CN102529874A - 一种汽车外置安全气囊装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车外置安全气囊装置，包括高强度气囊、气体发生器、信号处理器、一个以上超声波传感器和一个以上充气通道，所述超声波传感器固定安装在汽车的前置保险杠的外板上，各超声波传感器分别与信号处理器电连接，信号处理器与气体发生器电连接，各充气通道分别用于连通气体发生器与高强度气囊，高强度气囊固定安装在汽车的车头部位。本发明结构简单，安装方便，反应灵敏、发生错误概率低，具有显著的辅助制动效果，有助于保护人身安全。

Description

一种汽车外置安全气囊装置

技术领域

本装置涉及汽车被动安全保护技术领域。汽车外置安全气囊装置，按国际专利分列表(IPC)划分属于作业、运输部分(分部为交通运输)。

背景技术

在当今的小型轿车安全装置领域，内置气囊作为一种行之有效的防护措施已被广泛运用。汽车内置气囊自从问世以来，拯救了不少人的生命。然而事物都有两面性，内置气囊也有很多不可忽视的缺点与不足：(1)在低速碰撞不致命情况下，由于气囊起爆使一些因近视眼带眼镜的人眼睛受到伤害甚至失明，驾驶员也极易因为眼镜被撞坏或者眼睛受伤而酿成交通事故；(2)由于气囊是按正常成人身高匹配的，但这对于儿童来说却是致命的，曾经发生过多起气囊在碰撞起爆后将孩子颈椎折断致死案例，为此国外已立法禁止前排乘座幼童；(3)气囊必须配合安全带使用，否则在气囊强大冲击力的作用下人极有被甩到车外。

由此可见，无论车辆发生碰撞或者追尾，汽车的内置气囊只能在一定程度上保护车内的司机和乘客的安全。而被撞的行人、车辆，甚至是肇事车本身却难免受到重创。

基于此现状，部分科学家已有了设计汽车外置气囊的构想，外置气囊在车与障碍物的碰撞过程中可有效起到保护作用，但此设想仍未付诸实际生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车外置安全气囊装置，从而克服现有技术的部分或全部缺陷。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明的汽车外置安全气囊装置包括高强度气囊、气体发生器、信号处理器、一个以上超声波传感器和一个以上充气通道，所述超声波传感器固定安装在汽车的前置保险杠的外板上，各超声波传感器分别与信号处理器电连接，信号处理器与气体发生器电连接，各充气通道分别用于连通气体发生器与高强度气囊，高强度气囊固定安装在汽车的车头部位。

进一步地，本发明所述信号处理器根据所接收的来自超声波传感器的超声波信号实时获得汽车与前方障碍物的距离和汽车的制动距离，并在汽车的制动距离大于汽车与前方障碍物的距离时，由所述信号处理器指令气体发生器产生气体。

进一步地，本发明所述汽车与前方障碍物的距离为在超声波传感器接收到反射回来的第n个超声波的时刻，汽车与前方障碍物之间的距离，由公式(I)计算得到：

Sn≈Δt_n×v÷2                                            (I)

所述汽车的制动距离按式(II)-(IV)计算得到：

Vn≈(Δt_n-Δt_n+1)×v÷Δt                                (II)

T＝Vn÷|a|                                               (III)

S＝Vn×T+0.5a×T²                                        (IV)

式(I)-(IV)中，Δt_n表示超声波传感器发射和接收第n个超声波的时间差，Δt_n+1表示超声波传感器发射和接收第n+1个超声波的时间差，v表示超声波在空气中的传播速度，Δt表示超声波传感器发射第n+1个超声波和第n个超声波的间隔时间；Vn表示在超声波传感器接收到反射回来的第n+1个超声波的时刻，汽车与前方障碍物之间的相对速度；T表示汽车在超声波传感器接收到反射回来的第n+1个超声波的时刻开始制动至停止的时间；a表示汽车制动时的加速度；S表示在超声波传感器接收到发射回来的第n+1个超声波的时刻汽车的制动距离；Sn表示在超声波传感器接收到反射回来的第n个超声波的时刻，汽车与前方障碍物之间的距离；n》1。

