汽車(chē)水中自救裝置

摘 要：安全氣囊在汽車(chē)水中自救中的應(yīng)用研究是當(dāng)前汽車(chē)安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，文章針對(duì)汽車(chē)在水中發(fā)生事故時(shí)的自救技術(shù)展開(kāi)敘述。首先詳細(xì)闡述了研究背景、安全氣囊自救技術(shù)的技術(shù)原理和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。然后對(duì)安全氣囊自救裝置的制作與安裝進(jìn)行了深入探討，提出了具體的技術(shù)方案和整車(chē)系統(tǒng)結(jié)合要點(diǎn)。最后通過(guò)對(duì)安全氣囊自救技術(shù)在水中汽車(chē)事故中的應(yīng)用前景分析，揭示了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的廣闊前景和重要意義。最后對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)與展望，指出了未來(lái)研究的方向和重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 水中自救 安全氣囊 技術(shù)方案 應(yīng)用前景

1 研究背景

在現(xiàn)實(shí)生活中，由于汽車(chē)掉入水中導(dǎo)致人員傷亡的案例屢見(jiàn)不鮮。2023年5月16日，湖北恩施發(fā)生一起嚴(yán)重的車(chē)禍，一輛9座的面包車(chē)在獅子關(guān)景區(qū)浮橋的公路上行駛時(shí)突然失控沖破護(hù)欄，墜入河中，造成5人死亡，3人受傷[1]；2023年11月1日，湖南株洲，一教練車(chē)凌晨前往考場(chǎng)途中不慎掉入水塘，車(chē)上一名教練、一名學(xué)員死亡，另一名學(xué)員受傷[2]，類(lèi)似的例子在生活中頻頻發(fā)生，對(duì)駕駛員和乘客的生命安全造成了巨大的威脅。汽車(chē)在水中，由于水壓較大造成車(chē)輛的內(nèi)外壓差增大，車(chē)門(mén)難以打開(kāi)，因此車(chē)內(nèi)人員無(wú)法通過(guò)打開(kāi)車(chē)門(mén)逃生，發(fā)生窒息或溺水事故。此外，由于汽車(chē)自重較大，在水中，重力大于浮力，導(dǎo)致汽車(chē)無(wú)法浮于水面，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)沉底，增加了自救的困難。因此如何解決汽車(chē)掉入水中的自救問(wèn)題，顯得至關(guān)重要。本文從安全氣囊的角度出發(fā)，論述了安全氣囊在汽車(chē)水中自救應(yīng)用的可行性與優(yōu)勢(shì)。

1.1 汽車(chē)落水自救裝置研究現(xiàn)狀

目前針對(duì)汽車(chē)落水的自救裝置主要有氧氣供應(yīng)裝置、逃生錘與破窗器、浮力輔助設(shè)備以及自動(dòng)逃生系統(tǒng)等。但現(xiàn)有的自救裝置往往需要用戶在緊急情況下進(jìn)行復(fù)雜的操作，在使用上存在一定的復(fù)雜性，不利于自救過(guò)程的快速啟動(dòng)，并且在自救過(guò)程中，部分自救裝置可能對(duì)車(chē)輛和乘車(chē)人員造成二次傷害，其安全性和穩(wěn)定性仍有待提高；此外，現(xiàn)有自救裝置的浮力設(shè)計(jì)不夠穩(wěn)定，無(wú)法有效保證車(chē)輛在水中的浮性，影響了自救的成功率。例如：氧氣供應(yīng)裝置，它是當(dāng)車(chē)輛被水淹沒(méi)時(shí)，駕駛員和乘客通過(guò)氧氣供應(yīng)裝置獲取氧氣，延長(zhǎng)人員在水中的生存時(shí)間，其缺點(diǎn)在于氧氣量有限，操作難度較大等；逃生錘與破窗器是當(dāng)車(chē)輛在被困或車(chē)窗無(wú)法打開(kāi)時(shí)提供逃生途徑的工具，它的缺點(diǎn)在于需要力量大，并且耗時(shí)較長(zhǎng)；浮力輔助設(shè)備，如救生衣或浮標(biāo)，可以在車(chē)輛被水淹沒(méi)時(shí)提供額外的浮力，幫助人員浮到水面，它的缺點(diǎn)在于穿戴時(shí)間長(zhǎng)，受空間限制大，對(duì)不會(huì)游泳者的幫助有限等等；自動(dòng)逃生系統(tǒng)是一種在車(chē)輛被水淹沒(méi)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)的逃生裝置，如自動(dòng)解鎖車(chē)門(mén)、自動(dòng)充氣浮標(biāo)等，但是該系統(tǒng)對(duì)技術(shù)依賴(lài)性大，且有誤觸風(fēng)險(xiǎn)，成本高。

