CN110403288B - 一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计 - Google Patents

一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计，当驾驶员在骑行过程中，遇到危险情况头部落地，即线弹性块一或者线弹性块二处落地，受到冲击，即可产生加速度碰撞，而压电换能块通过控制电路与安全气囊头盔上的气囊电连接，以便在危险情况头部头盔落地碰撞冲击时通过所述压电换能块将冲击机械能转换为电压信号为所述气囊打开供电，可以快速的实现气囊的打开，实现对使用者头部的保护，同时，本发明不需要自带电源，可以有效保护安全性的同时，降低头盔的重量，同时，本发明的加速度越大，压电换能块所产生的电压越大，同时在小加速度下，可产生大的电压，保证气囊顺利打开，保证触发的可靠性。

Description

一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计
技术领域
本发明涉及气囊头盔技术领域，具体是一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计。
背景技术
交通事故频发，致死率和致伤率居高不下。摩托车、自行车、电动车等二轮车，以其轻便型、廉价性的优点被大众广泛接受，成为家庭必备的交通工具之一。但由于二轮车,稳定性差,车速不稳定，缺少相应的保护设施,故驾乘该类车的风险性极高。因此如何为二轮车增加有效的保护，尤为重要。目前的保护措施主要是佩戴头盔，保护人体脆弱的头部器官组织。市面上的头盔大同小异，主要注重头盔表面材料的坚固性和整体的透气性。
安全气囊在汽车上被广泛应用，它是一种被动安全装置，在发生撞击时，它与座椅安全带配合使用，可以为乘员提供有效的防撞保护，可使头部受伤率减少25％，面部受伤率减少80％左右。
对于汽车中的气囊来说，其一般采用专门的控制电路进行控制，而气囊的打开也一般由汽车电瓶等进行供电，以便电控制是否开启。而对于头盔来说，由于头盔的结构等限制，其气囊如果设计电源等，不仅需要时常对电源进行维护，而且，比较笨重，一旦忘记维护或者使用时电源出现问题，则会出现气囊无法被触发打开等问题，影响安全性。
因此，本发明提供了一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计，其包括安装座主体和压电换能加速度计单元，所述安装座主体上至少设置有一个所述压电换能加速度计单元，其特征在于，所述压电换能加速度计单元包括线弹性块一、线弹性块二和压电换能块，所述线弹性块一和压电换能块间隔的固定布设在所述线弹性块二的上端面上，且所述线弹性块一、线弹性块二采用金属弹性材料制成的长方体结构，所述压电换能块采用锆钛酸铅压电陶瓷制成的长方体结构；
所述压电换能块通过控制电路与安全气囊头盔上的气囊电连接，以便在危险情况头部头盔落地碰撞冲击时通过所述压电换能块将冲击机械能转换为电压信号为所述气囊打开供电。
进一步，作为优选，所述线弹性块一为铁材质制成，所述线弹性块二为铜材质制成。
进一步，作为优选，所述安装座主体为圆柱或者长方体结构，且所述压电换能加速度计单元为圆周阵列设置在所述安装座主体四周的至少两个。
进一步，作为优选，所述安装座主体(4)为球体结构，且所述压电换能加速度计单元为沿着安装座主体(4)的外球面四周阵列设置的多个，且各个压电换能加速度计沿着安装座主体的球体直径方向延伸。
进一步，作为优选，所述安装座主体的外圆周上圆周阵列设置有多组压电换能加速度计单元组，每组压电换能加速度计单元组均包括沿着安装座主体的轴向中部径向平面对称布置的两个压电换能加速度计单元，且两个压电换能加速度计单元间隔布置。
进一步，作为优选，所述线弹性块二(2)的上端面两侧还连接设置有弧形延伸的柔性护罩，所述线弹性块一和压电换能块均位于所述柔性护罩内。
进一步，作为优选，所述柔性护罩采用弹性绝缘材料制成。
进一步，作为优选，所述线弹性块一的厚度至少为所述线弹性块二或压电换能块的厚度的三倍，所述压电换能块的长度大于所述线弹性块一的长度，且所述线弹性块二的长度大于所述压电换能块与线弹性块一的长度之和。
进一步，作为优选，所述压电换能加速度计单元为4-10个。
