汽車落水輔助救生裝置設計

王舒巖 謝越 龔琦森

摘要：本設計意在提高汽車總體安全性，在落水之后得以迅速逃生，為拯救生命財產安全提供時間。整體的設計思路為：通過傳感器判斷汽車狀態，并上傳至ECU判斷落水情況，若判斷為落水，則通過嵌入于前窗玻璃內部的低烈度爆破裝置破壞前窗，打開逃生通道，創造逃生空間，同時在車身周圍展開氣囊，減緩下沉速度，爭取時間。

關鍵詞：汽車、落水、救助、裝置

一、緒 論

1.1研究背景和目的

1.1.1汽車落水的調查與數據

全球每年因交通事故導致的死亡人數為125萬，其中是由車輛落水導致的溺亡人數高達11.1萬;2018 年 10 月28 日，重慶市萬州區大橋便有公車處乘客與司機發生爭執導致汽車落水而造成多達 15 人死于非命;2018 年 10 月28 日，重慶市萬州區大橋便有公車處乘客與司機發生爭執導致汽車落水而造成多達 15 人死于非命。

在汽車落水事件中，有效的自救時間在30-120s左右。由于不了解如何自救而錯過時間導致溺亡的比例約為70%。

由此可見，對于車輛落水后，知識的普及和技術的改進刻不容緩。

1.1.2研究目的

該設計的主要研究目的在于解決車輛落水后的救援問題。

一方面，汽車落水的情況較為少見，應對的策略普及率比較低，相對而言危險性也較高，而此設計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化操作，比手動操作更加可靠，安全性更高，避免由于駕駛員誤操作帶來的負面影響;同時可以避免在事故中因慌亂而無法有效的逃生。

1.2國內外研究現狀

1.2.1國外對于汽車落水的研究

當前，國外對于汽車涉水的均有所開發研究，主要集中于水陸兩棲車輛，較為廣泛的應用于軍事、運輸領域。如軍用物資的運輸邊防嚴酷環境的執勤巡邏，救災救難，探測等專業領域。兩棲汽車暫時沒有較大進展，其原因大部分為成本過高且技術不成熟。

1.2.2國內對于汽車落水的研究

鑒于國內汽車落水事故頻發，國內已有相關研究針對汽車落水后的救助：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于破窗來進行。

1.3研究內容和研究方法

1.3.1研究內容

此次研究主要內容針對在汽車落水后，通過各種傳感器以及ECU的配合實現破壞前擋風玻璃，通過車周身氣囊減緩下沉速度，進而打開求生通道，創造求生空間，爭取救生時間。

在研究中主要需要研究的問題在于：

一方面，該裝置要具有足夠的可靠性。在水中，大部分電路機構可能無法及時運行的情況下，要能夠及時準確的進行響應。

另一方面，設備要具有足夠的安全性。我們計劃采用低烈度爆炸的方式破壞前擋風玻璃，因此要確保爆炸后玻璃碎片以及爆炸本身不能對人身造成傷害。在該要點中，我們打算使用虛擬仿真進行選擇和測試。

1.3.2研究方法

1.文獻研究法：通過閱讀，引用，參考文獻來完成研究。

2.跨學科研究法：通過各個不同的學科交互知識來解決問題。

3.虛擬仿真法：通過虛擬仿真來模擬場景和結果，以此挑選出最佳材料和設計方案。

1.4研究難點以及創新點

本次研究的難點主要在于：

需要將各個傳感器的功能建立聯系，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發生劑，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，提高經濟性。對于仿真平臺的學習。

本次研究的創新點在于：使用多數自動化的設計替代手工操作，提高了可靠性，響應速度和準確性。

二、需求和功能分析

2.1需求分析

本設計需要準確判斷車輛落水狀態，在可能短的時間內做出準確的響應。

同時，對于裝置的響應必須要考慮到安全性，其中包括在響應時的安全以及啟動裝置條件的安全性。

2.2功能分析

對于該裝置的設計，需要滿足將傳感器的功能對應串聯，保證信號有邏輯地輸出;同時準確判斷車輛落水狀態，不能出現誤判和無響應的情況;對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求生通道的作用，也要規避爆炸對于人體的傷害。而對于氣囊，要保證及時啟動、響應。

2.3可行性分析

設置一個中央處理器集合于汽車的 ECU 內，對該處理器的算法、結構進行研究，得出更準確、高效的中央處理系統。預設多種初始的破門方案，通過實驗、實踐，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。

從目前對汽車落水事故的救助和保護方案來看，國內外都已存在：利用安全氣囊來延緩汽車落水增加救助時間的裝置及通過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，如前者并沒有直接打開逃生通道只是增加逃生時間，后者需要從內部打開后備箱，而現有汽車尤其是私家車并沒有全部在內部安裝后備箱內部打開裝置，所以需要單獨設立后備箱打開機制，這便造成一定的實用困難。

