汽車落水輔助救生裝置設(shè)計(jì)

王舒巖 謝越 龔琦森

摘要：本設(shè)計(jì)意在提高汽車總體安全性，在落水之后得以迅速逃生，為拯救生命財(cái)產(chǎn)安全提供時(shí)間。整體的設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)傳感器判斷汽車狀態(tài)，并上傳至ECU判斷落水情況，若判斷為落水，則通過(guò)嵌入于前窗玻璃內(nèi)部的低烈度爆破裝置破壞前窗，打開(kāi)逃生通道，創(chuàng)造逃生空間，同時(shí)在車身周圍展開(kāi)氣囊，減緩下沉速度，爭(zhēng)取時(shí)間。

關(guān)鍵詞：汽車、落水、救助、裝置

一、緒 論

1.1研究背景和目的

1.1.1汽車落水的調(diào)查與數(shù)據(jù)

全球每年因交通事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)為125萬(wàn)，其中是由車輛落水導(dǎo)致的溺亡人數(shù)高達(dá)11.1萬(wàn);2018 年 10 月28 日，重慶市萬(wàn)州區(qū)大橋便有公車處乘客與司機(jī)發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)導(dǎo)致汽車落水而造成多達(dá) 15 人死于非命;2018 年 10 月28 日，重慶市萬(wàn)州區(qū)大橋便有公車處乘客與司機(jī)發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)導(dǎo)致汽車落水而造成多達(dá) 15 人死于非命。

在汽車落水事件中，有效的自救時(shí)間在30-120s左右。由于不了解如何自救而錯(cuò)過(guò)時(shí)間導(dǎo)致溺亡的比例約為70%。

由此可見(jiàn)，對(duì)于車輛落水后，知識(shí)的普及和技術(shù)的改進(jìn)刻不容緩。

1.1.2研究目的

該設(shè)計(jì)的主要研究目的在于解決車輛落水后的救援問(wèn)題。

一方面，汽車落水的情況較為少見(jiàn)，應(yīng)對(duì)的策略普及率比較低，相對(duì)而言危險(xiǎn)性也較高，而此設(shè)計(jì)可以在不了解求生策略的情況下盡可能提高求生者的生存率。

另一方面，裝置大部分功能依托于自動(dòng)化操作，比手動(dòng)操作更加可靠，安全性更高，避免由于駕駛員誤操作帶來(lái)的負(fù)面影響;同時(shí)可以避免在事故中因慌亂而無(wú)法有效的逃生。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1國(guó)外對(duì)于汽車落水的研究

當(dāng)前，國(guó)外對(duì)于汽車涉水的均有所開(kāi)發(fā)研究，主要集中于水陸兩棲車輛，較為廣泛的應(yīng)用于軍事、運(yùn)輸領(lǐng)域。如軍用物資的運(yùn)輸邊防嚴(yán)酷環(huán)境的執(zhí)勤巡邏，救災(zāi)救難，探測(cè)等專業(yè)領(lǐng)域。兩棲汽車暫時(shí)沒(méi)有較大進(jìn)展，其原因大部分為成本過(guò)高且技術(shù)不成熟。

1.2.2國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車落水的研究

鑒于國(guó)內(nèi)汽車落水事故頻發(fā)，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)研究針對(duì)汽車落水后的救助：例如提供氣囊減緩車輛的下沉速度，車門與車身分離，破窗等等。而我們此次研究變針對(duì)于破窗來(lái)進(jìn)行。

1.3研究?jī)?nèi)容和研究方法

1.3.1研究?jī)?nèi)容

此次研究主要內(nèi)容針對(duì)在汽車落水后，通過(guò)各種傳感器以及ECU的配合實(shí)現(xiàn)破壞前擋風(fēng)玻璃，通過(guò)車周身氣囊減緩下沉速度，進(jìn)而打開(kāi)求生通道，創(chuàng)造求生空間，爭(zhēng)取救生時(shí)間。

在研究中主要需要研究的問(wèn)題在于：

一方面，該裝置要具有足夠的可靠性。在水中，大部分電路機(jī)構(gòu)可能無(wú)法及時(shí)運(yùn)行的情況下，要能夠及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行響應(yīng)。

