一種汽車危險警示裝置設計*

龐小蘭， 吳和帝

（廣東理工學院， 廣東 肇慶 526100）

1 前言

通過對現有市場的調查， 市面上絕大多數轎車在夜間或在能見度低的情況下行車時， 發生緊急情況后， 所能采取警示到后車的措施大致有兩種： 一是在轎車內部打開的雙閃警示燈； 二是將三腳架放置在轎車后方150m處。 但是這兩種方法對于在高速公路上或者是能見度極低的環境下，如果對后車的警示程度不足， 對于尚未轉移到安全地區的同行人員以及將三腳架放在轎車后150m處的放置人員來說， 仍然存在一定的安全隱患， 即發生二次事故。 本課題研究汽車警示裝置， 是為了提高汽車的事故后安全性， 尤其是針對出現緊急情況后發生二次交通事故的情況， 并有效提高在緊急情況下的救援效率。

2 危險警示裝置的結構

汽車危險警示裝置主要是安裝在轎車頂部的一種具有獨立電源并且能在一定情況下自動響應的裝置。 整個警示器在結構上由LED顯示屏、 半自動彈起結構體以及控制電路3個主體部分組成， 如圖1所示。

圖1 危險警示裝置機構組成

1） 在LED顯示屏的結構部分中， 用能發出光的微晶玻璃作為主體， 結合LED顯示屏的支撐桿結構組成。

2） 在彈起機構主體中， 主要由電機和支撐架組成。

3） 控制電路部分， 由于顯示屏采用的是以并聯方式進行連接的LED燈， 外加PC光擴散板， 這樣警示效果會更好，并且還有防炫目的功能， 不會給后方車輛帶來危害。 采用紅色LED發光二極管， 紅色正好是警示的顏色。 供電電源采用5V電源供電， 為了方便手動控制危險警示裝置， 在電路中加入自鎖開關， 并且為了保證裝置能有效啟動， 本裝置在失電的時候也會自動啟動。

3 危險警示裝置設計

3.1 設計思路

汽車危險警示裝置以一種獨立裝置的形式存在。 控制電路設計中分為電源電路、 系統控制電路、 總線電路等方面。 危險警示裝置硬件電路設計要考慮到裝置本體的整體結構中每個硬件的電路設計情況。 系統設計的流程如圖2所示。

圖2 設計流程圖

3.2 啟動系統的設計

啟動系統電路設計中以按鈕和電路相結合。 按鈕設計數量為2個， 均在車內。 一個設計在汽車中央控制臺上， 方便前排駕駛人員在發生緊急情況時及時啟動裝置； 另一個設計在后排中間的頂部上， 這是為了確保前排成員失去啟動裝置的情況下， 后排乘員也有能力啟動警示裝置。

本裝置啟動方式為斷電啟動， 設計的按鈕為斷電開關。本裝置還具有自啟與自查功能。 當緊急情況過于嚴重， 破壞了裝置的總電路， 導致顯示系統與電源之間斷開， 則系統會將顯示器彈起， 顯示器也會同時運行； 當警示裝置長時間沒有使用， 其電路出現老化現象， 造成電路出現故障時， 使得顯示系統與電源之間斷開，同樣會同時啟動彈起系統與顯示系統， 其啟動流程如圖3所示。

圖3 啟動系統流程圖

3.3 彈起系統的設計

彈起系統組成如圖4所示。彈起機構的主要作用是在裝置啟動時將LED顯示器從車頂上90°升起， 通過LED屏循環播放警示文字來提醒后方車輛。 常見的屏幕彈起方式有兩種： 一種通過電磁鐵與彈簧的結合，一種通過電機將顯示屏升起。

3.3.1 電磁鐵方案設計

將電磁鐵安裝在汽車頂部， 電磁鐵是一種通電即產生磁力的裝置。 其主要構成是在鐵芯的外部， 將與其具有相同功率的導電繞組進行纏繞， 這種線圈在通有電流的時候， 會像磁鐵一樣具有磁性。 通常電磁鐵的形狀為蹄形和條形， 這是為了使鐵芯更容易磁化。 另外， 為了使電磁鐵通電立即得磁， 斷電立即消磁， 通常采用軟鐵或硅鋼材料進行電磁鐵的制作， 主要是這些材料得磁與消磁的速度更快， 這樣的電磁鐵在得電會產生磁性，斷電時磁性也會隨之消失。 因為磁鐵對導磁率越高的物體，體現出來的吸力越強， 所以在LED顯示器上端鑲入一塊導磁性較高的矽鋼片。 在警示裝置不運作時， 主要靠電磁鐵通電獲得磁性， 與矽鋼片產生磁力吸附， 從而固定在汽車頂部。 當危險警示裝置啟動時， 電磁鐵斷電而失去磁性，LED顯示器在屏幕下端彈簧結構的彈力作用下， 垂直于車頂立起來， 使顯示器達到警示后方車輛的效果。

總結： ①電磁鐵機構因為一斷電， 顯示器就會立馬彈起， 所以時效性好； ②不會因為結構損壞而導致LED顯示器彈不起來， 故障率低； ③整體由電磁鐵與彈簧構成， 結構簡單； ④需要源源不斷進行通電， 對電源要求高、 耗能大， 不利于汽車長時間停放， 而且危險裝置啟動后， 要手動去關閉， 善后操作麻煩。

