汽車落水及起火的智能逃生裝置研究

嚴(yán)景明 王若鑫 陳國慶 陸玉浩

摘要：為防止車輛落水、起火后造成車內(nèi)乘員傷亡事故的發(fā)生，文章設(shè)計了一種電動破窗的智能逃生裝置，闡述了該裝置的工作原理、電路邏輯關(guān)系、控制流程圖、電路設(shè)計。該裝置通過底盤、發(fā)動機(jī)艙和車門三個水位傳感器以及人體、煙霧傳感器，檢測車輛落水及起火等緊急情況下，實(shí)施自動降窗、破窗動作，為乘員提供快速有效的逃生通道。通過理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，證明裝置的可靠性和實(shí)用性，有效幫助車內(nèi)乘員脫離險境。

關(guān)鍵詞：智能逃生裝置；汽車；落水；起火

中圖分類號：U491.6? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0206-04

0 引言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，車輛及人身的安全問題日益受到重視。在各類車輛事故中，迅速逃生是保障生命安全的關(guān)鍵。目前，安全氣囊、安全帶等被動安全裝置作為車輛標(biāo)配，保護(hù)乘客不受傷害，但在車輛落水或起火等緊急情況，因車外水壓對車門產(chǎn)生巨大壓力導(dǎo)致車門沒法被打開，或者落水起火時因窒息、煙霧中毒而導(dǎo)致車內(nèi)乘員傷亡，因此破窗逃生十分必要。公交車輛上通常配備敲擊錘進(jìn)行手工破窗，但操作需要一定經(jīng)驗(yàn)和臨危不懼，因此成功逃生機(jī)會較低；在轎車上有多種方式破窗，其中一種是雷管點(diǎn)燃產(chǎn)生高壓氣體破窗，但只能一次性使用；還有電磁控制鋼珠敲擊玻璃，敲擊中心位置精確度難以控制。因此，研發(fā)一種能夠在落水及起火緊急情況下迅速破窗，為乘客提供逃生通道的裝置，具有極其重要的應(yīng)用價值。

本文提出的智能逃生裝置（以下簡稱本裝置），基于破窗器電動化、智能化的設(shè)計理念，利用高靈敏度的傳感器檢測落水及起火危險情況，實(shí)施降窗或者精準(zhǔn)破窗，為車內(nèi)乘員提供快速逃生的通道。本裝置在設(shè)計時考慮了水下壓力和火災(zāi)時的高溫環(huán)境等情況，確保其穩(wěn)定工作。

1 研究方案的確立

在保留原車結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一套電子控制裝置，電子控制單元接收落水及起火等傳感器信號、對車窗或電動破窗器發(fā)出指令，執(zhí)行降窗或者破窗動作，為車內(nèi)乘員提供逃生通道，方案如圖1所示。經(jīng)過深入調(diào)研汽車企業(yè)，認(rèn)真梳理、設(shè)計整個裝置的電路圖及精巧改裝機(jī)械結(jié)構(gòu)，得出重點(diǎn)是電子控制單元的設(shè)計，難點(diǎn)是破窗機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

2 智能逃生裝置設(shè)計

在智能逃生裝置中，破窗器和電路設(shè)計至關(guān)重要，其不僅需要確保裝置的可靠性，而且還要考慮到各種極

端環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。以下詳細(xì)闡述元件安裝位置及破窗器、電源設(shè)計、控制電路的設(shè)計。

2.1 裝置主要組成元件及安裝位置

元件的正確安放是確保裝置快速響應(yīng)的關(guān)鍵。本裝置主要元件由傳感器組、電子控制單元、破窗器等組成，傳感器組主要包含底盤、發(fā)動機(jī)艙和車門水位三種位置檢測，安裝位置如圖2所示。

轎車常用前置前驅(qū)布置，重量集中在車輛前部，落水時車頭先下沉，同時綜合考慮汽車結(jié)構(gòu)，底盤水位傳感器安裝在前保險杠底部，發(fā)動機(jī)艙水位傳感器安裝在減震器座下方，車窗水位傳感器安裝在左右兩個前車門中上方，在主駕駛位附近安裝人體和煙霧傳感器。破窗器固定安裝在車門骨架上，破窗器的撞針頭正對車窗玻璃，電子控制單元安裝在靠近天窗前端飾板內(nèi)。

