汽車防沉氣囊的設(shè)計與研究

錢 海 傅院霞

(蚌埠學院理學院，安徽 蚌埠 233030)

隨著近些年汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車進入了越來越多的中國家庭，其安全性更是備受社會關(guān)注。在眾多的交通事故中，汽車落水事故致死率相對其它交通事故而言比較大。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年會發(fā)生300余起關(guān)于汽車落水的事故，然而車內(nèi)被困人員獲救率卻不到10%[1-2]。因此，該項設(shè)計從被困人員的角度出發(fā)，汽車防沉氣囊利用撞擊水面的壓力，使裝置觸發(fā)，將汽車浮于水面，達到保護被困人員的作用。

1 汽車防沉氣囊的工作原理

汽車防沉氣囊采用了壓力傳感技術(shù)、氣囊快速充氣技術(shù)、控制和發(fā)生裝置等裝置。其基本原理是在汽車落水的一瞬間，壓力感應(yīng)裝置探測到汽車撞擊水平面時產(chǎn)生的巨大的撞擊力，通過電子控制單元處理傳感信號，并對是否需要點爆氣囊做出判斷，當汽車防沉氣囊中的氣體發(fā)生裝置接收到由電子控制單元輸入的點爆信號時，電子控制單元就會立即點爆氣囊，瞬間產(chǎn)生大量氣體，通過氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生的氣體的浮力，以及氣囊膨脹所排開的周圍水的體積使汽車從水中浮起，從而增加人們獲救的時間和可能性[2]。

2 汽車防沉氣囊組成結(jié)構(gòu)

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器是指能夠?qū)⑵嚨乃軌毫崟r地轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電流信號的儀器。壓力傳感器以一個可以產(chǎn)生變形的精密元件為基準，設(shè)置一定程度的彈性形變量為觸發(fā)點。當壓力產(chǎn)生的彈性形變和電壓量達到觸發(fā)點的啟動位置時，壓力感應(yīng)器就會判斷該車掉入水中并迅速給電子控制系統(tǒng)發(fā)出一個電信號，使電控裝置迅速開啟并激發(fā)汽車防沉氣囊點爆裝置讓氣體發(fā)生器開始工作，并向氣囊內(nèi)充氣。當汽車防沉氣囊工作時，壓力感應(yīng)信號需要由電壓信號轉(zhuǎn)換為可用的電流信號。電壓信號主要是由壓阻式壓力傳感器轉(zhuǎn)換而來，產(chǎn)生的電壓信號比較微弱；電流信號則為4～20mA標準的電流信號，它是由電壓信號經(jīng)差分放大器處理后，再由變送芯片轉(zhuǎn)換而來的。電流信號通過線路來進行遠距離的信號傳輸，緊接著傳送到主機端，然后再由主機端通過內(nèi)部電阻來將電流信號進行轉(zhuǎn)換，成為電壓信號[3]。由此得到的電壓信號還需要被轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，這個是由A/D轉(zhuǎn)換器來完成的。數(shù)字信號再經(jīng)由單片機程序的處理及相關(guān)變換后便可以得到實際的壓力信號。

2.2 汽車防沉氣囊的電子控制器和氣體觸發(fā)器

電子控制器將通過運用單片機來進行相關(guān)程序的書寫。首先需要選取一個51單片機，將相關(guān)的觸發(fā)程序和一些子程序來寫入單片機的ROM之中。將把壓力傳感器的信號傳出接口接到單片機的輸入端口。當壓力傳感器中由于壓力過大產(chǎn)生電壓和電流進入到單片機中時，會引起單片機內(nèi)本身的狀態(tài)發(fā)生改變。單片機會從它的記憶存儲“容器”ROM中找到要執(zhí)行的命令，接收到命令后分析是否需要進行程序的運行，最后按照相應(yīng)程序的內(nèi)容來進行相應(yīng)的執(zhí)行。

氣體的發(fā)生裝置與單片機輸出端相連，氣體的發(fā)生器主要包括了電子感應(yīng)器、化學反應(yīng)原料以及細小的點火裝置。當電子感應(yīng)器被開關(guān)打開后，控制線路立即處于產(chǎn)生氣體的工作狀態(tài)，此時對于汽車落水是否而產(chǎn)生的足夠大的壓力信號進行判定[4]。若探測回路對信號的判定達到了汽車防沉氣囊的開啟條件，則點火裝置會快速地啟動，點爆器在接收到氣體發(fā)生裝置電源所發(fā)出的電流信號后會進行瞬時加熱，將氮化鈉等化學劑快速點燃。快速的化學反應(yīng)會瞬間產(chǎn)生大量的穩(wěn)定氣體，這種混合氣體的主要成分是氮氣和一些其它比較穩(wěn)定的氣體組成，氣體對汽車防沉氣囊進行充氣，直至充滿[5]。同時氣體在擴張時具有強大的擠壓力，汽車防沉氣囊在充氣膨脹的同時可以擠開周圍大量的液體，最終展開至內(nèi)外壓力相對來說比較穩(wěn)定的狀態(tài)可以膨脹到的最大體積狀態(tài)。