3.3.2 電機方案設計

在危險警示裝置內部加入小型直流電機， 使顯示器的彈起由電機驅動， 如圖4所示。 小型直流電機效率比其他類型電機都要高， 可以達到相同的輸出功率， 而且電機體積較小， 方便安裝。 小型直流電機根據負載大小可以自動降速， 還可以吸收負載大小的突變， 電機轉速能自動適應負載大小。

圖4 彈起系統組成

小型直流電機的特點可以總結為： 體積小、 力矩大、減速范圍廣、 耗能低、 噪聲小以及耐用。 而衡量電動機的選擇合理與否， 要看選擇電動機時是否遵循了以下基本原則： ①電動機能夠完全滿足生產機械特性方面的要求， 如所需要的工作速度、 調速指標、 加速度、 啟動以及制動時間等； ②電動機在工作過程中， 其功率能被充分利用， 即溫升應達到標準規定的數值； ③電動機的結構形式應適應周圍環境的條件， 如防止外界灰塵、 水滴等物質進入電動機內部。

因為PLC的輸出電壓是24V， 故應選24V的直流減速電動機和2個24V的繼電器作為負載。 綜合警示設備的使用要求， 參考機械設計使用手冊， 所以本次電動機選用JGB37-545X。 主要參數： 工作制度為S、 額定功率20W、 額定電壓24V、 額定轉速1000r/min、 額定轉矩35kg·cm、 額定電流1A、 質量約300g。 綜合裝置的整體情況， 本裝置彈起系統選用電動機方案， 彈起結構如圖5所示。

圖5 彈起結構平面圖

3.4 回收系統的設計

警示裝置在緊急情況發生時進行啟動和使用，當緊急情況已被處理， 可通過按鈕將裝置進行回收， 回收系統組成如圖6所示。

圖6 回收系統組成

其工作原理主要是將回收信號傳輸到單片機， 單片機接收到回收信號后對電機進行控制， 將電機反轉信號送達至電機， 電機響應進行反轉， 通過齒輪驅動將屏幕收回。 裝置回收結構平面圖如圖7所示。

圖7 裝置回收結構平面圖

3.5 顯示系統設計

車輛本體上配備一個警示裝置可以提高對后車的警示程度， 更可以保障事故車輛免受二次事故。 一個理想的危險警示裝置顯示系統要滿足以下兩點要求： ①警示效果要好， 能清晰給后車警示反饋； ②位置布置合理， 不影響整車美觀。

3.5.1 警示效果

傳統的警示器也就是雙閃燈。 雙閃燈的優勢是穿透力強， 可以在幾百米之外給予后車警示， 提醒后方駕駛員減速慢行。 但是僅僅依靠雙閃燈后方車輛無法清晰判斷前方的準確情況， 也無法判斷前方車輛是在減速慢行還是拋錨在道路上， 所以加裝一個額外的危險警示裝置可以給到后方車輛清晰的反饋， 即前方車輛已拋錨， 需謹慎通過。 筆者曾經考慮過在車尾加裝一個激光投射器， 將警示內容投射在百米開外的地上， 這種裝置簡單且方便， 并且穿透力強， 顯示效果也好， 但是考慮到整車的高度不足， 無法清晰投射到遠處的地上， 并且激光投射若發生偏移， 將會使激光投射至后方駕駛員的眼睛， 造成眩目， 會給后方車輛的行駛造成安全隱患。 如果發生后方車輛追尾的情況， 激光投射將達不到警示效果等問題， 就放棄使用激光投射的方式， 而選擇使用LED顯示屏的方式進行顯示， 因為LED屏幕可以更加直觀地展示出警示內容， 不論白天黑夜都可以使用并達到使用效果。 除了翻車等極限情況外， 其余任何的緊急情況都可以使用， 即警示效果好， 運用場景多。

3.5.2 位置布置

在車頂靠車尾處進行布置， 合理利用車頂空間， 并且處在車輛的最高處， 可以將警示內容最大程度發至后方車輛。 在整車美觀方面， 由于裝置布置在車頂上， 人們對其的關注程度不高， 并且顯示器后蓋使用的是和車頂同樣的材質， 對整車的美觀影響不大。

本危險警示裝置的顯示器整體類似于一個筆記本電腦，循環播放： “前方減速， 慢行”， 以這種形式對后方車輛進行警示， 并進行10s頻閃來強化警示效果。 《中國國家標準GB 2893—82》 明確規定， 安全色為紅黃藍綠4種， 其中紅色表示停止、 禁止， 用于禁止標志和停止信號等。 黃色表示警告注意， 通常應用在警戒標志， 所以本顯示器的文字采用紅黃兩色， 如圖8所示。

圖8 顯示系統效果圖

4 試驗及結論

將危險警示裝置在某車上進行試驗， 該車主要尺寸為4976×1908×1405mm， 軸距為2928mm。 將LED顯示器布置于車頂后方中間位置，啟動按鈕布置在汽車中央控制器處和車輛后排頂部中間位 置。 如 圖9 所 示，當需要危險警示裝置時， 車內的所有人員通過按鈕1和按鈕2將其啟動， 顯示裝置會顯示圖8的效果。 試 驗 證 明， 在發生事故時能夠通過裝置達到警示作用， 減少二次事故發生的概率。

圖9 危險警示裝置實車布置圖