汽車遮陽(yáng)板被動(dòng)安全方案研究

王凱，王鑫，肖珊，鄒光亮

摘? 要：本文對(duì)傳統(tǒng)遮陽(yáng)板操作特性、工作原理及車輛碰撞時(shí)乘員頭碰校核進(jìn)行了分析，提出了一種將汽車遮陽(yáng)板納入整車被動(dòng)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過改進(jìn)遮陽(yáng)板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)增加電磁裝置并結(jié)合控制策略，確保當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)遮陽(yáng)板可以做出有利于乘員保護(hù)的動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：汽車遮陽(yáng)板;車輛碰撞;乘員保護(hù);翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);電磁感應(yīng);控制策略

中圖分類號(hào)：U463.83+9.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）04-0075-05

Research on The Passive Safety Scheme of Sunvisor

WANG Kai， WANG Xin， XIAO Shan， ZOU Guang-liang

（ Dongfeng Yanfeng（Shiyan）Automotive Trim Systems Co.Ltd， ShiYan 442000， China ）

Abstract： This paper analyzes the operation characteristics， working principle of the traditional sunvisor and check the passengers head impact when the vehicle collision. Then， the paper puts forward a design that the vehicle sunvisor should be embedded in the passive safety system of the whole vehicle. By improving the sunvisor turning mechanism， adding the electromagnetic device and combining with the control strategy， the sunvisor can make beneficial actions to protect passengers when the vehicle collision.

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛安全性的提升是行業(yè)內(nèi)爭(zhēng)相挑戰(zhàn)的重點(diǎn)課題，而被動(dòng)安全系統(tǒng)又是其中不可或缺的重要部分，傳統(tǒng)的被動(dòng)安全系統(tǒng)包含安全帶、安全氣囊、可潰縮車架、高強(qiáng)度車身等，而遮陽(yáng)板作為頂內(nèi)飾系統(tǒng)重要的組成部分，又是車輛發(fā)生碰撞時(shí)與乘員頭部接觸的高風(fēng)險(xiǎn)部件卻極少納入到被動(dòng)安全考慮范疇內(nèi)，尤其是遮陽(yáng)板中類似注塑骨架、鏡框、鏡蓋等樹脂部品及化妝鏡內(nèi)的反光玻璃在高速碰撞沖擊過程中極易產(chǎn)生破碎飛散和尖銳的棱邊，對(duì)乘員的頭部保護(hù)構(gòu)成極大的威脅，因此提出一種具備被動(dòng)安全性的遮陽(yáng)板設(shè)計(jì)方案對(duì)提升整車安全系數(shù)至關(guān)重要 。

1? ? 遮陽(yáng)板翻轉(zhuǎn)操作特性及其工作原理

遮陽(yáng)板的其中一項(xiàng)主要作用是為駕乘人員遮擋陽(yáng)光，防止眩光影響駕乘舒適性和安全性，通常由軸座、轉(zhuǎn)軸、本體、化妝鏡、掛鉤軸等組成，如圖1所示。

遮陽(yáng)板轉(zhuǎn)軸一端通過軸座連接安裝在車身鈑金上，另一端穿入遮陽(yáng)板本體內(nèi)，后者可以繞轉(zhuǎn)軸中心線做翻轉(zhuǎn)操作，動(dòng)作示意如下圖2，要求遮陽(yáng)板本體在前風(fēng)擋停留位置和自動(dòng)收納起始位置區(qū)間內(nèi)可以任意位置駐留，以滿足遮擋各種角度入射光線的需求，同時(shí)從自動(dòng)收納起始位開始到收納止位區(qū)間任意位置，遮陽(yáng)板本體具備自動(dòng)貼附頂棚的能力。

安裝在遮陽(yáng)板本體內(nèi)的卡簧由具備較大彈性模量的金屬材料（如65Mn）經(jīng)過沖壓折彎后再熱處理而成，轉(zhuǎn)軸穿入本體的部分與卡簧內(nèi)壁過盈配合，轉(zhuǎn)軸截面為圓形且在特定角度設(shè)計(jì)有檔位平面，結(jié)構(gòu)示意如下圖3，當(dāng)本體帶動(dòng)卡簧繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，卡簧通過變形提供夾持力和反作用力，保證遮陽(yáng)板本體在收納區(qū)域內(nèi)能夠自動(dòng)貼附頂棚，在駐留區(qū)域內(nèi)可以任意位置保持姿態(tài)。

