机械设计竞赛报告——汽车落水逃生车门

2020-03-03 12:26:31 来源：范文大全收藏下载本文

汽车落水逃生车门装置

汽车落水逃生车门说明书

设计者：林小平，郑龙，张振国

（中国计量学院机电学院，

）

作品内容简介

通过在现有车门的结构上融入我们设计的“压强平衡装置”——在车辆落水后，平衡车内外压强，减小作用在车门上的压力，辅助车门脱离车架；“断轴结构”——使车门可以在极短时间内与车架实现分离，为车门上浮做好准备；及有机结合现有技术中的“传感器系统”——弥补车乘人员在紧张状况下的反应迟缓的致命缺陷，及时感知车辆落水的意外的发生，并将触发信号传至MCU，使逃生功能启动；“气囊弹射装置”——使用现有几近成熟的气囊弹射技术，令脱离车架束缚的车门具有浮力，使得我们的作品不仅可以辅助车乘人员逃离车体，还能为不会游泳的人创造更大的逃生成功几率：于是形成了我们的作品——汽车落水逃生车门。它实现车辆落水后“传感探知”、“平衡压强”、“打开断轴”、“弹出气囊”四个工作步骤，从而使得车乘人员可以拉着已经弹开气囊具有浮力的逃生车门上浮水面，进行逃生，这就将传统的阻碍车乘人员逃生的车门转变为协助车乘人员成功逃生的自救工具。

联系人：林小平

联系电话：15906819128 EMAIL：linxiaoping26@126.com

1 研制背景及意义

近几年，平均每年发生1.1万起汽车落水事故，发生这类事故时最大的危险是当事者由于惊吓而丧失行动能力①，并且车辆落水事故呈现上升趋势，而且此类事故中一旦车辆完全落入水中，其造成死亡率极高。例：2009年4月11日晚19时20分许，浙江金华一辆汽车冲入水库，致4人死亡1人失踪，截至第二天下午14时， 1 汽车落水逃生车门装置

失踪者尸体已经打捞上岸，事故车上5 名司乘人员全部遇难。因此，此类事故给车乘人员人身财产造成极大伤害，如图1所示，人们无奈地看着汽车落水却无能为力。

②

图1 无奈地看着汽车下沉

因此，在汽车安全领域，人们急需一种可以在汽车落水后协助人们克服外界水压抵住车门的问题、帮助人们逃离车体的逃生装置，而我们的作品就是为此而设计的。

2 主要功能和性能指标

2.1：利用现代电子科技技术在短时间内传感探知车辆落水事故的发生，并将触发信号传至MCU，发出使逃生车门开始运作的信号。

2.2：在车辆落水后，平衡车内外压强，减小作用在车门上的压力，辅助车门脱离车架。

2.3：使车门可以在极短时间内与车架实现分离，为车门上浮做好准备。 2.4：使用现有几近成熟的气囊弹射技术，使得脱离车架束缚的车门具有浮力，协助不会游泳的人上浮逃生。 3 设计方案 3.1 电子部分

我组作品的“传感器系统”组成为四个压力传感器（如图2所示）及一个湿度传感器（如图3所示），压力传感器安装于车辆四个悬架处，用于检测悬架所受的力 2 汽车落水逃生车门装置

的大小，湿度传感器安装于车身前端，是用于检测车前端湿度的大小变化情况，当四个压力传感器有2个以上探测到悬架所受的力在瞬间非正常急剧减小并且湿度传感器探测到车身前部的湿度非正常增大到一定值时做出判断——车辆处于落水状态，将此信号发送到MCU，MCU发出指令控制电机打开断轴和压强平衡装置，为车乘人员的成功逃生做好准备。

图2 压力传感器图3 湿度传感器

3.2 机械部分

3.2.1压强平衡装置

由滑动板、滑动板光杆基座、滑动板连杆、长滑动板连杆，光杆，光杆连接件滑动板部分；由丝杆、丝杆滑块、滑动板连接基座、带轮、电机等组成电机拖动部分。零件装配如图4所示，实物装配效果如图5所示。

图4 压强平衡装置SolidWorks装配图

3 汽车落水逃生车门装置

图5 压强平衡装置实物装配图

3.2.2断轴结构

断轴包括固定部分和滑动部分，轨道、滑动轴、连接轴部分安装在车架上，车门连接件安装在车门上，零件装配如图6所示，实物装配效果如图7所示。电机可以驱动滑动轴向上运动，使连接轴部分解除断轴车门部分和断轴车架部分之间的相互束缚，实现车门与车架的分离。

图6 断轴仿真SolidWorks装配图

4 汽车落水逃生车门装置

图7 断轴实物装配图

3.2.3气囊弹射装置

气囊即为现有技术成熟的气囊结构，气囊效果图如图8所示。

图8 气囊装置

4 理论设计计算

5 汽车落水逃生车门装置

4.1滑动杆连接部分及断轴连接轴部分连接轴部件校核，使用公式：

WZd332 ，IZd464；

WZ：抗弯截面系数；IZ：惯性矩；d：校核轴的直径

maxMFL[]WZ()()[], FWZWZLF：外界所施加最大力

[]d332；

L对连接轴弯曲应力的分析计算及实物模型的试验，当主要受力部件采用钢或合金等刚强度材料并且校核轴直径在12mm以上，并且采用多对轴同时使用时，校核轴的总体弯曲强度可以达到使用要求。

