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：隨著交通的現代化的發展，交通運輸發展突飛猛進，使道路的交通安全形勢持續嚴峻，安全成為一個必不可少的話題。交通運輸的發展帶動汽車的飛速發展，對于汽車防溺水裝置既是機遇也是挑戰。汽車防溺水裝置是汽車在落入水中時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，其闡述了結構組成和工作原理。當汽車落水且水位危及到車內人員生命安全時，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間內傳遞給水上安全氣囊系統的控制電腦，使氣囊充氣。從而起到保護人們生命安全的目的。

關鍵詞：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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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

每年都有因為汽車掉進水里人被淹死的事故發生，而且溺水事故死亡的人數占比40%。

2020年7月7日，貴州省安順市西秀區有一輛公交車落水。這輛公交車從安順火車站駛向客車東站途中，汽車沖破石護欄從高處墜入湖中。從事故發生到救援結束，在這起碰撞事故和溺水事故疊加之下，使救援現場情況變得非常復雜，潛水作業難度也很大。相關部門組建的專業救援隊，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生溺水事故時自動施救和求救以減少傷亡事故發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，氣囊可分離當救生氣囊使用，當汽車落入水中后，根據壓力傳感器傳來的信號，觸發安全氣囊感應裝置，控制器自動打開氣體發生器，氣體發生器點火爆發氣體，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。控制器接收并反饋傳感器感受的水壓信號，氣體發生器發生化學反應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動并浮出水面，同時，讓車內有足夠大的空間供車內人員自救，從而有相對較充足的救援時間等待救援。

2? 組成結構

汽車水上安全救生裝置的組成結構包括以下幾個部分：耐壓浮力氣囊、智能化的中央控制器、手動破窗彈簧裝置、壓力感應裝置、氣體發生器、擴散硅壓力傳感器。其各組成位置：在車門的中間的位置安裝耐壓浮力氣囊、氣體發生器。智能化的中央控制器安裝在汽車發動機機殼后輪廓處，壓力感應裝置安裝在車前擋風玻璃處，位置與各車門的擴散硅壓力傳感器相連。當汽車落水且水深危及到車內人員的生命安全時，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間內傳遞給水上安全救生系統的電控單元，然后電控單元控制氣囊前端的氣體發生器，從而使氣囊完成充氣，達到汽車漂浮在水面的目的。

2.1 耐壓浮力氣囊

在車門外側中間位置裝氣囊彈出裝置，在四個車門外側安裝氣囊，如圖1所示，發生落水時，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，并能在水下長時間維持，使用汽車有足夠的時間浮出水面，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）氣囊參數計算：

汽車落水后，假設汽車、乘客和行李自重量為1500kg，輪胎作為一個長方體計算體積（50cm×20cm），即四個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，這就導致了汽車和乘員的重力，應承受的浮力至少應為23000N，那么氣囊的排水體積至少為2.4m3，及每個氣囊大概排水0.6m3。每個氣囊總的要求至少是2000N，根據浮力公式：F浮=ρ液v排g，那么每個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，所以應該車頭兩個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中，主要控制耐壓浮力氣囊的點火，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，當汽車落水后，壓力傳感器接受落水信號，中央控制器控制發出啟動信號，氣體發生器接收啟動信號后點爆氣體發生器，使浮力氣囊進入工作狀態。

中央控制器不僅要反應快還要反應準確。而在信息飛快發展的今天，現代化的智能信息處理系統也要得到廣泛的應用。智能化的處理系統會系統性的對傳感器傳遞過來的信息加以分析處理，從而更加準確迅速做出判斷。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，可以手動控制氣體發生器的啟動，使氣囊補充氣體，手動開關裝在耐壓浮力氣囊與車門內部之間靠近控制車窗的電路中。

本中央控制器系統在壓力傳感器外面加一個防護罩，此防護罩采用柱形結構，上下兩個柱面采用兩個截面結構，水從防護罩中的空隙位置流入，以便經得起逐次緩沖，減少傳感器在汽車落水時受到的巨大壓力，此柱側面采用的是封閉型的結構。