本文提出的安全氣囊能使汽車(chē)浮于水面從而讓人獲得自救。安全氣囊不僅能顯著提升汽車(chē)在水中的浮力，使其浮于水面，保障車(chē)內(nèi)人員的生命安全，而且還能有效地提高汽車(chē)在水中的適航性，降低溺水風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)自救。該裝置具有操作難度低，自救概率超過(guò)80％，不受空間限制等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 安全氣囊研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外關(guān)于安全氣囊在汽車(chē)水中自救中的應(yīng)用研究主要集中在美國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，美國(guó)研究重點(diǎn)在于安全氣囊自救技術(shù)的原理和應(yīng)用，德國(guó)更注重于安全氣囊自救裝置的制作與安裝技術(shù)，而日本則致力于將安全氣囊自救技術(shù)與車(chē)載通訊系統(tǒng)相結(jié)合，提高自救效率[3]。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)多家汽車(chē)制造商和科研機(jī)構(gòu)也紛紛投入到安全氣囊在汽車(chē)水中自救中的應(yīng)用研究中，他們基于國(guó)內(nèi)水域事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，針對(duì)國(guó)內(nèi)水域環(huán)境和汽車(chē)使用特點(diǎn)，進(jìn)行了一系列專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)和研究。與國(guó)外不同的是，國(guó)外雖然在安全氣囊自救技術(shù)的原理和應(yīng)用上取得了一定突破，但在實(shí)際裝置制作與安裝、應(yīng)用前景分析等方面相對(duì)薄弱；而國(guó)內(nèi)研究則更加注重實(shí)際環(huán)境下的應(yīng)用效果和社會(huì)意義，致力于將安全氣囊自救技術(shù)與國(guó)內(nèi)實(shí)際情況相結(jié)合，為國(guó)內(nèi)汽車(chē)水中自救提供更加可靠的技術(shù)支持。以三亞學(xué)院呂錳濤的研究為例，他們開(kāi)發(fā)了一種安全氣囊裝置，該裝置通過(guò)裝在車(chē)體兩端的水位傳感器，能夠檢測(cè)到車(chē)體落水，并即時(shí)將信號(hào)傳遞給水上安全氣囊系統(tǒng)的控制電腦，從而實(shí)現(xiàn)使氣囊的充氣。

2 安全氣囊原理

2.1 安全氣囊浮力原理

安全氣囊作為汽車(chē)安全系統(tǒng)的重要組成部分，其中的浮力原理是自救裝置能夠使汽車(chē)浮于水面的核心原理。首先，安全氣囊在水中自救中的應(yīng)用基于其充氣原理，通過(guò)在汽車(chē)落入水中時(shí)快速充氣，從而增大浮力，使汽車(chē)能夠在水中浮起。其次，安全氣囊還可通過(guò)釋放氣囊內(nèi)部的壓力，減小汽車(chē)在水中的密度，進(jìn)一步增加浮力，從而提高汽車(chē)在水中自救的效率。此外，安全氣囊還能夠在汽車(chē)受到外部壓力時(shí)迅速釋放氣體，以減輕汽車(chē)受到的外部擠壓力，保護(hù)車(chē)內(nèi)乘員的安全。根據(jù)阿基米德原理，當(dāng)物體浸入液體時(shí)，所受浮力等于所排開(kāi)液體的重量，從而使得物體浮起。因此，自救裝置需要通過(guò)合理設(shè)計(jì)，確保在汽車(chē)掉入水中時(shí)能夠迅速產(chǎn)生足夠的浮力，以使汽車(chē)浮于水面。同時(shí)，浮力原理也需要考慮汽車(chē)的重量、水的密度以及氣囊的體積等因素，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的浮力支持?？傮w而言，安全氣囊在汽車(chē)水中自救中的應(yīng)用，主要通過(guò)充氣和釋放氣體提供浮力和減小汽車(chē)密度的方式，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在水中的自救目的。這一技術(shù)原理和作用機(jī)制的研究，對(duì)于提高汽車(chē)在水中的自救能力具有重要的理論和實(shí)際意義。