进一步，本发明提供了一种安全气囊头盔，其特征在于，其采用本发明所述的一种安全气囊头盔专用头盔加速计，其特征在于，该头盔加速计能够在危险情况头部头盔落地碰撞冲击时通过所述压电换能块将冲击机械能转换为电压信号为所述气囊打开供电，进而实现触发气囊头盔中的整个气囊装置，从而保护使用者。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一种安全气囊头盔及其专用头盔加速计，当驾驶员在骑行过程中，遇到危险情况头部落地，即线弹性块一或者线弹性块二处落地，受到冲击，即可产生加速度碰撞，而压电换能块通过控制电路与安全气囊头盔上的气囊电连接，以便在危险情况头部头盔落地碰撞冲击时通过所述压电换能块将冲击机械能转换为电压信号为所述气囊打开供电，可以快速的实现气囊的打开，实现对使用者头部的保护，同时，本发明不需要自带电源，可以有效保护安全性的同时，降低头盔的重量，同时，本发明的加速度越大，压电换能块所产生的电压越大，同时在小加速度下，可产生大的电压，保证气囊顺利打开，保证触发的可靠性，本发明的这种气囊头盔，整体装备轻便，简单，为出行提供优良的安全体验，成为户外出行的必备装备，广泛适用于大众人群的日常使用，本发明利用压电技术作为头盔加速度计，结构简单，不发热，无电磁干扰，无污染和易于实现小型化和集成化，能够满足低耗能产品的电能需求。
附图说明
图1为一种安全气囊头盔专用头盔加速计的压电换能加速度计单元主视结构示意图；
图2为一种安全气囊头盔专用头盔加速计的压电换能加速度计单元的三维结构示意图；
图3为一种安全气囊头盔专用头盔加速计中的实施例一结构示意图。
图4为一种安全气囊头盔专用头盔加速计中的实施例二结构示意图；
图5为一种安全气囊头盔专用头盔加速计的实施例三结构示意图；
图6为一种安全气囊头盔专用头盔加速计的实施例四结构示意图；
图7为振动能—电能换能器工作原理；
图8为电势随时间变化图；
图9为加速度与电压关系图；
图10a-图10d为不同加速度下加速度计位移变化图；
图11a-图11f为不同特征频率下位移的变化图。
具体实施方式
请参阅图1～11，本发明实施例中，一种安全气囊头盔专用头盔加速计，其包括安装座主体4和压电换能加速度计单元，所述安装座主体上至少设置有一个所述压电换能加速度计单元，其特征在于，如图1-2，所述压电换能加速度计单元包括线弹性块一1、线弹性块二2和压电换能块3，所述线弹性块一1和压电换能块3间隔的固定布设在所述线弹性块二2的上端面上，且所述线弹性块一1、线弹性块二2采用金属弹性材料制成的长方体结构，所述压电换能块3采用锆钛酸铅压电陶瓷制成的长方体结构；所述压电换能块3通过控制电路与安全气囊头盔上的气囊电连接，以便在危险情况头部头盔落地碰撞冲击时通过所述压电换能块将冲击机械能转换为电压信号为所述气囊打开供电。
在本发明中，所述线弹性块一1为铁材质制成，所述线弹性块二2为铜材质制成。
在本发明的实施例一中，所述安装座主体4为圆柱或者长方体结构，且所述压电换能加速度计单元为圆周阵列设置在所述安装座主体4四周的至少两个。
在本发明的实施例二中，所述安装座主体4为球体结构，且所述压电换能加速度计单元为沿着安装座主体4的外球面四周阵列设置的多个，且各个压电换能加速度计沿着安装座主体的球体直径方向延伸，所述压电换能加速度计单元为4-10个，最佳的选择为6个。
在本发明的实施例三中，所述安装座主体的外圆周上圆周阵列设置有多组压电换能加速度计单元组，每组压电换能加速度计单元组均包括沿着安装座主体的轴向中部径向平面对称布置的两个压电换能加速度计单元，且两个压电换能加速度计单元间隔布置。
在本发明的实施例四中，所述线弹性块二2的上端面两侧还连接设置有弧形延伸的柔性护罩，所述线弹性块一和压电换能块均位于所述柔性护罩内。所述柔性护罩采用弹性绝缘材料制成。
其中，所述线弹性块一的厚度至少为所述线弹性块二或压电换能块的厚度的三倍，所述压电换能块的长度大于所述线弹性块一的长度，且所述线弹性块二的长度大于所述压电换能块与线弹性块一的长度之和。
此外，本发明还提供了一种安全气囊头盔，其特征在于，其采用本发明的一种安全气囊头盔专用头盔加速计，该头盔加速计能够在危险情况头部头盔落地碰撞冲击时通过所述压电换能块将冲击机械能转换为电压信号为所述气囊打开供电，进而实现触发气囊头盔中的整个气囊装置，从而保护使用者。