其中在駐留區(qū)域內(nèi)，遮陽(yáng)板本體保持姿態(tài)是依靠卡簧和轉(zhuǎn)軸的夾持力來克服自身重力，同時(shí)要防止本體因車輛在通過顛簸路段時(shí)的慣性（按照2.2G加速度計(jì)算）而滑落，造成遮陽(yáng)板功能失效且有一定的安全隱患，卡簧提供的夾持力矩設(shè)計(jì)需與遮陽(yáng)板本體尺寸和自重匹配，一般設(shè)計(jì)范圍在75N.cm-130N.cm之間 。

2? ? 傳統(tǒng)遮陽(yáng)板在車輛發(fā)生碰撞時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)遮陽(yáng)板本體保持在車體垂直和自動(dòng)收納起始位區(qū)間任意位置時(shí)，如果車輛發(fā)生正面碰撞，駕乘人員在慣性作用下軀體前傾，頭部有很大概率碰撞到遮陽(yáng)板本體，如圖4所示。一方面當(dāng)遮陽(yáng)板本體采用注塑骨架結(jié)構(gòu)尤其是匹配PVC表皮時(shí)，本體質(zhì)地非常堅(jiān)硬，另一方面安裝在遮陽(yáng)板本體上的化妝鏡在高速?zèng)_擊過程中內(nèi)部玻璃鏡片極易破碎，會(huì)產(chǎn)生鋒利的碎片飛濺。以上兩個(gè)因素對(duì)乘員保護(hù)構(gòu)成重大威脅。

傳統(tǒng)的遮陽(yáng)板在開發(fā)階段為規(guī)避上述問題，要求遮陽(yáng)板本體要具備較強(qiáng)的抗沖擊強(qiáng)度，并通過頭碰沖擊試驗(yàn)循環(huán)驗(yàn)證，如下圖5所示：

耐沖擊遮陽(yáng)板本體不僅對(duì)材料工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，試驗(yàn)費(fèi)用同樣高昂，而且不能從根本上改善當(dāng)車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)駕乘人員軀體前傾頭部與遮陽(yáng)板本體撞擊造成的沖擊傷害。

3? ? 遮陽(yáng)板被動(dòng)安全方案構(gòu)思

針對(duì)傳統(tǒng)汽車遮陽(yáng)板在車輛碰撞時(shí)對(duì)乘員造成傷害的潛在風(fēng)險(xiǎn)，可以參考其它具備被動(dòng)安全功能部件的設(shè)計(jì)思路，如當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)方向盤及立柱內(nèi)置的安全氣囊會(huì)彈出，可有效保護(hù)乘員軀體重要部位免受強(qiáng)烈撞擊，轉(zhuǎn)向柱支架在受到一定程度的沖擊時(shí)在設(shè)定區(qū)域可以潰縮，防止駕駛室變形后方向盤擠壓駕駛員上軀，我們也可以賦予遮陽(yáng)板具備被動(dòng)安全的功能，即當(dāng)監(jiān)測(cè)到車輛發(fā)生碰撞后，遮陽(yáng)板能及時(shí)做出有利于駕乘人員頭部保護(hù)的動(dòng)作。

前面簡(jiǎn)單介紹了遮陽(yáng)板翻轉(zhuǎn)操作的工作原理，主要是依靠遮陽(yáng)板本體內(nèi)置的卡簧與轉(zhuǎn)軸過盈配合造成卡簧變形，通過卡簧彈性形變提供的夾持力來保證本體在駐留區(qū)域任意位置維持姿態(tài)，以上成立的條件是轉(zhuǎn)軸相對(duì)車身是靜止不動(dòng)的，而遮陽(yáng)板本體相對(duì)轉(zhuǎn)軸是可繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的。此時(shí)翻轉(zhuǎn)本體需要外力去克服卡簧輸出的夾持力，也就是說如果此刻車輛發(fā)生碰撞，乘員頭部撞擊到遮陽(yáng)板本體會(huì)有一定的反向沖擊力施加在乘員頭部。若在車輛碰撞瞬間阻斷轉(zhuǎn)軸與車身的軸向聯(lián)接，卡簧與轉(zhuǎn)軸配合輸出的夾持力無法傳遞到相對(duì)靜止的車身上，卡簧也無法獲得反作用力，相當(dāng)于遮陽(yáng)板本體在繞旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)幾乎沒有阻力，那么遮陽(yáng)板本體會(huì)在重力和慣性的作用下即刻繞旋轉(zhuǎn)軸線做下擺運(yùn)動(dòng)，大大減小了乘員頭部與遮陽(yáng)板本體的碰撞區(qū)域和碰撞夾角，甚至在慣性作用下遮陽(yáng)板本體能繞旋轉(zhuǎn)線向前風(fēng)擋方向擺動(dòng)可以避開乘員頭部的撞擊，即使發(fā)生了碰撞，由于本體繞旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)幾乎沒有阻力，作用在乘員頭部的反向沖擊力也會(huì)大大減小，這些對(duì)乘員頭部的保護(hù)都是非常有幫助的。