2.3 汽車氣囊

首先，不是所有的材料都適用于充當汽車的防沉氣囊，對汽車防沉氣囊有以下要求：(1)選擇的材料需要具有完全的密封性，可以保證在充氣的同時不會釋放氣囊中所產(chǎn)生的氣體。(2)需要用比較好的防水材料，防止氣囊由于吸水而產(chǎn)生多余的重量和由于吸水而導致氣囊充氣體積變小，從而無法使汽車成功地浮于水面。(3)這個氣囊需要一定程度的彈性空間和柔軟性，可以保證在充氣過程中容納更多的氣體，可以讓車浮在水面上的時間加長。柔軟性是防止氣體過多導致氣囊爆炸從而造成更多的損傷。

2.4 電源

汽車防沉氣囊和普通的安全氣囊一樣，同時擁有蓄電池和發(fā)動機的一套電源，和一個備用手動遙控器可以直接引發(fā)氣體發(fā)生器的一個直接控制電源。當汽車掉入水中時，可能會由于進水而導致的電源失靈狀況，應(yīng)該將電源包裹上相應(yīng)的防水材料和散熱材料，為汽車防沉氣囊的打開提供更多的時間，提高汽車防沉氣囊的安全性。

3 汽車防沉氣囊觸發(fā)流程

汽車防沉氣囊觸發(fā)流程如圖1所示。

圖1 汽車防沉氣囊觸發(fā)流程圖

4 汽車防沉氣囊的安裝與測試

汽車防沉氣囊所安裝的不同位置和不同的數(shù)量會導致不同的結(jié)果。我們給出了以下的2種情況來適用于不同的情況和車輛。

第1種：將6個汽車防沉氣囊置于不同的位置，來達成車輛穩(wěn)定地浮于水面之上。這里，我們需要使用2個較大的氣囊分別置于汽車的頭部與尾部下面，另外4個分別置于靠近車輪的位置，6個氣囊將會同時充氣，將汽車平穩(wěn)地停在水面上。

第2種：將一個巨大的汽車防沉氣囊置于汽車的尾部，在汽車防沉氣囊迅速膨脹時，將汽車頭部插入水中，浮起車尾，車內(nèi)人員就可以利用后備箱來逃生。大部分車型都會設(shè)有后備箱逃生通道，由于后備箱逃生通道的開關(guān)是機械裝置的，不需要通電。因此，我們就不用擔心由于車子進水了，后備箱的逃生通道由于電路進水發(fā)生問題而無法正常使用。這時我們可以通過后備箱的通道進入到車輛的外面，人們可以大聲呼救，或者可以通過一些其它方式來拯救自己。

汽車防沉氣囊需要大量的不同車型的實驗，首先，需要用載人量較大的公交車來進行測驗，在公交車的實驗中我們使用第一種方法，但是需要增加安全氣囊的數(shù)量。由于公交車上空間和本身體積較大，可以打開燈來引起注意。

對于小轎車以及其它的家用型小型車輛，我們既可以使用第1種，對于可以在車內(nèi)手動打開后備箱的車輛，我們可以使用第2種方法。

5 結(jié)語

本文認為汽車防沉氣囊在將來的車輛上會成為和汽車安全氣囊一樣實用、一樣普及安裝的產(chǎn)品。在目前的社會中，人們已經(jīng)脫離了貧困階段，他們對于生活的需求和安全性會提出更高的要求，以此來保護他們正常的出行。本文相信，在將來的汽車落水事故中，如果車輛安裝了汽車防沉氣囊，將會為救援人員提供更多的救援時間。同時，落水的人們可以通過自己的能力來保護或救援自己。

要牢記爭分奪秒的理念，這是實施下一步實際行動前所必要的心理素質(zhì)，在生命面前一定不能猶豫。因為不管是2t重的大SUV還是重不過1t的小型車，根據(jù)密封情況不同，車輛下沉速度雖然不一樣，但是入水的時間差距不會很大，都是幾十秒到幾分鐘的事。所以當汽車開始下沉時一定要動作迅速，不能因為安裝了汽車防沉氣囊而心存僥幸，要利用爭取來的時間，為自己多提供一份保障。