2.2 電動破窗器設(shè)計

破窗器工作性能直接關(guān)聯(lián)能否成功破窗，設(shè)計重點(diǎn)考慮電磁閥選用和破窗器結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本裝置中電動破窗器是執(zhí)行元件，能夠擊破車窗玻璃為乘員提供逃生通道。電動破窗器結(jié)構(gòu)由防水防火外殼、動鐵芯、復(fù)位彈簧、電磁閥閥桿、靜鐵芯、線圈、鎢合金撞針頭等共同構(gòu)成，如圖3所示。

電磁閥選擇強(qiáng)力撞擊型，當(dāng)電磁閥接收到12 V工作電壓時，在磁場力作用下，動鐵芯往車窗玻璃方向撞擊，為了保證準(zhǔn)確有效擊碎車窗玻璃，撞針頭使用高硬度鎢合金。車窗玻璃采用鋼化制造工藝，瞬時壓力超過1.5 MPa，只要擊碎某一點(diǎn)，整塊玻璃即破碎。電動破窗器的設(shè)計需考慮到精確的工程配合，以及落水、起火時工作可靠性。

2.3 電源設(shè)計

電源是本裝置的能量支持核心，工作電源采用鋰電池，電池單元具有高能量密度、輕便、容量大和放電效率高的特點(diǎn)。為了保證在水淹和起火環(huán)境下正常工作，鋰電池外殼使用密封設(shè)計，鋰電池密封殼體和連接導(dǎo)線外表進(jìn)行防水防火處理，能夠承受水分滲透和高溫?zé)静粫搪坊驌p壞。

2.4 控制電路設(shè)計

根據(jù)研究方案設(shè)計控制電路，主要由傳感器、電子控制單元、降窗控制電路、破窗控制電路等組成。本裝置控制電路實(shí)現(xiàn)三個功能：（1）落水時通過底盤、發(fā)動機(jī)艙和人體檢測三個傳感器采集信號輸入給電子控制單元，實(shí)現(xiàn)降窗；（2）落水時底盤、發(fā)動機(jī)艙和車門三個水位傳感器及人體檢測傳感器采集信號輸入給電子控制單元，如果水壓過大無法完成降窗要實(shí)施破窗；（3）起火時人體檢測和煙霧檢測信號輸入給電子控制單元，人工沒法打開車門時實(shí)現(xiàn)破窗。

3 裝置工作原理分析

3.1 電路邏輯控制原理分析

電子控制單元電路的工作原理主要是基于傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測和對執(zhí)行器的控制，為了保證邏輯電路芯片工作穩(wěn)定性，其工作電源需要經(jīng)過車輛充電電路、整體供電電路、穩(wěn)壓電路三級處理。水位傳感器監(jiān)測汽車水位高度，經(jīng)調(diào)理電路處理的水位信號傳輸給電子控制單元，模擬信號經(jīng)A/D處理變成數(shù)字信號。根據(jù)電路設(shè)計完成三個功能：（1）降窗，人體紅外檢測傳感器檢測車內(nèi)有人時，汽車落水的水位超過底盤、發(fā)動機(jī)艙位傳感器位置，邏輯判斷電路發(fā)出第一道指令實(shí)施車窗玻璃降窗，為車內(nèi)乘員提供逃生通道，此時限位電路介入工作，切斷車窗玻璃降窗動作，車窗電機(jī)停止工作，如圖4所示；（2）破窗，如果車輛繼續(xù)下沉，超過左、右車窗水位傳感器位置時，如果水壓過大等原因?qū)е陆荡皼]法完成，邏輯判斷電路發(fā)出第二道指令實(shí)施破窗，設(shè)計延時功能可以反復(fù)多次擊打車窗，保證能擊碎車窗玻璃，為車內(nèi)乘員提供第二次逃生通道；（3）起火時破窗，如果車輛起火燃燒強(qiáng)烈，煙霧傳感器檢測到車內(nèi)煙霧超過危險值，人工沒法完成開門，邏輯判斷電路也發(fā)出指令實(shí)施破窗。