4? ? 遮陽(yáng)板被動(dòng)安全方案設(shè)計(jì)

遮陽(yáng)板被動(dòng)安全方案是在傳統(tǒng)遮陽(yáng)板轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，通過增加機(jī)電裝置在以車輛碰撞傳感信號(hào)作為輸入源之一的電子控制單元驅(qū)動(dòng)下，保證遮陽(yáng)板本體在車輛正常行駛時(shí)可以做常規(guī)翻轉(zhuǎn)遮蔽眩光，而當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)遮陽(yáng)板能及時(shí)做出動(dòng)作響應(yīng)可以最大程度保護(hù)乘員。

4.1? ?遮陽(yáng)板被動(dòng)安全控制策略

遮陽(yáng)板被動(dòng)安全動(dòng)作響應(yīng)只有在同時(shí)具備兩個(gè)條件時(shí)才能觸發(fā)，分別是遮陽(yáng)板本體需停留在設(shè)定的駐留區(qū)間內(nèi)，通過傳感器監(jiān)測(cè)和電控單元對(duì)輸入信號(hào)的運(yùn)算分析能夠判斷出車輛發(fā)生了有效碰撞，控制流程如下圖6所示：

4.2? ?電子控制單元輸出指令

電子控制單元（ECU）是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，輸入源為車輛碰撞識(shí)別信號(hào)和遮陽(yáng)板停留位置識(shí)別信號(hào)，車輛碰撞信號(hào)源可采用安全氣囊爆破觸發(fā)信號(hào)，碰撞發(fā)生時(shí)，碰撞傳感器檢測(cè)碰撞信號(hào)的強(qiáng)弱程度，輸入給電子控制單元，后者綜合其它碰撞傳感器信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算來決定是否輸出觸發(fā)信號(hào)，近年來國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)也在圍繞非安全氣囊點(diǎn)火觸發(fā)的車輛碰撞識(shí)別信號(hào)的研究工作，如車輛碰撞自救系統(tǒng)（ACN）通過ECU采集車輛B柱和中通道布置的車輛加速度傳感器經(jīng)過最優(yōu)的觸發(fā)算法分析可以提高車輛碰撞的辨識(shí)精度。

在遮陽(yáng)板本體內(nèi)固定觸點(diǎn)行程開關(guān)，并在轉(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)一段非對(duì)稱的圓弧結(jié)構(gòu)，后者通過設(shè)計(jì)匹配與觸點(diǎn)行程開關(guān)接觸配合，當(dāng)遮陽(yáng)板本體處于駐留區(qū)域內(nèi)時(shí)觸點(diǎn)開關(guān)被轉(zhuǎn)軸壓縮電路導(dǎo)通，當(dāng)遮陽(yáng)板本體處于自動(dòng)收納區(qū)域時(shí)觸點(diǎn)開關(guān)與轉(zhuǎn)軸無接觸，電路中斷，以此方式電子控制單元可以采集遮陽(yáng)板停留位置的識(shí)別信號(hào)。

電子控制單元在接收以上兩個(gè)信號(hào)后通過設(shè)定的邏輯算法進(jìn)行決策處理，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出驅(qū)動(dòng)指令。

