端的氣體發(fā)生器，從而使氣囊完成充氣，達(dá)到汽車漂浮在水面的目的。

2.1 耐壓浮力氣囊

在車門外側(cè)中間位置裝氣囊彈出裝置，在四個(gè)車門外側(cè)安裝氣囊，如圖1所示，發(fā)生落水時(shí)，該氣囊外殼自動隨帶氣囊一起打開，0.5m×0.5m的圓筒形狀氣囊外殼。耐壓浮力氣囊必須具有足夠的密封性和耐壓性，并能在水下長時(shí)間維持，使用汽車有足夠的時(shí)間浮出水面，為溺水者提供逃生保障。

（1）汽車落水可分為兩種情況一種是正向落入水中。一種是傾斜或側(cè)向落入水中。

（2）受力情況：（氣囊+汽車）浮力〉汽車重力。

（3）氣囊參數(shù)計(jì)算：

汽車落水后，假設(shè)汽車、乘客和行李自重量為1500kg，輪胎作為一個(gè)長方體計(jì)算體積（50cm×20cm），即四個(gè)汽車輪胎的浮力大約是1600N，汽車底盤的浮力大約是2000N，由于汽車和乘員重力是30000N，這就導(dǎo)致了汽車和乘員的重力，應(yīng)承受的浮力至少應(yīng)為23000N，那么氣囊的排水體積至少為2.4m3，及每個(gè)氣囊大概排水0.6m3。每個(gè)氣囊總的要求至少是2000N，根據(jù)浮力公式：F浮=ρ液v排g，那么每個(gè)氣囊的尺寸要求最少是：長度為1m，直徑是0.5m的圓筒狀浮力氣囊，但是由于一般汽車車頭比較重，所以應(yīng)該車頭兩個(gè)浮力氣囊的尺寸是長度1m，直徑0.9m。

2.2 智能化的中央控制器

中央控制器在安全氣囊系統(tǒng)中，主要控制耐壓浮力氣囊的點(diǎn)火，故障診斷，對壓力傳感器信號的分析來決定是否要啟動浮力氣囊，當(dāng)汽車落水后，壓力傳感器接受落水信號，中央控制器控制發(fā)出啟動信號，氣體發(fā)生器接收啟動信號后點(diǎn)爆氣體發(fā)生器，使浮力氣囊進(jìn)入工作狀態(tài)。

中央控制器不僅要反應(yīng)快還要反應(yīng)準(zhǔn)確。而在信息飛快發(fā)展的今天，現(xiàn)代化的智能信息處理系統(tǒng)也要得到廣泛的應(yīng)用。智能化的處理系統(tǒng)會系統(tǒng)性的對傳感器傳遞過來的信息加以分析處理，從而更加準(zhǔn)確迅速做出判斷。智能化的處理各種干擾，減少撞擊力度或者撞擊點(diǎn)位置不同，未能開啟安全氣囊的問題。在為能啟動中央控制器時(shí)，可以手動控制氣體發(fā)生器的啟動，使氣囊補(bǔ)充氣體，手動開關(guān)裝在耐壓浮力氣囊與車門內(nèi)部之間靠近控制車窗的電路中。

本中央控制器系統(tǒng)在壓力傳感器外面加一個(gè)防護(hù)罩，此防護(hù)罩采用柱形結(jié)構(gòu)，上下兩個(gè)柱面采用兩個(gè)截面結(jié)構(gòu)，水從防護(hù)罩中的空隙位置流入，以便經(jīng)得起逐次緩沖，減少傳感器在汽車落水時(shí)受到的巨大壓力，此柱側(cè)面采用的是封閉型的結(jié)構(gòu)。

2.3 手動破窗彈簧裝置

在該車門位置安裝有手動破窗彈簧裝置，該裝置為汽車落水后的自救裝置，同時(shí)汽車車內(nèi)的壓強(qiáng)小于外部壓強(qiáng)，需要對著汽車玻璃敲擊多處，車門窗開啟，保證在第一時(shí)間安全逃生。

涉及一種手動破窗器，包括安裝支架，所述安裝支架上安裝蜂鳴器，安裝支架上還固定有殼體，殼體上滑動設(shè)置有導(dǎo)向柱，導(dǎo)向柱一端固定拍打手柄，另一端緊固連接打擊頭，所述導(dǎo)向柱上套設(shè)復(fù)位彈簧，復(fù)位彈簧一端頂緊于拍打手柄上，另一端頂緊于殼體表面，導(dǎo)向柱與安裝支架側(cè)部表面垂直。