另一方面，設(shè)備要具有足夠的安全性。我們計(jì)劃采用低烈度爆炸的方式破壞前擋風(fēng)玻璃，因此要確保爆炸后玻璃碎片以及爆炸本身不能對(duì)人身造成傷害。在該要點(diǎn)中，我們打算使用虛擬仿真進(jìn)行選擇和測(cè)試。

1.3.2研究方法

1.文獻(xiàn)研究法：通過(guò)閱讀，引用，參考文獻(xiàn)來(lái)完成研究。

2.跨學(xué)科研究法：通過(guò)各個(gè)不同的學(xué)科交互知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題。

3.虛擬仿真法：通過(guò)虛擬仿真來(lái)模擬場(chǎng)景和結(jié)果，以此挑選出最佳材料和設(shè)計(jì)方案。

1.4研究難點(diǎn)以及創(chuàng)新點(diǎn)

本次研究的難點(diǎn)主要在于：

需要將各個(gè)傳感器的功能建立聯(lián)系，合理的安排傳感器的功能以及邏輯。

選用合適的材料（包括引起低烈度爆炸的反應(yīng)發(fā)生劑，傳感器的材料等）確保裝置的可靠和安全。

在保證功能的情況下盡可能壓縮成本，提高經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于仿真平臺(tái)的學(xué)習(xí)。

本次研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于：使用多數(shù)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)替代手工操作，提高了可靠性，響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。

二、需求和功能分析

2.1需求分析

本設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確判斷車輛落水狀態(tài)，在可能短的時(shí)間內(nèi)做出準(zhǔn)確的響應(yīng)。

同時(shí)，對(duì)于裝置的響應(yīng)必須要考慮到安全性，其中包括在響應(yīng)時(shí)的安全以及啟動(dòng)裝置條件的安全性。

2.2功能分析

對(duì)于該裝置的設(shè)計(jì)，需要滿足將傳感器的功能對(duì)應(yīng)串聯(lián)，保證信號(hào)有邏輯地輸出;同時(shí)準(zhǔn)確判斷車輛落水狀態(tài)，不能出現(xiàn)誤判和無(wú)響應(yīng)的情況;對(duì)于破壞裝置要確保起爆裝置安全有效地起爆，既可以破壞玻璃起到打開(kāi)求生通道的作用，也要規(guī)避爆炸對(duì)于人體的傷害。而對(duì)于氣囊，要保證及時(shí)啟動(dòng)、響應(yīng)。

2.3可行性分析

設(shè)置一個(gè)中央處理器集合于汽車的 ECU 內(nèi)，對(duì)該處理器的算法、結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出更準(zhǔn)確、高效的中央處理系統(tǒng)。預(yù)設(shè)多種初始的破門方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐，采用定向低烈度爆破破方式，最大程度提高效能和智能控制的可操作性。

從目前對(duì)汽車落水事故的救助和保護(hù)方案來(lái)看，國(guó)內(nèi)外都已存在：利用安全氣囊來(lái)延緩汽車落水增加救助時(shí)間的裝置及通過(guò)控制電磁閥鎖磁吸力消失與否控制后排座椅連通后備箱通道逃生的方法。但就此兩方案而言都具有一定程度上的不完善，如前者并沒(méi)有直接打開(kāi)逃生通道只是增加逃生時(shí)間，后者需要從內(nèi)部打開(kāi)后備箱，而現(xiàn)有汽車尤其是私家車并沒(méi)有全部在內(nèi)部安裝后備箱內(nèi)部打開(kāi)裝置，所以需要單獨(dú)設(shè)立后備箱打開(kāi)機(jī)制，這便造成一定的實(shí)用困難。

國(guó)外某公司也曾使用某些技術(shù)或使用新型材料對(duì)車門進(jìn)行專門改造使得車門可以在特殊情況下仍能開(kāi)啟;國(guó)內(nèi)有高校也曾研究汽車落水的自動(dòng)浮起和扶正控制系統(tǒng);但無(wú)論是國(guó)外對(duì)車門的特殊改造和新型材料使用還是國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)研發(fā)都無(wú)可避免的遇到了成本較高難以大量普及的問(wèn)題。

