汽車安全帶強制限速裝置研發

吳豫席　張志鵬　曾雨晨

摘 要：汽車安全帶強制限速裝置屬于被動安全裝置，由車速傳感器、加速踏板傳感器、電控節氣門傳感器、電壓濾波器、強制限速裝置等組成。該裝置的配置使得在乘員不佩戴安全帶的情況下，對車輛進行強制限速，解決高速時安全帶佩戴率不高的問題。

關鍵詞：安全帶;傳感器;速度監測;強制限速

1 座椅安全帶作用

座椅安全帶可以有效的將乘客的身體約束在座椅上，使乘客的身體盡可能的靠在座椅靠背上;當發生交通意外時，安全帶可以降低或者有效避免二次傷害給乘員帶來的威脅，使傷亡程度降到最低。但是安全帶佩戴率不高問題一直未得到根本的解決，本文中研發的安全帶強制限速裝置，不僅可以提高安全帶佩戴問題，而且可以提高被動安全。

2 安全帶強制限速控制裝置組成

2.1 車速傳感器

車速傳感器是用來檢測汽車行駛速度的裝置，將車速感應系統檢測到的感應信號傳給汽車電子控制單元ECU。

車速傳感器根據結構的不同可以分為舌簧開關式、電磁感應式、光電式、可變磁阻式傳感器，本次實驗以電磁感應式車速傳感器為例。

電磁感應式車速傳感器與自動變速器輸出軸上的齒輪相結合，裝在輸出軸附近的殼體上，形成感應信號來檢測輸出軸的轉速，如圖1a所示;電磁感應式車速傳感器由齒輪、永久磁鐵、電磁感應線圈、電控單元ECU組成，如圖1b所示。

電磁感應式車速傳感器工作時的運行狀態：當輸出軸轉動時，齒輪2隨軸一起轉動，齒輪2的凸齒為感應轉子，當齒輪間斷性地靠近或遠離感應線圈時，感應線圈內的磁通量將會發生變化，根據電磁感應原理，從而產生交變感應電動勢，并將此信號傳遞給電控單元ECU，得到的感應電壓如圖2所示;自動變速器輸出軸轉速越高，相應的車速也就越快，交變電壓脈沖周期也就越短，電子控制單元ECU根據車速傳感器感應電壓脈沖周期的大小來計算汽車行駛的速度。

2.2 加速踏板信號控制原理

現代汽車以汽油機和柴油機為主流，因此本裝置主要以汽油機和柴油機為例。汽油機通過加速踏板控制節氣門開度的大小來控制噴油量，以此調節發動機的轉速;柴油機通過加速踏板來直接控制噴油量。當汽油機采用全電控節氣門時，控制原理和柴油機相同，加速踏板只起到信號輸出的作用。汽車電子油門的加速踏板上安裝有位移傳感器，當駕駛員踩踏加速踏板時，加速踏板運動，行程將會發生改變，繼而影響節氣門位置傳感器的輸出電壓，當電壓信號輸送到發動機電控制單元ECU時，ECU根據加速踏板節氣門輸出電壓的高低來確定噴油量的多少，由于噴油量的多少與發動機的轉速成正比，則可以通過加速踏板來控制節氣門開度大?。垂潥忾T開度大小的電壓信號）來控制發動機的輸出轉速，由此我們可以通過控制加速踏板工作行程來控制車速。

2.3 電控汽車節氣門電壓波形分析

當加速踏板的工作行程發生改變時，節氣門開度大小也會發生改變，繼而節氣門位置傳感器的輸出電壓發生改變。本次實驗探究了線性輸出型節氣門位置傳感器電壓變化的波形;實驗時，打開汽車電器設備開關，發動機不進行運轉，慢慢踩動加速踏板直至加速踏板最大行程（即節氣門從關閉位置到節氣門全開），并慢慢松開加速踏板至原來位置（即節氣門從全開到關閉狀態）。反復試驗，得到加速踏板節氣門輸出電壓波形，如圖3所示。汽車在怠速狀態時，節氣門關閉，此時為最小輸出電壓等于880mV;當節氣門全開時，此時輸出電壓為4.36V。