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，同時汽車車內的壓強小于外部壓強，需要對著汽車玻璃敲擊多處，車門窗開啟，保證在第一時間安全逃生。

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，殼體上滑動設置有導向柱，導向柱一端固定拍打手柄，另一端緊固連接打擊頭，所述導向柱上套設復位彈簧，復位彈簧一端頂緊于拍打手柄上，另一端頂緊于殼體表面，導向柱與安裝支架側部表面垂直。

2.4 壓力感應裝置

感應裝置為氣壓感應器，可以感應處于當前狀態的壓力，必要時也可以顯示浮力氣囊的壓力。能自動分析所處狀態并處理數據傳送到汽車儀表盤。

2.5 氣體發生器

安全氣囊起到對駕駛員的保護作用，汽車掉入水后，由中央控制器下達的點火命令觸發氣體發生器，氣囊內化學物質在短時間內爆炸，快速向氣囊充氣，使汽車浮起。

氣體發生器的重要特性指標：單位時間內產生的氣體的總量和受到的壓力及溫度，本發生裝置才用的是爆破氣囊， 反應物是疊氮化鈉，受撞擊或受（燃）引發快速熱分解反應：100g疊氮化鈉可產生50l氮氣，反應時間小于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氣。其化學反應速率快、高放熱、高體積氣體，也給氣囊提供瞬間充氣的需要。于是，當發生交通落水事故時，本裝置的反應器觸發疊氮化鈉快速分解，給安全氣囊充氣。

2.6 擴散硅壓力傳感器

擴散硅壓力感應器在落水過程中，接收到落水的壓力，并向中央控制器發出電信號。擴散硅壓力傳感器工作原理：基于壓阻效應，將被測介質壓力直接作用到傳感器膜片，使膜產生微位移，與介質壓力成正比，使傳感器電阻值變化，利用電子線路對此進行檢測，并轉換產生一個與該壓力相對應的標準量度信號，擴散硅壓力傳遞。感器位于汽車門上方，并在安裝在四個擴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個電源，即系統裝有獨立電源和汽車電源，獨立電源電路牽引供電系統的外部供電電源，由控制電路和若干電容器組成。獨立電源安裝在中央控制器位置，獨立電源為兩節12V聚合物鋰電池。

獨立電源當汽車的備用電源使用，面對汽車發生落水導致汽車電源短路時， 備用電源電路自動斷開與汽車電源裝置的連接，讓獨立電源充當汽車電源。即在汽車落水時間內維持氣囊裝置的單側供電，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，確保中央控制系統和氣體發生器的正常工作。

3? 結語

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故障而導致汽車掉入水里。面對這種突發事故，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。

我們這個新型汽車防溺水安全救生裝置就是通過整合當前已經存在的單一救援裝置并且加以改進創新，使其成為一套完整的安全救生系統，對于不能迅速得到救援的落水車輛有非常重要的現實作用。經過以上相應分析，相信本系統的可行性還是相當高的，歸根結底，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

[1] 百度百科：壓力傳感器（http：//baike.baidu.com/view/54664.htm）浮力氣囊：（http：//baike.baidu. com/view/241355.htm） .

[2] 劉衛昌.汽車落水自動浮起和扶正系統控制系統設計研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[3] 何蓉. 汽車側面簾式氣囊的研究[D].成都：西華大學，2014.

[4] 蔡增星，應向偉.汽車發動機防進水與浮力逃生系統[J].科技通報，2015，31（11）：256-260.

[5] 彭桂林.耐高壓漂浮救生氣囊的結構設計及節流降溫分析研究[J].低溫與超導，2017，45（9）：84-87.

[6] 呂錳濤，婁資豪，何夢圓，等.汽車水上安全氣囊裝置研究[J].內燃機與配件，2019（17）：99-101.

[7] 王仰江，劉偉，姚興勇.關于防溺水汽車浮力裝置的研究[J].自動化與儀器儀表，2019（4）：30-33.

[8] 鄭賢松，代偉.探究浮力產生的原因及影響因素實驗裝置改進[J].中學物理，2020，38（4）：16-17.