此項(xiàng)目基于可行性、推廣性、獨(dú)特實(shí)用價(jià)值和廣闊市場(chǎng)潛力開(kāi)展調(diào)查研究。

三、裝置的電路設(shè)計(jì)

在本次裝置的設(shè)計(jì)中，需要將三個(gè)傳感器信號(hào)綜合作用后引爆，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，得出如下電路：

四、裝置的設(shè)計(jì)

4.1技術(shù)路線

本裝置由水壓傳感器、車速傳感器、壓力傳感器、ECU、爆破裝置，氣囊彈射裝置組成。

工作原理：其中傳感器安裝于車體各部，當(dāng)汽車點(diǎn)火信號(hào)，和車速傳感器高速行駛信號(hào)，水位信號(hào)，壓力沖擊信號(hào)，共同傳輸至 ECU 時(shí)準(zhǔn)確第一件時(shí)間判斷汽車落水情況，判斷落水后 ECU 處理信號(hào)，放大信號(hào)由輸出端將信號(hào)傳遞至與前擋風(fēng)玻璃，四角嵌入定向型，低烈度爆破裝置，啟動(dòng)爆破使玻璃碎裂。

4.1.1傳感器的設(shè)計(jì)與使用

壓力傳感器：傳感器安裝在汽車進(jìn)風(fēng)口下，當(dāng)車體沖入水面，外部水流沖擊積水盤，使擊水盤關(guān)閉并拍擊集液器內(nèi)積水，形成水錘效應(yīng)，產(chǎn)生較大壓力經(jīng)過(guò)取液孔沖擊內(nèi)部壓力傳感器產(chǎn)生壓力信號(hào)。

這樣，一方面可以保證壓力傳感器工作順利，可以精確反應(yīng)當(dāng)車輛沖入水面時(shí)的劇烈程度;另一方面，傳感器的安裝位置和檢測(cè)效果、精度，可以保證幾乎很少會(huì)有其他液體進(jìn)入的情況，保證了傳感器工作的安全與準(zhǔn)確。

水位傳感器：水位傳感器安裝于車體頂部，當(dāng)水位高度超過(guò)車身 2/3 高度時(shí)水液進(jìn)入傳感器內(nèi)部使浮球上升，產(chǎn)生水位信號(hào)，判斷車身淹沒(méi)程度，防止由于下雨環(huán)境或其他路面積水環(huán)境使得錯(cuò)誤判斷汽車是否落水。

4.1.2起爆裝置的設(shè)計(jì)與選用

低烈度爆炸裝置：

電爆管：由 ECU 控制信號(hào)，只需達(dá)到一節(jié)普通紐扣電池電壓。

反應(yīng)發(fā)生劑：SiO2

2NH4NO3（高溫、爆炸）=2N2？+O2？+4H2O

2NaN3（高溫、爆炸）=2Na+3N2？

4.2起爆的仿真與模擬

4.2.1對(duì)于玻璃結(jié)構(gòu)的分析

對(duì)于玻璃結(jié)構(gòu)，可分為三層，分別是內(nèi)側(cè)玻璃，夾膠層，外側(cè)玻璃。

日本豐田EPC汽車前擋玻璃采用PVB夾層玻璃。玻璃總厚度 4.76mm，其中上、下2層玻璃均為2mm，中間PVB夾層0.76mm。

設(shè)計(jì)預(yù)采用3層體單元結(jié)構(gòu)模擬前擋玻璃。

因而，整個(gè)小組的設(shè)計(jì)思路為先使用ug制作玻璃的模型，后導(dǎo)入workbench中調(diào)整材質(zhì)，模擬、仿真出玻璃的模型與性質(zhì)

Workbench參數(shù)設(shè)置：

Windows：

4.2.2爆炸的仿真

在workbench中模擬爆炸效果，求解反應(yīng)時(shí)間，計(jì)算沖擊力大小，并繪制變化曲線，與安全性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