5 工作原理及性能分析 5.1传感器系统：

5.1.1、压阻式压力传感器原理：利用压力大小的改变来改变传感器内部的滑阻的的阻值的大小以输出不同大小的信号电压，根据相应参数计算出压力大小

5.1.2、湿度传感器原理：①：湿敏电阻式湿度传感器，其特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度；②湿敏电容式湿度传感器：一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。其技术成熟，应用广泛。

5.2压强平衡装置：

在现有车门的主面板上融入一块滑动板，在不使用时，该滑动板嵌在车门面板之中，使得我组的逃生车门与普通车门无异，如图9所示；在使用时，电机启动带动带轮1转动，带轮1与带轮2通过单面齿带连接，带轮2获得动力后带动主丝 6 汽车落水逃生车门装置

杆转动，丝杆滑块进行轴向运动，通过滑动板连接杆带动滑动板在光杆轨道上进行轴向运动，在此过程之中滑动板会与车门主体形成一定横向和纵向错位，从而使得落水后的车辆的车门可以与外界有一个柔性的连接口，如图10所示。外界的水流可以从该开口处流入车内，并且由于滑动板的纵向错位不会很大，还可以起到减缓水流速度的作用。

图9 处于未启动逃生功能状态的车门

图10 滑动板形成的错位开口

5.3断轴结构

当MCU发出电机转动的指令后，电机转动，进而带动短丝杆转动，丝杆滑块进行丝杆轴向运动，并且带动双断轴连接板带动两副断轴中的滑动轴部分向上或向下运动：向上运动——断轴由闭合向打开转化，车门与车架由连接状态转为分离 7 汽车落水逃生车门装置

状态；向下运动——断轴由打开向闭合转化，车门与车架由分离状态转为连接状态；断轴闭合状态与打开状态如图11和图12所示。

经过我们的试验发现该结构简单，运行高效，可以在1~2秒内完成该动作，若采用更高速的电机，反应可以更加迅速。

图11 处于闭合状态的断轴图12 处于打开状态的断轴

5.4气囊弹射装置

该结构为我们作品的一个功能实现部分，采用现有几近成熟的气囊弹射技术，理论上该部分功能实现可行性大，但由于经费有限，且市场上无我们所需尺寸的适合我们模型的气囊，因此未将气囊结构在我组作品中予以体现，。

作品实物整体效果如图

13、图14所示。

8 汽车落水逃生车门装置

图13 作品整体图1

图14 作品整体图2

6 创新点及应用

6.1压强平衡装置采用光杆导轨，四根滑动板连接杆由于上端一对光杆长度比下端的一对光杆长度稍长，使得光杆最后的运行轨迹是与竖直方向成17°的倾角，如图15所示。

9 汽车落水逃生车门装置

图15 滑动板与车门面板所在的竖直方向成一定角度

对作用在滑动板上水的压力F进行受力分析F可分解为F1和F2,如图16所示，F1方向垂直于车门面板，作用效果为对于滑动轨道产生摩擦力；

F2方向与滑动板运动轨迹方向一致，所以我们的作品可以利用本来阻碍车门打开的外界水的压力分解出分力来间接辅助打开车门，变不利因素为有利因素。

图16

滑动板具有一定的倾角

6.2断轴结构：在逃生功能未启动时，使得车门与车架保持连接；在逃生功能启动时，迅速打开断轴，使得车门与车架分离，为车乘人员的成功逃生提供保障。

6.3气囊装置：在车门内部安装气囊装置，在车门与车架分离后，气囊打开，使车门具有浮力，让本来是阻碍车乘人员逃生的车门变为协助车乘人员逃生的救生工具。

10 汽车落水逃生车门装置

6.4应用：2009年，中国的汽车产量1379万辆，而据普华永道估计，2010年的全球汽车产量约为6500万辆，并且中国的汽车产量仍将上升，而汽车安全技术是“和谐社会、品质生活”理念下必须大力发展的汽车技术，因此，一旦我们的技术通过实验阶段，达到工业应用阶段应用到汽车生产制造之中后，其巨大的市场空间所产生的市场效益将非常可观。 7 创新保护

为保护我们作品的创新成果，我们将我组的作品进行了专利申请，申请号为：201220196047.7，专利名称：一种可以上浮的车门装置，如图17所示的费用减缓通知书和如图18所示的专利受理通知书

图17

费用减缓通知书图18 专利申请受理通知书

参考文献

[1]逯跃川．《汽车落水》.ppt 百度文库—生活娱乐—健康；

http://wenku.baidu.com/ 2010-04-29

[2] 胡旭明.中国新闻网.《浙江金华发生汽车落水事故5人死亡》； http://www.daodoc.com/zjnews/index.htm 11