本裝置基于邏輯門限值控制原理，具體控制流程如圖5所示。將底盤、發(fā)動機(jī)艙位實(shí)時水位值與預(yù)設(shè)危險閥值對比，高于危險閥值時，執(zhí)行降窗動作并點(diǎn)亮警示燈，告知車內(nèi)乘員已處于險情，應(yīng)馬上逃生。按照同樣控制機(jī)理，將底盤、發(fā)動機(jī)艙位、車門三個傳感器實(shí)時水位值或者人體檢測、煙霧檢測信號值與預(yù)設(shè)危險閥值對比，高于危險閥值時，執(zhí)行破窗動作并點(diǎn)亮警示燈，告知車內(nèi)乘員己處于嚴(yán)重險情，應(yīng)緊急逃生。

3.2 控制電路原理分析

為了實(shí)現(xiàn)汽車在落水、起火時降窗或者破窗功能，需分析電路工作原理，如下頁圖6所示。因4個水位傳感器采集信號比較微弱，需要經(jīng)LM358運(yùn)算放大器放大后輸入給74HC21邏輯電路芯片。

（1）電路自檢。當(dāng)綠色安全檢測燈亮起時，表明電路控制正常；反之安全檢測燈不亮?xí)r需要檢查電路裝置。

（2）降窗功能。電子控制單元選用2個74HC21邏輯電路芯片，引腳配置如下頁圖7所示，邏輯控制真值表如下頁表1所示，當(dāng)輸入端A、B、C、D四個條件都滿足高電平時，輸出端才為高電平。相當(dāng)于人體檢測傳感器檢測到車?yán)镉腥藭r，車輛落水過程中，車輛前部下墜較快，當(dāng)水位超過底盤和發(fā)動機(jī)艙位傳感器時，傳感器發(fā)出信號，電子控制單元進(jìn)行第一步降窗。降窗的條件如下：1#74HC21邏輯電路芯片的1A、1B、1C、1D高電平，1Y輸出高電平信號完成降窗。車窗降到最低位置時，安裝在車窗玻璃下方的限位開關(guān)斷開，停止降窗動作。

（3）破窗功能。落水、起火以下兩種情況實(shí)施破窗。①當(dāng)水位超過底盤、發(fā)動機(jī)艙和車門三個傳感器后，表明水位已經(jīng)超過最高危險值，處于最后的逃生機(jī)會。通過三極管與電容組成震蕩電路和NE555定時芯片提供破窗信號，電磁閥擊打玻璃，反復(fù)敲擊使其破裂，完成破窗動作。破窗條件：1#74HC21邏輯電路芯片，2A、2B、2C、2D高電平，2Y輸出高電平信號完成破窗。②起火火勢迅速蔓延時，當(dāng)人體檢測和煙霧檢測傳感器檢測值超過設(shè)定值后，人工無法打開車門時也實(shí)施破窗。降窗條件：2#74HC21邏輯電路芯片，1A、1B、1C、1D高電平，1Y輸出高電平信號完成破窗。

4 理論分析及實(shí)驗(yàn)論證

4.1 理論分析

電動破窗器在緊急逃生裝置中的作用是在短時間內(nèi)打碎車窗，車窗玻璃被擊碎取決于破窗器撞針頭作用在玻璃上的瞬間壓力，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要詳細(xì)分析電動破窗器的動量p=mv、時間和沖擊力等關(guān)鍵物理參數(shù)。動量是質(zhì)量和速度的乘積，表示物體運(yùn)動的狀態(tài)。撞針頭擊打車窗前后動量方程為：

mv2-mv1=（F-F1-F2）t（1）

式中：m——破窗器撞針質(zhì)量;

v1——撞針頭撞擊車窗前速度;

v2——擊碎車窗后撞針頭速度;

F——撞針頭撞擊力;