进一步地，本发明所述高强度气囊位于前置保险杠的外板和缓冲材料之间。

进一步地，本发明所述超声波传感器的数量为两个以上。

进一步地，本发明在所述前置保险杠的外板的左、右端各至少有一个所述超声波传感器。

进一步地，本发明所述信号处理器包括信号转换器和继电器，各超声波传感器对应地与信号转换器的不同输入端电连接，信号转换器的输出端与继电器的输入端电连接，继电器的输出端与气体发生器电连接。

进一步地，本发明所述气体发生器包括电火花和装有气体生成物的高压气瓶；所述高压气瓶包括气体生成区和压力控制区，所述气体生成物置于气体生成区内；电火花固定安装在所述高压气瓶的内壁上，且所述电火花点火后能够诱发气体生成物产生气体，信号处理器的输出端与电火花电连接。

进一步地，本发明在所述压力控制区内安装有螺旋弹簧，所述螺旋弹簧的一端固定安装在高压气瓶的内壁上，所述螺旋弹簧的另一端自由。

进一步地，本发明在所述充气通道内安装有过滤器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)结构很简单，成本低。

(2)安装方便。本发明巧妙地将高强度气囊安装在汽车保险杠外板的内部空间；且信号处理器、气体发生器、充气通道均是小体积的装置，可以放置在汽车前部的剩余空间内，不会引起汽车原有结构的大幅度变化，任何有安装保险杠的汽车都可以安装本装置。

(3)反应灵敏，发生错误的概率低。本发明采用前置的传感器，通过对发射出的脉冲波遇障碍物之后反射回来的时间信号进行分析从而做出正确判断。采用两个以上传感器能够将信号覆盖的面积增大，检测区域更广；并且，如果多个传感器的接收器均接收到不正常状态的时间信号，更能够确定汽车将与前方障碍物发生碰撞或者追尾，这在一定程度上降低了信号输入导致错误判断的概率。

(4)当碰撞发生时，本发明装置自动开启，弹射出高强度气囊，能够极大地保护车体以及避免车体变形带来的对车内乘员的挤压伤害。

附图说明

图1为本发明汽车外置安全气囊装置的结构示意图；

图2为压缩后的外置气囊相对于整车的安装位置示意图；

图3为压缩后的外置气囊在塑料保险杠外板的内部空间的安装位置的局部放大图；

图4为外置气囊部分充气后将保险杠外板冲破的示意图；

图5为安装有第一超声波传感器和第二超声波传感器的整车示意图(正视图)；

图6为图5的俯视图；

图7为两车之间脉冲式超声波的出射、反射示意图；

图8为气体发生器的内部结构示意图；

图9为外置气囊在完全弹射状态下的示意图；

图10为信号处理器与传感器、电火花的电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

本发明的汽车外置安全气囊装置主要包括一个以上超声波传感器、信号处理器4、气体发生器6、一个以上充气通道和高强度气囊8。

本发明装置的发明构思是：在汽车25行驶过程中，由于特殊原因，汽车25将与前方的障碍物汽车24发生碰撞，在碰撞之前，汽车25会接收到信号并立刻弹射出高强度气囊8。高强度气囊8吸收碰撞过程中的能量，起到缓冲作用，有效降低事故对车和乘客造成的伤害。