2.2 安全氣囊裝置原理

在汽車(chē)自救裝置中，最重要的裝置之一便是安全囊。車(chē)輛在行駛過(guò)程中，由車(chē)載傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的行駛狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到車(chē)輛發(fā)生碰撞或者落水時(shí)，便會(huì)將該信號(hào)由信號(hào)傳輸裝置傳輸給控制器，控制器根據(jù)接收到的信號(hào)發(fā)出指令，控制氣體生成裝置動(dòng)作生成氣體，并迅速充滿氣囊。這一過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間非常短暫，因此確保車(chē)內(nèi)人員在事故中能得到最大程度的保護(hù)。

3 安全氣囊自救裝置的技術(shù)方案

安全氣囊自救裝置包括安全氣囊設(shè)計(jì)、氣囊充氣系統(tǒng)、碰撞傳感器等內(nèi)容。通過(guò)對(duì)安全氣囊的材料選擇、氣囊形狀設(shè)計(jì)、充氣速度控制等方面的技術(shù)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)在汽車(chē)掉入水中時(shí)快速充氣，提供足夠浮力支持的目標(biāo)。同時(shí)，氣囊充氣系統(tǒng)也需要保證充氣過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，確保自救裝置能夠在緊急情況下快速響應(yīng)。碰撞傳感器作為觸發(fā)裝置，需要具備高靈敏度和可靠性，以確保在汽車(chē)發(fā)生意外時(shí)能夠及時(shí)觸發(fā)自救裝置，保障乘客的安全。因此，自救裝置的技術(shù)方案需要綜合考慮氣囊設(shè)計(jì)、充氣系統(tǒng)和觸發(fā)裝置等關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)掉入水中的有效自救。

3.1 傳感器技術(shù)傳感技術(shù)

傳感器技術(shù)傳感技術(shù)主要包括加速度傳感器、車(chē)速傳感器和水位傳感器。

汽車(chē)內(nèi)的加速度傳感器是一種電子設(shè)備，主要用來(lái)測(cè)量加速力，包括重力加速度和動(dòng)態(tài)沖擊加速度，其主要作用是根據(jù)車(chē)輛加速度的變化來(lái)評(píng)估車(chē)輛的運(yùn)行情況。例如，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，加速度傳感器可以迅速檢測(cè)到?jīng)_擊力的變化，并將這一信息傳遞給車(chē)輛的安全系統(tǒng)，觸發(fā)相應(yīng)的安全措施，如氣囊充氣等。

車(chē)速傳感器主要用于檢測(cè)汽車(chē)車(chē)速，其輸出信號(hào)可用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、自動(dòng)變速器的扭矩鎖定、自動(dòng)變速器的換擋、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的啟閉及巡航定速等。通過(guò)精確檢測(cè)車(chē)速，保證汽車(chē)在各種狀態(tài)下穩(wěn)定、安全地行駛。

水位傳感器是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)點(diǎn)的水位參數(shù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)的儀器。水位傳感器以三角形為基準(zhǔn)，頂角為觸發(fā)點(diǎn)，它能夠根據(jù)水位和電壓是否達(dá)到觸發(fā)點(diǎn)的位置來(lái)判斷車(chē)輛是否掉入水中，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)點(diǎn)位置時(shí)，即檢測(cè)到車(chē)輛落水并迅速向電子控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，以啟動(dòng)觸發(fā)裝置并使氣體發(fā)生器開(kāi)始充氣確保車(chē)輛安全。此外，水位傳感器還可以排除下雨天或者經(jīng)過(guò)積水路面時(shí)誤觸發(fā)安全裝置的情況，是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個(gè)判斷裝置。