4.3? ?機(jī)電裝置執(zhí)行指令

方案中轉(zhuǎn)軸由兩部分樹脂結(jié)構(gòu)（材料一般為PA6-GF30）轉(zhuǎn)軸A和轉(zhuǎn)軸B構(gòu)成，兩者內(nèi)部貫穿有金屬管，金屬管與轉(zhuǎn)軸A在注塑時(shí)一體成型，兩者不能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而金屬管與轉(zhuǎn)軸B裝配時(shí)預(yù)留0.05-0.1mm間隙，轉(zhuǎn)軸B可繞金屬管軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸A通過軸座與車身鈑金安裝固定，轉(zhuǎn)軸B與遮陽(yáng)板本體內(nèi)的卡簧配合產(chǎn)生夾持力，轉(zhuǎn)軸A與轉(zhuǎn)軸B之間通過一段永磁材料的套管進(jìn)行聯(lián)接，其中轉(zhuǎn)軸B與套管為軸孔配合，配合截面為多邊形，保證二者只能在軸向相對(duì)移動(dòng)，而不能發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁性套管在彈簧作用下與轉(zhuǎn)軸A采用漸開線型齒接方式聯(lián)接，此結(jié)構(gòu)可以保證卡簧與轉(zhuǎn)軸B配合產(chǎn)生的作用力能夠通過轉(zhuǎn)軸A傳遞到車身鈑金上，實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)板在車輛非碰撞時(shí)的翻轉(zhuǎn)操作，結(jié)構(gòu)示意如下圖7、圖8所示：

作為執(zhí)行器的機(jī)電裝置實(shí)際上是在轉(zhuǎn)軸A內(nèi)套入導(dǎo)電螺線管，在收到電子控制單元驅(qū)動(dòng)指令后通電（保持2s左右即可），利用電磁效應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的磁性套管沿軸線滑動(dòng)，使套管和轉(zhuǎn)軸A脫離齒接，如下圖9所示。導(dǎo)電螺線管置入轉(zhuǎn)軸A內(nèi)可以采用一體注塑成型的工藝，在轉(zhuǎn)軸外表面嵌入2個(gè)圓弧型的導(dǎo)電金屬片，分別與螺線管的兩端連接，采用電刷接觸的方式給螺線管導(dǎo)電。

為保證螺線管通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布均勻集中且能最大程度的轉(zhuǎn)換為電磁排斥力，方案中金屬管應(yīng)選用非鐵磁材料如高強(qiáng)度鋁合金，而套管則應(yīng)該選用永磁性材料，轉(zhuǎn)軸A與套管齒接面的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以用單層螺線管軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式得出：

式中，I ：勵(lì)磁電流;l ：螺線管長(zhǎng)度;n1 ：螺線管單位長(zhǎng)度上的匝數(shù);r：螺線管半徑;z ：螺線管中心距齒接面距離。

設(shè)計(jì)過程中我們可以調(diào)整以上參數(shù)獲取不同的磁場(chǎng)作用力，保證其能抵消彈簧給套管的反作用力，使后者能沿軸向運(yùn)動(dòng)脫離與轉(zhuǎn)軸A的齒接，等同于轉(zhuǎn)軸B斷開了與轉(zhuǎn)軸A的軸向聯(lián)接，使卡簧與轉(zhuǎn)軸B配合產(chǎn)生的夾持力無法傳遞到車身鈑金上，反之遮陽(yáng)板本體與卡簧也無法獲得阻礙其繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的反作用力，相當(dāng)于車輛發(fā)生碰撞時(shí)乘員頭部撞擊遮陽(yáng)板本體受到的反向沖擊力大大減小。

5? ? 結(jié)論

本文介紹了傳統(tǒng)汽車遮陽(yáng)板在車輛碰撞時(shí)對(duì)乘員造成傷害的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合其工作原理創(chuàng)新型的提出了一種遮陽(yáng)板被動(dòng)安全方案，闡述了設(shè)計(jì)思路和主要的實(shí)施方案，通過整合車身電子控制單元和車輛碰撞傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等資源，巧妙的應(yīng)用了電磁機(jī)構(gòu)使遮陽(yáng)板在車輛發(fā)生碰撞時(shí)及時(shí)做出有利于乘員保護(hù)的動(dòng)作響應(yīng)，對(duì)未來整車安全性的提高有著重要意義。

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王? ?凱

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于東風(fēng)延鋒（十堰）汽車飾件系統(tǒng)有限公司，從事汽車內(nèi)飾產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)工作，獲得多項(xiàng)實(shí)用新型專利授權(quán)，一項(xiàng)東風(fēng)公司核心級(jí)專有技術(shù)，作為主要參與人獲得東風(fēng)公司科技成果二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。