本发明装置的信号接收是通过一个以上固定安装在汽车的前置保险杠的外板9上的超声波传感器来实现的，各超声波传感器沿外板9的长度方向间隔布置。超声波传感器由波源和接收器组成。如图7所示，超声波传感器的波源会向正前方发射一定频率的脉冲式超声波，脉冲式超声波遇到前方的障碍物(如汽车24)会反射回来，超声波传感器的接收器能够接收反射回来的超声波。采用多个以上超声波传感器的目的是将信号覆盖的面积增大，降低了由于信号输入有误导致错误判断的概率，且传感器之间的距离越大，信号覆盖的面积越大，准确度越高。只要检测到有一个超声波传感器反馈的信号满足外置气囊打开的预设条件，那么汽车外置气囊就会打开，确保汽车的安全。

在汽车正常行驶或者驻停状态时，脉冲式超声波发射和反射的时间差处在一个动态稳定的范围之内；一旦汽车要发生追尾或者碰撞时，汽车与前方障碍物之间的相对距离急速改变，这时候发出的脉冲式波发射和反射的时间差急剧缩短，超声波传感器的接收器主要接收脉冲波发射和反射的时间差也急剧缩短。当信号转换器21判断只要有一个超声波传感器输送过来的信号符合预设条件时，就打开汽车外置气囊。此处的预设条件可由技术人员综合考虑超声波传感器的相邻两个超声波的发射和接收的时间差、汽车25制动时的加速度以及超声波在空气中的传播速度等因素进行设定。以下进行具体说明。

为方便说明本发明的技术方案，以下以第n个超声波和第n+1个超声波来表示超声波传感器相继发射的两个相邻超声波。参看图7，假设超声波在空气中的传播速度是340m/s，在t_n′时刻超声波传感器的波源发射第n个超声波脉冲，在t_n″时刻超声波传感器的接收器接收到反射回来的第n个超声波，则第n个超声波的发射与反射的时间差Δt_n＝t_n″-t_n′；假设在t_n″时刻汽车25与障碍物24之间的距离为Sn，则Sn≈Δtn×340m/s÷2；另假设在t_(n+1)′时刻超声波传感器的波源发射第n+1个超声波脉冲，在t_(n+1)″时刻超声波传感器的接收器接收到反射回来的第n+1个超声波，则第n+1个超声波的发射与反射的时间差Δt_n+1＝t_n+1″-t_n+1′；设超声波的频率为40Hz，则超声波传感器发射相邻两个超声波脉冲的间隔时间为0.025s(即1s÷40＝0.025s)；设t_(n+1)″时刻汽车25与障碍物24之间的相对速度为Vn，则Vn≈(Δt_n-Δt_n+1)×340m/s÷0.025s；假设汽车25制动时的加速度a为-5m/s²，则汽车25由t_(n+1)″时刻开始制动至停止的时间T＝Vn÷|a|，则可计算得汽车25的制动距离S＝Vn×T+0.5aT²；当汽车的制动距离S大于t_n″时刻汽车25与障碍物24之间的距离Sn时，就满足气囊打开的条件。

图1、图5和图6示出了一种优选的实施方式，在汽车25的前置保险杠外板9的左、右两端的端部分别固定安装第一超声波传感器1和第二超声波传感器2，从而将信号覆盖的面积尽可能增大，扩大检测区域。如图1所示，第一超声波传感器1通过信号输入导线3-1与信号处理器4电连接，第二超声波传感器2通过信号输入导线3-2与信号处理器4电连接；第一超声波传感器1接收到的第一时间信号和第二超声波传感器2接收到的第二时间信号分别通过信号输入导线3-1和3-2传递给信号处理器4；信号处理器4与气体发生器6电连接。

如图10所示，信号处理器4由信号转换器21和继电器22组成。各超声波传感器对应地与信号转换器21的不同输入端电连接，信号转换器21的输出端与继电器22的输入端电连接，继电器22的输出端与气体发生器6电连接。其中，信号转换器21可以选用8051单片机，继电器22可以采用上海欧姆龙公司生产的型号为TQ2-12V的电磁继电器。信号转换器21将第一超声波传感器1和第二超声波传感器2输送过来的两个时间信号转换成电信号，具体表现为输出高/低电平。当信号转换器21接收第一超声波传感器1和第二超声波传感器2输送过来的时间信号符合预设的气囊打开条件时，信号转换器21输出低电平，否则输出高电平。继电器22将信号转换器21输送过来的电信号转化为电火花的打开与关闭信号：当信号转换器21向继电器22输入低电平时，继电器22中的电路导通，电火花12点火；当信号转换器21向继电器输入高电平时，继电器22中的电路断开，电火花12不能点火。