3.2 氣體生成技術(shù)

氣體生成技術(shù)是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、物理過(guò)程或其他方法產(chǎn)生特定氣體的技術(shù)，主要裝置為氣體發(fā)生器。氣體發(fā)生器主要負(fù)責(zé)目標(biāo)氣體的生成，包括傳感器、穩(wěn)定氣體、化學(xué)反應(yīng)原料及點(diǎn)火裝置。傳感器開(kāi)啟，控制線路即處于正常工作狀態(tài)，此時(shí)通過(guò)偵測(cè)回路判斷汽車(chē)是否發(fā)生溺水事故。若偵測(cè)回路判定達(dá)到安全氣囊的釋放條件，則點(diǎn)火裝置啟動(dòng)，點(diǎn)火器在收到氣囊電源發(fā)出的電流信號(hào)后瞬時(shí)快速加熱，進(jìn)而引燃氮化鈉推進(jìn)劑，瞬時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量氣體，其中主要成分是氮?dú)猓@些氣體用于充氣安全氣囊，直至充滿；由于氣體具有強(qiáng)大的沖擊力，氣囊在膨脹的同時(shí)將周?chē)后w推開(kāi)，最終達(dá)到最大膨脹狀態(tài)，有利于氣囊迅速充氣。

4 安全氣囊與車(chē)輛系統(tǒng)的整合

汽車(chē)安全自救裝置必須與整車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行有效地結(jié)合，才能在危險(xiǎn)時(shí)刻及時(shí)有效地發(fā)揮作用。在整合過(guò)程中，安全氣囊裝置與車(chē)輛系統(tǒng)的電氣連接、控制邏輯和應(yīng)急觸發(fā)機(jī)制等關(guān)鍵問(wèn)題都應(yīng)充分考慮，并制定詳盡、合理的整合方案及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證汽車(chē)在發(fā)生落水事故時(shí)，通過(guò)安全氣囊能迅速有效地展開(kāi)自救。

在安裝位置選擇上，自求裝置在安裝位置的選擇上應(yīng)便于操作，一般遵循以下原則：首先，安裝位置應(yīng)該盡量靠近車(chē)輛駕駛室，以便在緊急情況下駕駛員能夠快速觸發(fā)安全氣囊；其次，安裝位置應(yīng)避免與車(chē)輛其他部件發(fā)生干擾，以免影響車(chē)輛原有的結(jié)構(gòu)和功能；最后，安裝位置應(yīng)該考慮安全氣囊自救裝置使用的便捷性和可靠性，確保在落水事故發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)有效地觸發(fā)。

在安裝位置確定好之后，安全氣囊裝置必須穩(wěn)固可靠地安裝，一般采用專(zhuān)用的固定裝置如特制固定架等，將安全氣囊自救裝置固定在車(chē)輛內(nèi)部。固定裝置應(yīng)具有防水、抗沖擊和耐腐蝕的特性，且在水中環(huán)境下能夠保持穩(wěn)固。

安全氣囊安裝穩(wěn)固后，便是電氣系統(tǒng)的連接。自救裝置的電氣連接是安全氣囊自救裝置與車(chē)輛電氣系統(tǒng)連接的重要環(huán)節(jié)。在安裝過(guò)程中，應(yīng)始終遵循車(chē)輛制造商提供的指南和建議，嚴(yán)格按照給定的電氣連接圖進(jìn)行連接，確保每根線路的連接準(zhǔn)確可靠，并且對(duì)電氣連接部分進(jìn)行防水處理，以保證電氣系統(tǒng)在水中正常運(yùn)行。

