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汽车自救悬浮装置的研究
作者：范长志，关 勋，胥元勋，范宝成
（沈阳化工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110142）
摘要：针对目前城市内涝给汽车带来的损害，对国内外水陆两用汽车进行了比较，设计了一款汽车自救悬浮装置。当遭遇强降雨时，道路会有大量的积水，如果积水的深度达到汽车的最大涉水深度，红外线传感器会将这个信号传递给微处理器，然后由微处理器进行处理使悬浮装置工作，并发出警报。本装置基于自动和手动两种方式启动汽车自救悬浮装置，目的是使汽车浮在水面，有效地避免了内涝给车主带来的经济损失。
关键词：气囊膨胀；汽车；悬浮装置
中图分类号：U461. 5+3 文献标识码：A
0 引言
近年来，随着人民生活水平的普遍提高，小汽车用户逐年增多。但是，由于全球气候的不稳定，我国多地区也容易发生极端天气。就雨水较多的南方城市来说，夏季多会发生一些大暴雨，极易导致城市内涝，内涝的发生给城市交通、人民生活带来不同程度的影响，特别是在交通方面，汽车受到的损害最大。因此，为减小汽车在内涝中的损害以及引起的经济损失，我们开发出一款汽车自救悬浮装置，旨在当内涝发生时保护汽车及人员的安全。
l 总体设计方案
汽车自救悬浮装置可以使汽车在高水位的道路中漂浮起来，减少水对汽车的损害。整个装置安装在汽车的底盘，不改变汽车底盘的机构分布、汽车的重量和越野能力以及汽车本身的外观，当遇到突发事件时该装置可以自动启动。该装置应启动灵活，气囊开启迅速，所产生的气体不会污染环境；同时该装置整体上应工作可靠，结构紧凑，维修和拆卸方便。
在进行总体设计时应解决以下问题：
(1)在对一些家庭小轿车的底盘进行细致的研究时，了解到多数轿车都是前端安装发动机和一些必要的器件结构，即汽车的大部分重量都集中在前端，因此应使装置产生的浮力大部分都作用在前端，以保持车的平衡。
(2)为减小装置的重量，固定架和连接杆应选强度比较高的铝合金材料，从而能最大限度地减少装置对汽车重量的增加。
(3)不改变汽车的外观，选用多连杆机构，设计出伸缩机构，当装置启动时，通过液压气缸将伸缩架从汽车的地盘下伸出来；不使用时也可以把伸缩架缩回去，不露在车身外面。
(4)汽车底盘前端安装有红外线传感器，当汽车通过有积水的道路时传感器可以实时监测汽车的涉水深度，一旦超过最大涉水深度时，在驾驶室的微处理器会发出警报。
(5)气囊包裹着气体发生器，气体发生器中装有NaN3，NaN3在放电的条件下迅速发生反应产生大量的N2，为了使气囊更加稳定地固定在铝合金伸缩架上面，在气囊的外面安装了固定带，从而保证了气囊紧紧地固定在铝合金支架上，不至于脱落。
汽车自救悬浮装置的总体设计方案如图1所示。它主要由固定架、铝合金伸缩支架、气囊、气体发生器和液压气缸等组成。
该装置的启动由红外线传感器发出信号传递给微处理器来控制，由微处理器计算分析传感器的信号来控制伸缩机构的打开和气囊的膨胀。汽车自救悬浮装置的具体工作过程如图2所示。
2伸缩机构的设计
该铝合金伸缩支架是通过安装在固定架的滑动轴承来实现伸缩的，而固定架左、右两侧的旋转铝合金支架通过铰链连接来实现旋转伸缩。整个伸缩机构的动力传递由气缸通过多级连杆组成的传动机构来完成，从而控制各个气囊的伸缩。这样就组成了整个装置的伸缩机构，其结构简图如图3所示。
由文献[5]可知，自由度F自由度的计算公式为：
F自由度=3n-2Pl-Ph．
其中：n为活动构件数，n=13；Pl为低副数，Pl=19；Ph为高副数，Ph=0。经计算，图3所示机构的F自由度=1。
通过计算可以看出，图3中的机构具有确定的运动方向，能确保机构伸缩灵活且运动平稳。
3浮力的设计
由于汽车各部分重量分布不均匀，因此要在底盘上对气囊进行合理分配，使各部分的气囊产生能承载对应部分重量的浮力，这样，当汽车浮起来时，也能保证汽车的平衡。一般小汽车的重量在0.8 t～2.0 t，本文以丰田汉兰达SUV为研究对象，该车重1.775 t，最大涉水深度为455 mm，轴距为2 790 mm，长为4 795 mm，宽为1 910 mm，高为1 730mm。首先采用Soild-Works进行装置结构建模，然后用ANSYS软件对汽车在水中的受力进行分析，最终得到气囊所产生的浮力，根据F浮 =ρg V(其中，F浮为浮力，ρ为水的密度，g为重力加速度，V为排水体积)计算出浮力大小。通过对现实车辆的车重分布进行分析后，按不同比例算出各气囊要贡献的浮力，进而推算出各气囊的理论体积。由于气囊中的气体是由NaN3通过化学反应(2NaN3=Na+3N2)产生的，气体最终会充满整个气囊，因此气体反应装置中所需N2的体积即等于气囊体积，由N2的量进一步推算出化学方程式中NaN3的量，整个模拟实验完成。
4 总体结构的分析
为了满足铝合金固定架和伸缩架的强度、刚度和稳定性要求，对悬浮装置进行了巧妙的结构设计，使伸缩架能够自由地伸缩，从而保证了汽车在水中漂浮时不至于出现固定架和支架的断裂。对于气体发生器中所需NaN3的质量，根据模拟实验测得的数据可推算出实际情况下所需的该化学药品NaN3的质量，此化学药品的量能够产生足够的N2使气囊膨胀，达到装置预期的设计效果。
5结束语
汽车自救悬浮装置的研制开发具有一定的现实意义，该机构连接紧凑，灵活伸展；由微处理器和红外线传感器组合构建装置的检测系统，实时监测汽车的涉水深度。微处理器自动提醒使车主能够选择手动或者自动的开启装置（无人情况下系统默认自动开启）。当水位超过汽车最大涉水深度时，气缸会打开支架，放下螺旋桨；随后气囊会膨胀以提供必要的浮力使汽车浮在水面上，这样就避免了积水过多时对汽车的损害，从而保护车中人员的生命安全，也大大降低了车主的经济损失。综上所述，该装置具有广阔的应用市场前景。
参考文献：
[1] 陈家瑞，汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]樊尚春．传感器技术和应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.
[3]李巍，汽车安全气囊系统维修实例精选及剖析[M].北京：机械工业出版社，2010.
[4] 于永泗，付广艳．工程材料[M].北京：北京理工大学出版社，2014.
[5]鄢利群，高路．机械设计基础[M].北京：化学工业出版社，2011．
Self-rescue Suspension Device of Automobile
FAN Chang-zhi, GUAN Xun, XU Yuan-xun, FAN Bao-cheng
(College of Mechanical Engineering, Shengyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)
Abstract: In this paper, a vehicle suspension device for self-help is designed. When it rains heaviiy, there is a lot of water on road.If the depth of accumulated water reaches the limited level of car, the infrared sensor will give a signal to the microprocessor, the mi-croprocessor will start up the device and send out an alarm signal. The device can be controlled in two modes which are automatic mode and manual mode. The device can make the car floating on water, effectively protect the people in car from damage.
Key words: balloon expansion; automobile; suspension device
关键字：