2.4 壓力感應(yīng)裝置

感應(yīng)裝置為氣壓感應(yīng)器，可以感應(yīng)處于當(dāng)前狀態(tài)的壓力，必要時(shí)也可以顯示浮力氣囊的壓力。能自動分析所處狀態(tài)并處理數(shù)據(jù)傳送到汽車儀表盤。

2.5 氣體發(fā)生器

安全氣囊起到對駕駛員的保護(hù)作用，汽車掉入水后，由中央控制器下達(dá)的點(diǎn)火命令觸發(fā)氣體發(fā)生器，氣囊內(nèi)化學(xué)物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)爆炸，快速向氣囊充氣，使汽車浮起。

氣體發(fā)生器的重要特性指標(biāo)：單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氣體的總量和受到的壓力及溫度，本發(fā)生裝置才用的是爆破氣囊， 反應(yīng)物是疊氮化鈉，受撞擊或受（燃）引發(fā)快速熱分解反應(yīng)：100g疊氮化鈉可產(chǎn)生50l氮?dú)?，反?yīng)時(shí)間小于30μs。在真空條件下加熱疊氮化鈉，會被逐漸分解為金屬鈉和氮?dú)狻Ｆ浠瘜W(xué)反應(yīng)速率快、高放熱、高體積氣體，也給氣囊提供瞬間充氣的需要。于是，當(dāng)發(fā)生交通落水事故時(shí)，本裝置的反應(yīng)器觸發(fā)疊氮化鈉快速分解，給安全氣囊充氣。

2.6 擴(kuò)散硅壓力傳感器

擴(kuò)散硅壓力感應(yīng)器在落水過程中，接收到落水的壓力，并向中央控制器發(fā)出電信號。擴(kuò)散硅壓力傳感器工作原理：基于壓阻效應(yīng)，將被測介質(zhì)壓力直接作用到傳感器膜片，使膜產(chǎn)生微位移，與介質(zhì)壓力成正比，使傳感器電阻值變化，利用電子線路對此進(jìn)行檢測，并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)與該壓力相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量度信號，擴(kuò)散硅壓力傳遞。感器位于汽車門上方，并在安裝在四個(gè)擴(kuò)散硅壓力傳感器的汽車安全氣囊上。

2.7 電源

汽車防溺水安全救生裝置的氣囊裝置和一般的汽車防撞氣囊裝置一樣，擁有2個(gè)電源，即系統(tǒng)裝有獨(dú)立電源和汽車電源，獨(dú)立電源電路牽引供電系統(tǒng)的外部供電電源，由控制電路和若干電容器組成。獨(dú)立電源安裝在中央控制器位置，獨(dú)立電源為兩節(jié)12V聚合物鋰電池。

獨(dú)立電源當(dāng)汽車的備用電源使用，面對汽車發(fā)生落水導(dǎo)致汽車電源短路時(shí)， 備用電源電路自動斷開與汽車電源裝置的連接，讓獨(dú)立電源充當(dāng)汽車電源。即在汽車落水時(shí)間內(nèi)維持氣囊裝置的單側(cè)供電，該電源裝置具備防水防短路的特性，為了在失去電源供電的情況下系統(tǒng)仍能正常工作并能可靠的啟動汽車溺水逃生裝置，確保中央控制系統(tǒng)和氣體發(fā)生器的正常工作。

3? 結(jié)語

每年全世界都有大量的人因汽車落水而死，有些人開車失誤，將汽車掉入海里、河里或湖中，還有一些人因汽車突發(fā)故障而導(dǎo)致汽車掉入水里。面對這種突發(fā)事故，人一旦被困于水下，很難逃脫。在道路交通事故中，汽車的防溺水性能在汽車行駛中可以避免事故的發(fā)生或減少傷害的程度，在汽車上安裝防溺水裝置可以給乘員生命安全提供一種安全保障。

我們這個(gè)新型汽車防溺水安全救生裝置就是通過整合當(dāng)前已經(jīng)存在的單一救援裝置并且加以改進(jìn)創(chuàng)新，使其成為一套完整的安全救生系統(tǒng)，對于不能迅速得到救援的落水車輛有非常重要的現(xiàn)實(shí)作用。經(jīng)過以上相應(yīng)分析，相信本系統(tǒng)的可行性還是相當(dāng)高的，歸根結(jié)底，本次對防溺水安全氣囊裝置的研究還有很多不足之處，希望能減少交通事故，也希望有志同道合者可以共同研究。

參考文獻(xiàn)

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