安全氣囊的觸發(fā)裝置是氣囊自救裝置的核心部分。在安裝過(guò)程中，應(yīng)將觸發(fā)裝置與車(chē)輛上的緊急開(kāi)關(guān)或手動(dòng)開(kāi)關(guān)相連接，確保在緊急情況下能夠快速觸發(fā)安全氣囊自救裝置，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在水中的自救。

5 市場(chǎng)應(yīng)用前景分析

根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2017至2019年，中國(guó)交通事故年均發(fā)生數(shù)23.19萬(wàn)次，交通事故年均死亡人數(shù)6.3萬(wàn)人，這意味著，平均約8分鐘就有1人因車(chē)禍死亡。在諸多汽車(chē)事故中，汽車(chē)落水、墜水等涉水事故死亡率最高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)平均每年汽車(chē)落水事件達(dá)300余起，車(chē)內(nèi)駕乘人員獲救者不足10%[4]。從事故發(fā)生原因的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，水中汽車(chē)事故多由于駕駛員操作失誤、惡劣天氣和路況、交通安全設(shè)施不完善等因素，其中，駕駛員操作失誤是導(dǎo)致汽車(chē)落水事故的最主要原因。

為了給安全氣囊自救裝置的技術(shù)應(yīng)用提供更為具體和全面的依據(jù)，進(jìn)一步對(duì)汽車(chē)落水事故的特點(diǎn)及原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在夜間、交通高峰期或者惡劣天氣的情況下，汽車(chē)落水事故發(fā)生的概率最高且事故發(fā)生的地點(diǎn)往往集中在水域復(fù)雜地區(qū)，而這種情況下，往往事故的危險(xiǎn)性和救援的難度也顯著上升。涉事車(chē)輛多為轎車(chē)和貨車(chē)，事故后果涉及人員傷亡和車(chē)輛受損等方面。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的深入分析，為技術(shù)方案的制定和設(shè)備安裝提供有力支持。

市場(chǎng)容量是影響技術(shù)應(yīng)用前景的重要因素之一。2021年，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成2608.2萬(wàn)輛和2627.5萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)3.4%和3.8%[5]，通過(guò)對(duì)市場(chǎng)容量的調(diào)研和分析，能夠清晰地了解安全氣囊自救技術(shù)的市場(chǎng)潛力。在水中汽車(chē)事故中，安全氣囊自救技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，不僅包括私人轎車(chē)，還包括公共交通工具、特種車(chē)輛等多個(gè)領(lǐng)域，因此市場(chǎng)容量巨大，具有廣闊的發(fā)展前景。

此外，競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)也是市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。2022年8月，中企顧問(wèn)網(wǎng)發(fā)布了《2022-2028年中國(guó)汽車(chē)安全裝置行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手分析報(bào)告》[6]，該報(bào)告介紹了汽車(chē)安全裝置行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展環(huán)境、整體運(yùn)行態(tài)勢(shì)及市場(chǎng)運(yùn)行的現(xiàn)狀，并介紹了汽車(chē)安全裝置市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局。隨著汽車(chē)安全領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，各類(lèi)安全技術(shù)層出不窮。在這樣的背景下，安全氣囊自救技術(shù)需要面對(duì)來(lái)自傳統(tǒng)救援設(shè)備以及其他新型安全技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)壓力。因此，必須對(duì)市場(chǎng)上已有的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研，并根據(jù)用戶需求和市場(chǎng)定位，制定針對(duì)性的市場(chǎng)推廣和產(chǎn)品優(yōu)化策略。

通過(guò)市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)的分析，可以清晰地認(rèn)識(shí)到安全氣囊自救技術(shù)在水中汽車(chē)事故中的應(yīng)用前景十分廣闊。用戶需求迫切、市場(chǎng)容量巨大、競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)嚴(yán)峻，這些因素共同構(gòu)成了該技術(shù)在市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)。未來(lái)，我們將深入挖掘市場(chǎng)需求，不斷優(yōu)化技術(shù)方案，推動(dòng)安全氣囊自救技術(shù)在水中汽車(chē)事故中的廣泛應(yīng)用。

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