F1——車窗玻璃作用于撞針頭上反作用力；

F2——復(fù)位彈簧作用于撞針頭的力。F2通常較小可以忽略不計。

撞針頭的撞擊力F以及撞針頭擊打車窗玻璃時瞬間壓力P1，由電磁閥工作屬性，得：

F=μS2K2fδ2（NI）2（2）

P1=F1/S1（3）

式中：μ——真空磁導(dǎo)率，4π×10-7；

S——磁路截面積；

Kf——漏磁系數(shù)，一般為1.2～5.0，此電磁閥取1.5；

S1——撞針頭的面積；

δ——?dú)庀堕L度，撞針頭與玻璃距離；

N——線圈匝數(shù)；

I——通電的電流。

若撞擊力F作用于撞針頭，撞針頭速度從0加速至v1，v1=dx/dt，則動量變化為：

m（dx/dt）-0=（F-F2）t1（4）

x≤X1（5）

式中：x——撞針頭前進(jìn)的位移;

X1——撞針頭與車窗玻璃之間的距離;

t1——加速過程的時間。

從以上理論分析，撞擊過程簡化為撞針頭受恒定電磁作用力運(yùn)動，設(shè)定F2=0，假設(shè)撞針頭撞擊車窗前后的速度v2=v1，根據(jù)式（1）～（5）推算，求得P1為：

P1=F/S1（6）

當(dāng)P1>1.5 MPa，滿足破窗要求。

4.2 臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)理論分析和破窗效果，進(jìn)行了一系列臺架試驗(yàn)。試驗(yàn)中模擬了多種緊急情況下的車窗破碎過程，包括不同角度和速度的撞擊。破窗的必要條件是撞針頭撞車窗的瞬間壓力應(yīng)＞1.5 MPa，現(xiàn)選用厚度為5 mm的鋼化玻璃。試驗(yàn)條件設(shè)置如下：采取足夠保護(hù)措施，將電動破窗器固定在臺架上，車窗玻璃樣本被安裝在特制的固定架上，如圖8所示。使用高速攝像機(jī)捕捉撞針頭擊中玻璃的瞬間和玻璃破碎的過程，通過傳感器記錄沖擊過程和撞擊效果。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，電動破窗器能夠在不同的測試條件下可靠地破碎玻璃。撞擊力度和時間在預(yù)期的范圍內(nèi)，證明了設(shè)計的合理性。破碎后的玻璃呈現(xiàn)出預(yù)期的碎片模式，邊緣較為光滑，減少對乘客造成傷害的風(fēng)險。

5 結(jié)語

本文分析了汽車智能逃生裝置的設(shè)計，出現(xiàn)落水及起火險境，能迅速啟用降窗或破窗模式，為車內(nèi)乘員提供逃生通道，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本裝置的有效性，撞針頭撞車窗的瞬間壓力遠(yuǎn)＞1.5 MPa，通過試驗(yàn)小車浸水實(shí)驗(yàn)，電動破窗器的設(shè)計達(dá)到預(yù)期效果，擊打玻璃作用點(diǎn)準(zhǔn)確，玻璃碎片不會傷及車內(nèi)乘員。本裝置的設(shè)計需求來源于汽車企業(yè)，進(jìn)行校企聯(lián)合研發(fā)，己在汽車改裝廠對有戶外涉水需求的客戶車輛進(jìn)行小規(guī)模加裝試用，據(jù)客戶反饋，逃生裝置設(shè)計合理、制作費(fèi)用適中、質(zhì)量可靠。下一步，可在電路設(shè)計、元件性能和安裝部位再優(yōu)化，使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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基金項(xiàng)目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“汽車落水及起火的智能逃生裝置研究”（編號： 2024KY1398）；廣西教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度專項(xiàng)課題“‘一帶一路背景下高職新能源汽車專業(yè)國際化發(fā)展路徑研究”（編號：2023ZJY2073）

作者簡介：嚴(yán)景明（1967—），副教授，工程師，研究方向：汽車機(jī)械、電子系統(tǒng)控制。