國外某公司也曾使用某些技術或使用新型材料對車門進行專門改造使得車門可以在特殊情況下仍能開啟;國內有高校也曾研究汽車落水的自動浮起和扶正控制系統;但無論是國外對車門的特殊改造和新型材料使用還是國內的系統研發都無可避免的遇到了成本較高難以大量普及的問題。

此項目基于可行性、推廣性、獨特實用價值和廣闊市場潛力開展調查研究。

三、裝置的電路設計

在本次裝置的設計中，需要將三個傳感器信號綜合作用后引爆，經過設計，得出如下電路：

四、裝置的設計

4.1技術路線

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，當汽車點火信號，和車速傳感器高速行駛信號，水位信號，壓力沖擊信號，共同傳輸至 ECU 時準確第一件時間判斷汽車落水情況，判斷落水后 ECU 處理信號，放大信號由輸出端將信號傳遞至與前擋風玻璃，四角嵌入定向型，低烈度爆破裝置，啟動爆破使玻璃碎裂。

4.1.1傳感器的設計與使用

壓力傳感器：傳感器安裝在汽車進風口下，當車體沖入水面，外部水流沖擊積水盤，使擊水盤關閉并拍擊集液器內積水，形成水錘效應，產生較大壓力經過取液孔沖擊內部壓力傳感器產生壓力信號。

這樣，一方面可以保證壓力傳感器工作順利，可以精確反應當車輛沖入水面時的劇烈程度;另一方面，傳感器的安裝位置和檢測效果、精度，可以保證幾乎很少會有其他液體進入的情況，保證了傳感器工作的安全與準確。

水位傳感器：水位傳感器安裝于車體頂部，當水位高度超過車身 2/3 高度時水液進入傳感器內部使浮球上升，產生水位信號，判斷車身淹沒程度，防止由于下雨環境或其他路面積水環境使得錯誤判斷汽車是否落水。

4.1.2起爆裝置的設計與選用

低烈度爆炸裝置：

電爆管：由 ECU 控制信號，只需達到一節普通紐扣電池電壓。

反應發生劑：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對于玻璃結構的分析

對于玻璃結構，可分為三層，分別是內側玻璃，夾膠層，外側玻璃。

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。

設計預采用3層體單元結構模擬前擋玻璃。

因而，整個小組的設計思路為先使用ug制作玻璃的模型，后導入workbench中調整材質，模擬、仿真出玻璃的模型與性質

Workbench參數設置：

Windows：

4.2.2爆炸的仿真

在workbench中模擬爆炸效果，求解反應時間，計算沖擊力大小，并繪制變化曲線，與安全性指標進行對比。

4.3仿真模擬結果

4.4車身落水姿態的分析

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，進而保證整個系統的安全與實用。

傳感器結構與工作原理： 車身姿態球形傳感器是由焊接在一起的 個空心金屬 半球與 個放置其中的短路實心金屬球構成。汽車落水之 后，球形傳感器控制系統才開始工作，此時汽車車身姿態會 發生改變，實心球在空心金屬球內滾動，其空間位置也會有 相應改變。球形傳感器控制系統通過判斷實心球的空間位 置而確定當前的車身姿態。 上下 個空心金屬半球的內表面被平均劃分成 個區 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;每個象限又劃分成 個小區域，如 圖 所示;分別采用絕緣膠將每個小區域的表面與銅絲粘 結固定，各小區域中的銅絲之間留有合適的間距，匯集成 根導線引出連接至單片機電路，輸入為高電平，如圖 所 示;從空心金屬球面引出 根導線連接至單片機電路，輸入為低電平。

車身姿態確定方法 當實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;當實心球滾到第五、六、七、八象限， 則表示汽車處于翻車狀態。實心球若滾到第一象限的z11區域，說明車身向右側傾斜 0??～ 30??;若滾到z12或z13區域，說明車身向右側傾斜 30??～60 °;若滾到z14或z15區域，說明車身向右側傾斜 60??～90 °。

4.6仿真的結論

通過比較發現，仿真與實驗沖擊碰撞結果較為 一致的是出現了與實驗類似的環狀及徑向裂紋。但仿真中尚有缺陷的是，一方面徑向裂紋較實驗結果少; 另一方面實驗中心位置出現了全局破壞，但仿真中并未完全體現。主要考慮兩方面原因： （ 1） 體單元模型較殼單元模型現象沒有那么明顯; （ 2） 與模型中失效時采用的單元刪除法有關。在接觸碰撞過程中，玻璃應力狀態經歷了 3 個階段： 初始階段、臨界階段、產生裂紋后的階段。在不同階段實驗和仿真，玻璃的應力基本相同，但產生裂紋后兩者裂紋周圍區域 的應力有所區別，不再一致。

究其原因，在實驗中， 玻璃發生破壞時，破碎的玻璃被黏結在 PVB 模上，不同階段實驗和仿真前擋玻璃的應力對比應力得以傳播。在仿真分析中，只要單元格滿足失效準則時，即被直接刪除，其周邊的單元應力也隨之急劇下降或者消失，應力無法繼續傳播，造成難以產生完全一致的裂紋現象。

由此可知，本次設計的結果是較為可靠且安全的。

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作者簡介：

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