肖志信+盧浩+劉飛+楊應(yīng)雨+唐小珍

摘要：介紹了汽車碰撞后輔助開門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、技術(shù)參數(shù)，提出了沖擊氣缸在汽車安全領(lǐng)域的一種應(yīng)用方式，并對使用過程中可能出現(xiàn)的問題進行了探討。

關(guān)鍵詞：沖擊氣缸；沖擊功；電磁閥；壓縮氮氣罐

0引言

目前，車輛已普及在人們的日常生產(chǎn)生活中，車輛安全問題成為一項越來越重要的課題。汽車由于碰撞后車門變形使駕駛員不能及時脫險，導(dǎo)致寶貴的救援時間被耽誤，從而帶來嚴(yán)重后果。沖擊氣缸[1，2]作為一種氣動元件，具有較大的沖擊力與沖擊功，在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛。本文探索將沖擊氣缸應(yīng)用于快速、高效打開車門，從而使駕駛員及時脫險。

1 開門系統(tǒng)的組成

從功能原理方面考慮，本開門裝置由高壓氮氣罐、電磁閥和沖擊氣缸三部分組成。

2 開門系統(tǒng)的原理

本開門裝置的工作原理：電磁閥控制高壓氮氣罐內(nèi)的高壓氮氣通過軟管是否進入沖擊氣缸的蓄氣缸內(nèi)。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞的一瞬間，電磁閥閥門迅速開啟，高壓氮氣罐內(nèi)的高壓氮氣進入沖擊氣缸的蓄氣缸，使沖擊氣缸的活塞桿受到一個力，進而推動活塞桿高速運動，使車門受到?jīng)_擊荷載而迅速開啟。

3 高壓氮氣罐

氮氣在常況下是一種無色無味無嗅的氣體，通常無毒，且氮氣占大氣總量的78.12%（體積分?jǐn)?shù)），是空氣的主要成份，資源豐富。本安全系統(tǒng)采用高壓氮氣罐提供氮氣作為動能的“源頭”，高壓氮氣罐的規(guī)格采用0.3 L～1L。

4 電磁閥的結(jié)構(gòu)、原理及技術(shù)參數(shù)

4.1 電磁閥的結(jié)構(gòu)

電磁閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 電磁閥原理

本閥為分步動作直接先導(dǎo)式電磁閥，根據(jù)斷電時所處開、關(guān)狀態(tài)的不同，可分為常閉式電磁閥和常開式電磁閥。

常閉電磁閥：線圈通電后，銜鐵在電磁力作用下先帶動副閥閥塞提起，主閥閥杯上的流體經(jīng)副閥流走，減少了作用在主閥閥杯上的壓力，當(dāng)主閥閥杯上的壓力減少到一定值時，銜鐵帶動主閥閥杯，并利用壓差而使主閥閥杯開啟，介質(zhì)流通。線圈斷電后，電磁力消失，銜鐵因自重下落復(fù)位。同時依靠介質(zhì)壓力，主副閥得以緊密關(guān)閉。

常開電磁閥：線圈通電后由于吸力作用，動鐵芯下移，把副閥閥塞壓下，副閥關(guān)閉，主閥閥杯內(nèi)壓力上升，當(dāng)壓力升到一定值時，主閥閥杯的上下壓差一樣，由于電磁力作用，動鐵芯處于主閥閥杯下，壓緊主閥閥座，閥門關(guān)閉。線圈斷電時，電磁吸力為零，副閥閥塞和動鐵芯由于彈簧作用向上提起，副閥打開，主閥閥杯上的流體經(jīng)副閥流走，減少了作用在主閥閥杯上的壓力，當(dāng)主閥閥杯上的壓力減少到一定值時，利用壓差把主閥閥杯推起，主閥打開，介質(zhì)流通。

1—定鐵芯 2—線圈 3—動鐵芯 4、5—彈簧 6—活塞環(huán) 7—節(jié)流孔 8—密封材料 9—先導(dǎo)孔 10—彈簧 11—密封材料 12—導(dǎo)向柱

4.3 電磁閥的技術(shù)參數(shù)：

規(guī)格尺寸：DN15～DN50；

連接方式：內(nèi)螺紋、法蘭；

壓力等級：0～1.6MPa；

溫度范圍：≤200℃；

電源電壓：DC24～127V AC36～380V。

5 沖擊氣缸原理

沖擊氣缸[3，4]結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—活塞桿 2—泄氣口 3—活塞 4—中蓋 5—無桿腔 6—噴口 7—進氣口 8—有桿腔 9—工作氣缸 10—蓄氣缸