下面详细介绍本发明的工作原理以及可靠性。
本发明选用振动能—电能换能器，可将机械能转换为电能，作为加速度计为气囊头盔的释放供能，其原理如图7所示。压电发电是一种能量回收技术，本发明利用该技术作为头盔加速度计，结构简单，不发热，无电磁干扰，无污染和易于实现小型化和集成化，能够满足低耗能产品的电能需求。
本发明采用有限元分析与证明本发明加速度计的可靠性。
头盔加速计是基于固体力学—线弹性、压电学的有限元模型分析。目前，常用的有限元分析软件有Femap+NX Nastran，COMSOL Multiphysics，pFEPG等等。COMSOLMultiphysics内含大量预定义的物理应用模式，范围涵盖从流体流动、热传导、到结构力学、电磁分析等多种物理场，用户可以快速的建立模型。同时COMSOL定义模型非常灵活，能解决很多常见的物理问题，也可以用户自己定义偏微分方程，非常方便。因此本发明选用COMSOL作为我们仿真计算的工具。
本发明采用线弹性力学模型，对于本模型中的线弹性材料需满足以下方程：
平衡方程：
Figure GDA0003791851140000051
Figure GDA0003791851140000052
Figure GDA0003791851140000053
几何方程：
Figure GDA0003791851140000054
Figure GDA0003791851140000055
Figure GDA0003791851140000056
本构方程：
Figure GDA0003791851140000057
其中σxx、σyy、σzz表示直角坐标系下三个方向的正应力，εxx、εyy、εzz表示对应的正应变，σxy、σxz、σyz表示直角坐标系下三个剪应力，εyz、εyz、εxy表示对应的剪应变，u、v、w表示直角坐标系下三个方向的位移，E表示杨氏模量、v表示泊松比。
压电材料除满足以上方程条件外，还应满足压电方程。压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，压电方程是描述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。由于应用状态和测试条件的不同，压电晶片振子可以处在不同的电学边界条件和机械边界条件下，即压电方程的独立变量可以任意选择，所以根据机械自由和机械夹持的机械边界条件与电学短路和电学开路的电学边界条件，描述压电材料的压电效应的方程共有4类，即d型、e型、g型、h型。该头盔加速度计属于第二类压电方程边界条件，即机械夹持和电学短路。第二类压电方程边界条件：
T＝cES-etE
D＝eS+εSE
其中，εS为应变恒定时的介电常数夹紧介电常数，cE为场强恒定时短路的弹性刚度系数，T为应力，D为电位移，S为应变，E为电场强度。
此外，还应考虑压电材料在静电场中的电荷守恒。压电材料没有自由电荷，而只有束缚电荷。在微观层面，这些束缚电荷可以被外部电场所取代，从而产生感应电偶极子。这些感应电偶极子是成对的正负电荷，在某种程度上与电场方向一致，导致电介质材料内的电场与自由空间的电场不同。极化矢量场P和极化电荷密度ρp，其关系式为：
Figure GDA0003791851140000061
极化效应会局部改变材料内部的电场：
Figure GDA0003791851140000062
电场D定义为：
D＝∈0E+PD＝∈0E+P
电场方程可写为：
Figure GDA0003791851140000063
当驾驶员在骑行过程中，遇到危险情况头部落地，即a处落地，受到冲击，假设此时Z方向加速度，利用comsol求解振动的固有频率和瞬态位移、应力等变化。
分析结果
(1)不同加速度下加速度计电势和电压的变化
本发明仿真了四个加速度下，锆钛酸铅压电陶瓷电势随时间的变化，并选取了压电陶瓷中的某一点观察其变化，如图8所示。从图8可以看出，随着时间增加，电势值增大。加速度越大，幅值大，涨幅也大，表明遇到危险情况加速度大时，加速度计可以迅速为气囊供电，使安全气囊打开，保护头部。