如图8所示，气体发生器6主要包括电火花12和装有气体生成物19的高压气瓶13。高压气瓶13分为气体生成区13-1和压力控制区13-2。气体生成物19置于气体生成区13-1内；电火花12则固定安装在高压气瓶13的内壁上，其正极与信号转换器22电连接，负极接地。电火花12点火之后将诱发高压气瓶13内的气体生成物19进行反应。气体生成物19通常可使用NaN₃、和NH₄NO₃，其具体的反应方程式为：2NaN₃+NH₄NO₃＝2Na+3N₂(g)+N₂O(g)+2H₂O。

作为本发明的优选实施方式，如图8所示，可通过在压力控制区13-2内安装螺旋弹簧14来调整高压气瓶13内的气体压力。螺旋弹簧14的一端固定安装在高压气瓶13的内壁面上，另一端自由。随着高压气瓶13内的压力变化，螺旋弹簧14会进行伸缩，从而调节气体生成区13-1的空间大小；而随着气体生成区13-1的空间大小的变化，气体发生物之间距离也会随之发生变化，从而影响气体发生物的反应速度，并进一步影响高压气瓶13内的气体压力。当高压气瓶13内的气体压力较大时，螺旋弹簧14的压缩量较大，气体生成区13-1的空间增大，气体发生物之间距离加大，反应速度减慢，气体生成就减慢，从而高压气瓶13内的气体压力降低；反之同理。由此可见，可以通过螺旋弹簧14的压缩量来调整高压气瓶13内的气体压力。压力控制区13-2所在的高压气瓶13的壁上开有第一出气口15-1和第二出气口15-2。第一出气口15-1与第一充气通道7-1连通，第二出气口15-2与第二充气通道7-2连通。进一步地，如图8所示，在第一充气通道7-1内安装有第一过滤器16-1，在第二充气通道7-2内安装有第二过滤器16-2。高压气瓶13内产生的气体分别通过第一出气口15-1、第二出气口15-2以及对应的充气通道进入高强度气囊8，过滤器能够吸收从充气通道经过的气体中的有害成分或微粒。采用多个充气通道可以使气体更快速地充满气囊，缩短气囊膨胀的时间，更好地起到保护作用。

如图2和图3所示，为不影响车辆的外观，作为本发明的优选实施方式，未充气的高强度气囊8是折叠安放在前置保险杠的内部空间里的，即在保险杠的外板9和缓冲材料10之间。如图3所示，大多数轿车前后的保险杠在保持原有的保护功能时，更追求保险杠本身的“轻量化”，故轿车大多采用“塑料保险杠”，该种塑料保险杠主要由外板9、缓冲材料10和横梁11三部分组成。外板9和缓冲材料10均用塑料制成，并附着在横梁11上；横梁11用厚度为1.5毫米左右的冷轧薄板冲压而成U形槽，与车架纵梁螺丝连接。所以，在汽车正常行驶或驻停状态下，将压缩的气囊8放置在保险杠的内部空间里，即在前置保险杠的外板9和缓冲材料10之间，这样既不影响车辆的外观和保险杠本身的保护功能，又能有效地起到缓冲作用，增强汽车的安全性能。