4.3仿真模擬結(jié)果

4.4車身落水姿態(tài)的分析

在該模塊中，我們將選用球形傳感器配合分析落水汽車的姿態(tài)，進(jìn)而保證整個(gè)系統(tǒng)的安全與實(shí)用。

傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理： 車身姿態(tài)球形傳感器是由焊接在一起的 個(gè)空心金屬 半球與 個(gè)放置其中的短路實(shí)心金屬球構(gòu)成。汽車落水之 后，球形傳感器控制系統(tǒng)才開(kāi)始工作，此時(shí)汽車車身姿態(tài)會(huì) 發(fā)生改變，實(shí)心球在空心金屬球內(nèi)滾動(dòng)，其空間位置也會(huì)有 相應(yīng)改變。球形傳感器控制系統(tǒng)通過(guò)判斷實(shí)心球的空間位 置而確定當(dāng)前的車身姿態(tài)。 上下 個(gè)空心金屬半球的內(nèi)表面被平均劃分成 個(gè)區(qū) 域，分別被命名為位于下半球的第一、二、三、四象限與上半 球的五、六、七、八象限;每個(gè)象限又劃分成 個(gè)小區(qū)域，如 圖 所示;分別采用絕緣膠將每個(gè)小區(qū)域的表面與銅絲粘 結(jié)固定，各小區(qū)域中的銅絲之間留有合適的間距，匯集成 根導(dǎo)線引出連接至單片機(jī)電路，輸入為高電平，如圖 所 示;從空心金屬球面引出 根導(dǎo)線連接至單片機(jī)電路，輸入為低電平。

車身姿態(tài)確定方法 當(dāng)實(shí)心球滾到圖所示的第一象限，則表示汽車向右前方下沉;滾到第二象限，則表示汽車向左前方下沉;滾到第三象限，則表示汽車向左后方下沉;滾到第四象限，則表示汽車向右后方下沉;當(dāng)實(shí)心球滾到第五、六、七、八象限， 則表示汽車處于翻車狀態(tài)。實(shí)心球若滾到第一象限的z11區(qū)域，說(shuō)明車身向右側(cè)傾斜 0??～ 30??;若滾到z12或z13區(qū)域，說(shuō)明車身向右側(cè)傾斜 30??～60 °;若滾到z14或z15區(qū)域，說(shuō)明車身向右側(cè)傾斜 60??～90 °。

4.6仿真的結(jié)論

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，仿真與實(shí)驗(yàn)沖擊碰撞結(jié)果較為 一致的是出現(xiàn)了與實(shí)驗(yàn)類似的環(huán)狀及徑向裂紋。但仿真中尚有缺陷的是，一方面徑向裂紋較實(shí)驗(yàn)結(jié)果少; 另一方面實(shí)驗(yàn)中心位置出現(xiàn)了全局破壞，但仿真中并未完全體現(xiàn)。主要考慮兩方面原因： （ 1） 體單元模型較殼單元模型現(xiàn)象沒(méi)有那么明顯; （ 2） 與模型中失效時(shí)采用的單元?jiǎng)h除法有關(guān)。在接觸碰撞過(guò)程中，玻璃應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷了 3 個(gè)階段： 初始階段、臨界階段、產(chǎn)生裂紋后的階段。在不同階段實(shí)驗(yàn)和仿真，玻璃的應(yīng)力基本相同，但產(chǎn)生裂紋后兩者裂紋周圍區(qū)域 的應(yīng)力有所區(qū)別，不再一致。

究其原因，在實(shí)驗(yàn)中， 玻璃發(fā)生破壞時(shí)，破碎的玻璃被黏結(jié)在 PVB 模上，不同階段實(shí)驗(yàn)和仿真前擋玻璃的應(yīng)力對(duì)比應(yīng)力得以傳播。在仿真分析中，只要單元格滿足失效準(zhǔn)則時(shí)，即被直接刪除，其周邊的單元應(yīng)力也隨之急劇下降或者消失，應(yīng)力無(wú)法繼續(xù)傳播，造成難以產(chǎn)生完全一致的裂紋現(xiàn)象。

由此可知，本次設(shè)計(jì)的結(jié)果是較為可靠且安全的。

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作者簡(jiǎn)介：

王舒巖（1999——），男，漢，北京，籍貫北京，無(wú)職務(wù)，本科生，研究方向：車輛工程，單位：江蘇大學(xué)，單位所在省市：江蘇鎮(zhèn)江，單位郵編：212013