2.4 安全帶強制限速工作原理

汽車在低速穩定駕駛過程中，車速與發動機的轉速成線性關系，加速踏板控制節氣門的輸出電壓與車速成成線性遞增關系，而且加速踏板是駕駛員控制車速主要參數之一，所以選擇加速踏板的節氣門輸出電壓大小作為駕駛員控制車速的主要依據。本裝置將“安全車速設定裝置”中的安全車速設定為x，此時對應的加速踏板節氣門輸出電壓為y。當汽車運行時，本裝置將對車速傳感器、安全帶卡扣開關以及控制加速踏板行程的傳感器電壓進行檢測，以確定其工作狀態，并根據不同狀態按以下模式進行工作，如圖4所示。

（1）工作方式

a.不受約束行駛模式

第一種情況：當車速傳感器檢測到車速未達到x時，車速傳感器電子控制單元ECU將對外輸出低電平，開關S1不閉合，整個電路處于斷路狀態，不起作用。

第二種情況：當車速傳感器檢測到車速達到或超過安全車速x時，車速傳感器將此信號傳遞給車速傳感器的ECU，ECU對外輸出高電平，開關S1閉合;然后安全帶卡扣檢測系統將對安全帶卡扣進行檢測，當安全帶卡扣檢測系統檢測到安全帶卡扣時（即駕駛員佩戴安全帶），電腦控制單元ECU對外輸出高電平，則安全帶卡扣開關S2閉合;此時電路1與電路2處于并聯狀態，電路2中會形成小電流，常閉繼電器將介入工作，使電路1部分處于斷路，電路2部分處于工作狀態;電路1中就會形成較大的電流，使安全帶收緊器開始工作，來調節安全帶織帶的長度，以滿足乘客（身材大小和肥胖）的不同需求，并以合適的力度將乘客固定在座椅上。

b.受約束的行駛模式

若車速傳感器檢測到車速達到或超過安全車速x時，車速傳感器將此信號傳遞給電子控制單元ECU，ECU對外輸出高電平，開關S1閉合;然后當安全帶卡扣檢測系統未檢測到安全帶卡扣時（即駕駛員未佩戴安全帶），電子控制單元ECU對外輸出低電平，即卡扣開關S2斷開，電路2處于斷路狀態，電路1處于工作狀態，此時安全帶提示燈亮起，蜂鳴器提示駕駛員系好安全帶，同時加速踏板干涉裝置處于工作狀態，干涉裝置將對加速踏板的節氣門輸出電壓進行強制干涉，將超過加速踏板節氣門安全電壓進行過濾，此時超過部分電壓變為y（如圖5所示），并將此電壓信號y傳遞給發動機ECU，使車速控制在安全車速x以下。如果駕駛員仍然在沒有系安全帶的情況下欲加大油門，則此強制干涉裝置仍向發動機的ECU輸入加速踏板電壓為y，使實際車速保持在安全車速以下。 只有當檢測系統檢測到安全帶卡扣為高電平（即電路2部分處于工作狀態，電路1處于斷路狀態）或者實際車速低于安全車速時（即S1處于斷路），干涉裝置不起干涉作用。

（2）電壓過濾器的電路分析

圖6是加速踏板節氣門開度電壓過濾器的原理電路。圖中U0是輸入電壓，U1為輸出端電壓，U為電壓源電壓，其電壓與加速踏板節氣門y相等，D為二極管，二極管能夠導通的最低正向電壓不計。當輸入端U0電壓小于電壓源U的電壓時，U0等于U1;當輸入端電壓U0大于電壓源電壓U時，輸出端電壓U0等于電壓源電壓U，以此起到對加速

踏板節氣門電壓起到濾波作用。

（3）安全帶強制限速裝置控制流程，如圖7。

3 結束語

本裝置屬于被動安全裝置，與安全帶相配合使用，彌補了安全帶佩戴率不高的問題，有效提高了乘員的安全性，同時降低了交通事故的嚴重性。

參考文獻：

[1]郭榮春 曹鳳萍 汽車安全工程 北京 中國水利水電出版社 2016.02.

[2]劉輝，趙建彪，李闖，等 基于限制車速的安全帶強制使用裝置[J].電子設計工程，2011.