如图4所示，当前置保险杠的外板9受到一定强度的力F之后(充气后的气囊8足以提供此力)，很容易就脱离横梁11。随即在很短的时间内，气囊8继续充气，直到充满状态，如图9所示。若此时汽车25与汽车24发生碰撞或者追尾时，外置气囊可以马上接收信号并弹射出来。由于外置气囊8本身选用高强度的材料制成，在弹射瞬间可迅速充满气体，在车辆与障碍物的碰撞过程中就能吸收大部分的能量，减小车辆的速度，有效起到缓冲作用，从而对车及乘客起到一定的保护作用。

Claims (10)

1.一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：它包括高强度气囊(8)、气体发生器(6)、信号处理器(4)、一个以上超声波传感器和一个以上充气通道，所述超声波传感器固定安装在汽车的前置保险杠的外板(9)上，各超声波传感器分别与信号处理器(4)电连接，信号处理器(4)与气体发生器(6)电连接，各充气通道分别用于连通气体发生器(6)与高强度气囊(8)，高强度气囊(8)固定安装在汽车的车头部位。

2.根据权利要求1所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：所述信号处理器(4)根据所接收的来自超声波传感器的超声波信号实时获得汽车与前方障碍物的距离和汽车的制动距离，并在汽车的制动距离大于汽车与前方障碍物的距离时，由所述信号处理器(4)指令气体发生器(6)产生气体。

3.根据权利要求2所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：

所述汽车与前方障碍物的距离为在超声波传感器接收到反射回来的第n个超声波的时刻，汽车与前方障碍物之间的距离，由公式(I)计算得到：

Sn≈Δt_n×v÷2                                        (I)

所述汽车的制动距离按式(II)-(IV)计算得到：

Vn≈(Δt_n-Δt_n+1)×v÷Δt                             (II)

T＝Vn÷|a|                                            (III)

S＝Vn×T+0.5a×T²                                     (IV)

式(I)-(IV)中，Δt_n表示超声波传感器发射和接收第n个超声波的时间差，Δt_n+1表示超声波传感器发射和接收第n+1个超声波的时间差，v表示超声波在空气中的传播速度，Δt表示超声波传感器发射第n+1个超声波和第n个超声波的间隔时间；Vn表示在超声波传感器接收到反射回来的第n+1个超声波的时刻，汽车与前方障碍物之间的相对速度；T表示汽车在超声波传感器接收到反射回来的第n+1个超声波的时刻开始制动至停止的时间；a表示汽车制动时的加速度；S表示在超声波传感器接收到发射回来的第n+1个超声波的时刻汽车的制动距离；Sn表示在超声波传感器接收到反射回来的第n个超声波的时刻，汽车与前方障碍物之间的距离；n大于等于1。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：所述高强度气囊(8)位于前置保险杠的外板(9)和缓冲材料(10)之间。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：所述超声波传感器的数量为两个以上。

6.根据权利要求5所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：在所述前置保险杠的外板(9)的左、右端各至少有一个所述超声波传感器。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：所述信号处理器(4)包括信号转换器(21)和继电器(22)，各超声波传感器对应地与信号转换器(21)的不同输入端电连接，信号转换器(21)的输出端与继电器(22)的输入端电连接，继电器(22)的输出端与气体发生器(6)电连接。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：所述气体发生器(6)包括电火花(12)和装有气体生成物(19)的高压气瓶(13)；所述高压气瓶(13)包括气体生成区(13-1)和压力控制区(13-2)，所述气体生成物(19)置于气体生成区(13-1)内；电火花(12)固定安装在所述高压气瓶(13)的内壁上，且所述电火花(12)点火后能够诱发气体生成物(19)产生气体，信号处理器(4)的输出端与电火花(12)电连接。

9.根据权利要求8所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：在所述压力控制区(13-2)内安装有螺旋弹簧(14)，所述螺旋弹簧(14)的一端固定安装在高压气瓶(13)的内壁上，所述螺旋弹簧(14)的另一端自由。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的一种汽车外置安全气囊装置，其特征在于：在所述充气通道内安装有过滤器。

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