汽车防沉气囊的设计与研究

钱 海 傅院霞

(蚌埠学院理学院，安徽 蚌埠 233030)

随着近些年汽车行业的快速发展，汽车进入了越来越多的中国家庭，其安全性更是备受社会关注。在众多的交通事故中，汽车落水事故致死率相对其它交通事故而言比较大。据不完全统计，我国每年会发生300余起关于汽车落水的事故，然而车内被困人员获救率却不到10%[1-2]。因此，该项设计从被困人员的角度出发，汽车防沉气囊利用撞击水面的压力，使装置触发，将汽车浮于水面，达到保护被困人员的作用。

1 汽车防沉气囊的工作原理

汽车防沉气囊采用了压力传感技术、气囊快速充气技术、控制和发生装置等装置。其基本原理是在汽车落水的一瞬间，压力感应装置探测到汽车撞击水平面时产生的巨大的撞击力，通过电子控制单元处理传感信号，并对是否需要点爆气囊做出判断，当汽车防沉气囊中的气体发生装置接收到由电子控制单元输入的点爆信号时，电子控制单元就会立即点爆气囊，瞬间产生大量气体，通过气体发生装置产生的气体的浮力，以及气囊膨胀所排开的周围水的体积使汽车从水中浮起，从而增加人们获救的时间和可能性[2]。

2 汽车防沉气囊组成结构

2.1 压力传感器

压力传感器是指能够将汽车的所受压力实时地转变为相应电流信号的仪器。压力传感器以一个可以产生变形的精密元件为基准，设置一定程度的弹性形变量为触发点。当压力产生的弹性形变和电压量达到触发点的启动位置时，压力感应器就会判断该车掉入水中并迅速给电子控制系统发出一个电信号，使电控装置迅速开启并激发汽车防沉气囊点爆装置让气体发生器开始工作，并向气囊内充气。当汽车防沉气囊工作时，压力感应信号需要由电压信号转换为可用的电流信号。电压信号主要是由压阻式压力传感器转换而来，产生的电压信号比较微弱；电流信号则为4～20mA标准的电流信号，它是由电压信号经差分放大器处理后，再由变送芯片转换而来的。电流信号通过线路来进行远距离的信号传输，紧接着传送到主机端，然后再由主机端通过内部电阻来将电流信号进行转换，成为电压信号[3]。由此得到的电压信号还需要被转换成为数字信号，这个是由A/D转换器来完成的。数字信号再经由单片机程序的处理及相关变换后便可以得到实际的压力信号。

2.2 汽车防沉气囊的电子控制器和气体触发器

电子控制器将通过运用单片机来进行相关程序的书写。首先需要选取一个51单片机，将相关的触发程序和一些子程序来写入单片机的ROM之中。将把压力传感器的信号传出接口接到单片机的输入端口。当压力传感器中由于压力过大产生电压和电流进入到单片机中时，会引起单片机内本身的状态发生改变。单片机会从它的记忆存储“容器”ROM中找到要执行的命令，接收到命令后分析是否需要进行程序的运行，最后按照相应程序的内容来进行相应的执行。

气体的发生装置与单片机输出端相连，气体的发生器主要包括了电子感应器、化学反应原料以及细小的点火装置。当电子感应器被开关打开后，控制线路立即处于产生气体的工作状态，此时对于汽车落水是否而产生的足够大的压力信号进行判定[4]。若探测回路对信号的判定达到了汽车防沉气囊的开启条件，则点火装置会快速地启动，点爆器在接收到气体发生装置电源所发出的电流信号后会进行瞬时加热，将氮化钠等化学剂快速点燃。快速的化学反应会瞬间产生大量的稳定气体，这种混合气体的主要成分是氮气和一些其它比较稳定的气体组成，气体对汽车防沉气囊进行充气，直至充满[5]。同时气体在扩张时具有强大的挤压力，汽车防沉气囊在充气膨胀的同时可以挤开周围大量的液体，最终展开至内外压力相对来说比较稳定的状态可以膨胀到的最大体积状态。

2.3 汽车气囊

首先，不是所有的材料都适用于充当汽车的防沉气囊，对汽车防沉气囊有以下要求：(1)选择的材料需要具有完全的密封性，可以保证在充气的同时不会释放气囊中所产生的气体。(2)需要用比较好的防水材料，防止气囊由于吸水而产生多余的重量和由于吸水而导致气囊充气体积变小，从而无法使汽车成功地浮于水面。(3)这个气囊需要一定程度的弹性空间和柔软性，可以保证在充气过程中容纳更多的气体，可以让车浮在水面上的时间加长。柔软性是防止气体过多导致气囊爆炸从而造成更多的损伤。

2.4 电源

汽车防沉气囊和普通的安全气囊一样，同时拥有蓄电池和发动机的一套电源，和一个备用手动遥控器可以直接引发气体发生器的一个直接控制电源。当汽车掉入水中时，可能会由于进水而导致的电源失灵状况，应该将电源包裹上相应的防水材料和散热材料，为汽车防沉气囊的打开提供更多的时间，提高汽车防沉气囊的安全性。

3 汽车防沉气囊触发流程

汽车防沉气囊触发流程如图1所示。

图1 汽车防沉气囊触发流程图

4 汽车防沉气囊的安装与测试

汽车防沉气囊所安装的不同位置和不同的数量会导致不同的结果。我们给出了以下的2种情况来适用于不同的情况和车辆。

第1种：将6个汽车防沉气囊置于不同的位置，来达成车辆稳定地浮于水面之上。这里，我们需要使用2个较大的气囊分别置于汽车的头部与尾部下面，另外4个分别置于靠近车轮的位置，6个气囊将会同时充气，将汽车平稳地停在水面上。

第2种：将一个巨大的汽车防沉气囊置于汽车的尾部，在汽车防沉气囊迅速膨胀时，将汽车头部插入水中，浮起车尾，车内人员就可以利用后备箱来逃生。大部分车型都会设有后备箱逃生通道，由于后备箱逃生通道的开关是机械装置的，不需要通电。因此，我们就不用担心由于车子进水了，后备箱的逃生通道由于电路进水发生问题而无法正常使用。这时我们可以通过后备箱的通道进入到车辆的外面，人们可以大声呼救，或者可以通过一些其它方式来拯救自己。

汽车防沉气囊需要大量的不同车型的实验，首先，需要用载人量较大的公交车来进行测验，在公交车的实验中我们使用第一种方法，但是需要增加安全气囊的数量。由于公交车上空间和本身体积较大，可以打开灯来引起注意。

对于小轿车以及其它的家用型小型车辆，我们既可以使用第1种，对于可以在车内手动打开后备箱的车辆，我们可以使用第2种方法。

5 结语

本文认为汽车防沉气囊在将来的车辆上会成为和汽车安全气囊一样实用、一样普及安装的产品。在目前的社会中，人们已经脱离了贫困阶段，他们对于生活的需求和安全性会提出更高的要求，以此来保护他们正常的出行。本文相信，在将来的汽车落水事故中，如果车辆安装了汽车防沉气囊，将会为救援人员提供更多的救援时间。同时，落水的人们可以通过自己的能力来保护或救援自己。

要牢记争分夺秒的理念，这是实施下一步实际行动前所必要的心理素质，在生命面前一定不能犹豫。因为不管是2t重的大SUV还是重不过1t的小型车，根据密封情况不同，车辆下沉速度虽然不一样，但是入水的时间差距不会很大，都是几十秒到几分钟的事。所以当汽车开始下沉时一定要动作迅速，不能因为安装了汽车防沉气囊而心存侥幸，要利用争取来的时间，为自己多提供一份保障。