进一步，本发明计算得到了系统加速度与电压的关系，更直观反映该设计的可行度，如图9所示。从图9中，可以看到，加速度计电压与加速度呈线性关系，加速度越大，电压越大。同时在小加速度下，可产生大的电压，保证气囊顺利打开，证明设计的可靠性。
(2)不同加速度下的加速度计位移变化
不同加速度下，加速度计形变位移如图10a-图10d所示。加速度越大，加速度计形变位移越大，机械能转换成电能越多。
(3)、不同特征频率下位移的变化
共振是指机械系统所受激励的频率与该系统的某阶固有频率相接近时，系统振幅显著增大的现象。共振时，激励输入机械系统的能量最大，系统出现明显的振型称为位移共振。经comsol仿真，计算得到该系统的六个特征频率16863Hz、18322Hz、22736Hz、46743Hz、55226Hz、65764Hz，如图11a-11f所示。在该特征频率下，系统形变量大，应注意避免。
本发明实现了基于comsol软件的固体力学和压电学仿真,模拟了用压电陶瓷将机械振动转换成电压信号的过程，为气囊加速度计供能，及时触动气囊膨胀，通过力学、电学的仿真，验证该设计的可靠性和安全性。当车祸发生时，这种气囊会瞬间膨胀起来，形成一个气囊状头盔包裹在骑车者的头部，安全有效地保护头部。此外，这应用设计中，应采取相关措施，避开特征频率，延长装置的寿命。
本发明选择具有压电效应的压电陶瓷作为核心部件，该设计利用危险发生时的冲击振动转换成电能，有效及时地打开头盔安全气囊，从而保护骑行者，对于提高道路安全，减低受伤、甚至死亡率具有关键地促进作用。无需自带电池，整体装备轻便，简单，为出行提供优良的安全体验，成为户外出行的必备装备，广泛适用于大众人群的日常使用。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种安全气囊头盔专用头盔加速计，其包括安装座主体(4)和压电换能加速度计单元，所述安装座主体上至少设置有一个所述压电换能加速度计单元，其特征在于，所述压电换能加速度计单元包括线弹性块一(1)、线弹性块二(2)和压电换能块(3)，所述线弹性块一(1)和压电换能块(3)间隔的固定布设在所述线弹性块二(2)的上端面上，且所述线弹性块一(1)、线弹性块二(2)采用金属弹性材料制成的长方体结构，所述压电换能块(3)采用锆钛酸铅压电陶瓷制成的长方体结构；
所述压电换能块(3)通过控制电路与安全气囊头盔上的气囊电连接，以便在危险情况头部头盔落地碰撞冲击时通过所述压电换能块将冲击机械能转换为电压信号为所述气囊打开供电；
所述安装座主体(4)为圆柱或者长方体结构，且所述压电换能加速度计单元为圆周阵列设置在所述安装座主体(4)四周的至少两个；
所述安装座主体的外圆周上圆周阵列设置有多组压电换能加速度计单元组，每组压电换能加速度计单元组均包括沿着安装座主体的轴向中部径向平面对称布置的两个压电换能加速度计单元，且两个压电换能加速度计单元间隔布置；
所述线弹性块二(2)的上端面两侧还连接设置有弧形延伸的柔性护罩，所述线弹性块一和压电换能块均位于所述柔性护罩内；
所述线弹性块一的厚度至少为所述线弹性块二或压电换能块的厚度的三倍，所述压电换能块的长度大于所述线弹性块一的长度，且所述线弹性块二的长度大于所述压电换能块与线弹性块一的长度之和；
所述线弹性块一(1)为铁材质制成，所述线弹性块二(2)为铜材质制成。
2.根据权利要求1所述的一种安全气囊头盔专用头盔加速计，其特征在于，所述安装座主体(4)为球体结构，且所述压电换能加速度计单元为沿着安装座主体(4)的外球面四周阵列设置的多个，且各个压电换能加速度计沿着安装座主体的球体直径方向延伸。
3.根据权利要求1所述的一种安全气囊头盔专用头盔加速计，其特征在于，所述柔性护罩采用弹性绝缘材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种安全气囊头盔专用头盔加速计，其特征在于，所述压电换能加速度计单元为4-10个。
5.一种安全气囊头盔，其采用权利要求1-4任意一项所述的一种安全气囊头盔专用头盔加速计，其特征在于，该头盔加速计能够在危险情况头部头盔落地碰撞冲击时通过所述压电换能块将冲击机械能转换为电压信号为所述气囊打开供电，进而实现触发气囊头盔中的整个气囊装置，从而保护使用者。
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