沖擊氣缸有多種缸徑選擇，分別為63、80、100、125等多種規(guī)格，行程為（1～5）D。由于其工作介質(zhì)要求干燥、無塵、油霧、潔凈的壓縮空氣，又要對環(huán)境無污染，因此選用壓縮氮氣。工作壓力為0.25～0.8MPa，使用溫度范圍-5℃～80℃。考慮到車門變形后受到的約束增多，需要較大的動能才能打開，故可利用沖擊氣缸通過碰撞產(chǎn)生的沖擊功將車門打開。沖擊功的大小與氣缸缸徑及行程S有關(guān)，因此合理選擇沖擊氣缸的規(guī)格關(guān)系到開門的成敗?；诎踩钥紤]，我們選擇缸徑為63，行程為100mm的沖擊氣缸。經(jīng)過實驗，測得最大沖擊功出現(xiàn)在行程S的55%處，即Smax=0.55S，由計算可知，沖擊功為31.6N·m，對應(yīng)行程為55mm。

氮氣源閥門開啟后，高壓氮氣由入氣口進入蓄氣缸后，缸內(nèi)壓強不斷增大，當(dāng)壓力達到一定臨界值時，活塞開始運動，蓄能階段結(jié)束，此時密封墊隨活塞離開噴氣口，由于蓄氣缸左側(cè)為作功腔，高速運動的氣體開始噴入作功腔，作功腔內(nèi)的壓強增大為P1，作用面積增大為整個活塞的面積，作用于活塞上的推力F由πd2P0/4突然變化到πD2P0/4（P0為蓄氣缸內(nèi)的壓強）。由此可見，沖擊力巨大，此時作功腔的氣體壓縮能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊膭幽?，使活塞快速運動，當(dāng)達到0.55S時，達到最大功。這時活塞達到泄壓口，作功腔壓力得以釋放，活塞達到最大速度；經(jīng)過泄壓口后，尾腔空氣被壓縮，產(chǎn)生的負壓與彈簧共同作用，使活塞減速，以降低對端部沖擊，同時碰撞塊與車門分離，從而使車門順利開啟。

由于沖擊氣缸不要求短時間內(nèi)進行連續(xù)往復(fù)沖擊，因此在普通沖擊氣缸的基礎(chǔ)上可省掉活塞收回步驟，只需要在裝置工作前手動復(fù)位；另外，沖擊氣缸還增加了緩沖彈簧，增強了氣缸工作的穩(wěn)定性與安全性。

6 結(jié)束語

本文通過對沖擊氣缸進行改造，并應(yīng)用于汽車安全領(lǐng)域，擴展了沖擊氣缸的用途。需要指出的是，在使用過程中，經(jīng)過上述改造的沖擊氣缸應(yīng)該將壓強嚴(yán)格控制在0.25～0.8MPa，壓強過低會導(dǎo)致不能正常工作，壓強過高會導(dǎo)致沖擊力過大，對人自身安全構(gòu)成威脅。此外，還應(yīng)確保氣缸密封良好，氣缸與連接管路結(jié)合緊密，構(gòu)件不會松脫，才能發(fā)揮整個裝置的最大性能。

參考文獻：

[1]李雪梅，曾德懷，丁峰.沖擊氣缸的設(shè)計及應(yīng)用[J].液壓與氣動，2005（3）：65～66

[2]張永明，章蘭珠，王學(xué)林，等.行人保護測試系統(tǒng)發(fā)射裝置的控制仿真研究[J].液壓氣動與密封，2011（8）：9～12

[3]陸鑫盛，周德高，陸憲忠.沖擊氣缸[J].冶金自動化，1983（3）：46～49

[4]徐文燦.沖擊氣缸的選用和設(shè)計方法[J].液壓與氣動，1984（2）：8～13

作者簡介：肖志信，男，漢族，（1968—），湖南衡陽人，湖南工學(xué)院，教授，已在各級刊物上發(fā)表論文30余篇。主要研究方向為：現(xiàn)代機械設(shè)計與制造技術(shù)研究。

基金項目：2013年度湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目“汽車碰撞后輔助逃生系統(tǒng)的研制”湘教通[2013]191號。endprint