汽車自救懸浮裝置的研究

范長志，關 勛，胥元勛，范寶成

（沈陽化工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

近年來，隨著人民生活水平的普遍提高，小汽車用戶逐年增多。但是，由于全球氣候的不穩定，我國多地區也容易發生極端天氣。就雨水較多的南方城市來說，夏季多會發生一些大暴雨，極易導致城市內澇，內澇的發生給城市交通、人民生活帶來不同程度的影響，特別是在交通方面，汽車受到的損害最大。因此，為減小汽車在內澇中的損害以及引起的經濟損失，我們開發出一款汽車自救懸浮裝置，旨在當內澇發生時保護汽車及人員的安全。

1 總體設計方案

汽車自救懸浮裝置可以使汽車在高水位的道路中漂浮起來，減少水對汽車的損害。整個裝置安裝在汽車的底盤［1］，不改變汽車底盤的機構分布、汽車的重量和越野能力以及汽車本身的外觀，當遇到突發事件時該裝置可以自動啟動。該裝置應啟動靈活，氣囊開啟迅速，所產生的氣體不會污染環境；同時該裝置整體上應工作可靠，結構緊湊，維修和拆卸方便。

在進行總體設計時應解決以下問題：

（1）在對一些家庭小轎車的底盤進行細致的研究時，了解到多數轎車都是前端安裝發動機和一些必要的器件結構，即汽車的大部分重量都集中在前端，因此應使裝置產生的浮力大部分都作用在前端，以保持車的平衡。

（2）為減小裝置的重量，固定架和連接桿應選強度比較高的鋁合金材料，從而能最大限度地減少裝置對汽車重量的增加。

（3）不改變汽車的外觀，選用多連桿機構，設計出伸縮機構，當裝置啟動時，通過液壓氣缸［2］將伸縮架從汽車的地盤下伸出來；不使用時也可以把伸縮架縮回去，不露在車身外面。

（4）汽車底盤前端安裝有紅外線傳感器，當汽車通過有積水的道路時傳感器可以實時監測汽車的涉水深度，一旦超過最大涉水深度時，在駕駛室的微處理器會發出警報。

（5）氣囊［3］包裹著氣體發生器，氣體發生器中裝有NaN3，NaN3在放電的條件下迅速發生反應產生大量的N2，為了使氣囊更加穩定地固定在鋁合金［4］伸縮架上面，在氣囊的外面安裝了固定帶，從而保證了氣囊緊緊地固定在鋁合金支架上，不至于脫落。

汽車自救懸浮裝置的總體設計方案如圖1所示。它主要由固定架、鋁合金伸縮支架、氣囊、氣體發生器和液壓氣缸等組成。

圖1 汽車自救懸浮裝置總體設計方案

該裝置的啟動由紅外線傳感器發出信號傳遞給微處理器來控制，由微處理器計算分析傳感器的信號來控制伸縮機構的打開和氣囊的膨脹。汽車自救懸浮裝置的具體工作過程如圖2所示。

2 伸縮機構的設計

該鋁合金伸縮支架是通過安裝在固定架的滑動軸承來實現伸縮的，而固定架左、右兩側的旋轉鋁合金支架通過鉸鏈連接來實現旋轉伸縮。整個伸縮機構的動力傳遞由氣缸通過多級連桿組成的傳動機構來完成，從而控制各個氣囊的伸縮。這樣就組成了整個裝置的伸縮機構，其結構簡圖如圖3所示。

圖2 汽車自救懸浮裝置的工作過程

圖3 汽車自救懸浮裝置的伸縮機構簡圖

由文獻［5］可知，自由度F自由度的計算公式為：

其中：n為活動構件數，n=13；Pl為低副數，Pl=19；Ph為高副數，Ph=0。經計算，圖3所示機構的F自由度=1。

通過計算可以看出，圖3中的機構具有確定的運動方向，能確保機構伸縮靈活且運動平穩。

3 浮力的設計

由于汽車各部分重量分布不均勻，因此要在底盤上對氣囊進行合理分配，使各部分的氣囊產生能承載對應部分重量的浮力，這樣，當汽車浮起來時，也能保證汽車的平衡。一般小汽車的重量在0.8t～2.0t，本文以豐田漢蘭達SUV為研究對象，該車重1.775t，最大涉水深度為455mm，軸距為2 790mm，長為4 795 mm，寬為1 910mm，高為1 730mm。首先采用Soild-Works進行裝置結構建模，然后用ANSYS軟件對汽車在水中的受力進行分析，最終得到氣囊所產生的浮力，根據F浮=ρgV（其中，F浮為浮力，ρ為水的密度，g為重力加速度，V為排水體積）計算出浮力大小。通過對現實車輛的車重分布進行分析后，按不同比例算出各氣囊要貢獻的浮力，進而推算出各氣囊的理論體積。由于氣囊中的氣體是由NaN3通過化學反應（2NaN3=Na+3N2）產生的，氣體最終會充滿整個氣囊，因此氣體反應裝置中所需N2的體積即等于氣囊體積，由N2的量進一步推算出化學方程式中NaN3的量，整個模擬實驗完成。

4 總體結構的分析

為了滿足鋁合金固定架和伸縮架的強度、剛度和穩定性要求，對懸浮裝置進行了巧妙的結構設計，使伸縮架能夠自由地伸縮，從而保證了汽車在水中漂浮時不至于出現固定架和支架的斷裂。對于氣體發生器中所需NaN3的質量，根據模擬實驗測得的數據可推算出實際情況下所需的該化學藥品NaN3的質量，此化學藥品的量能夠產生足夠的N2使氣囊膨脹，達到裝置預期的設計效果。

5 結束語

汽車自救懸浮裝置的研制開發具有一定的現實意義，該機構連接緊湊，靈活伸展；由微處理器和紅外線傳感器組合構建裝置的檢測系統，實時監測汽車的涉水深度。微處理器自動提醒使車主能夠選擇手動或者自動的開啟裝置（無人情況下系統默認自動開啟）。當水位超過汽車最大涉水深度時，氣缸會打開支架，放下螺旋槳；隨后氣囊會膨脹以提供必要的浮力使汽車浮在水面上，這樣就避免了積水過多時對汽車的損害，從而保護車中人員的生命安全，也大大降低了車主的經濟損失。綜上所述，該裝置具有廣闊的應用市場前景。

［1］ 陳家瑞.汽車構造［M］.北京：機械工業出版社 ，2009.

［2］ 樊尚春.傳感器技術和應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［3］ 李巍.汽車安全氣囊系統維修實例精選及剖析［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［4］ 于永泗，付廣艷.工程材料［M］.北京：北京理工大學出版社，2014.

［5］ 鄢利群，高路.機械設計基礎［M］.北京：化學工業出版社，2011.