吳豫席　張志鵬　曾雨晨

摘 要：汽車安全帶強(qiáng)制限速裝置屬于被動(dòng)安全裝置，由車速傳感器、加速踏板傳感器、電控節(jié)氣門傳感器、電壓濾波器、強(qiáng)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(duì)車輛進(jìn)行強(qiáng)制限速，解決高速時(shí)安全帶佩戴率不高的問題。

關(guān)鍵詞：安全帶;傳感器;速度監(jiān)測(cè);強(qiáng)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(dāng)發(fā)生交通意外時(shí)，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(fā)的安全帶強(qiáng)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(dòng)安全。

2 安全帶強(qiáng)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(cè)汽車行駛速度的裝置，將車速感應(yīng)系統(tǒng)檢測(cè)到的感應(yīng)信號(hào)傳給汽車電子控制單元ECU。

車速傳感器根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為舌簧開關(guān)式、電磁感應(yīng)式、光電式、可變磁阻式傳感器，本次實(shí)驗(yàn)以電磁感應(yīng)式車速傳感器為例。

電磁感應(yīng)式車速傳感器與自動(dòng)變速器輸出軸上的齒輪相結(jié)合，裝在輸出軸附近的殼體上，形成感應(yīng)信號(hào)來檢測(cè)輸出軸的轉(zhuǎn)速，如圖1a所示;電磁感應(yīng)式車速傳感器由齒輪、永久磁鐵、電磁感應(yīng)線圈、電控單元ECU組成，如圖1b所示。

電磁感應(yīng)式車速傳感器工作時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪2隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2的凸齒為感應(yīng)轉(zhuǎn)子，當(dāng)齒輪間斷性地靠近或遠(yuǎn)離感應(yīng)線圈時(shí)，感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通量將會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，從而產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并將此信號(hào)傳遞給電控單元ECU，得到的感應(yīng)電壓如圖2所示;自動(dòng)變速器輸出軸轉(zhuǎn)速越高，相應(yīng)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(jù)車速傳感器感應(yīng)電壓脈沖周期的大小來計(jì)算汽車行駛的速度。

2.2 加速踏板信號(hào)控制原理

現(xiàn)代汽車以汽油機(jī)和柴油機(jī)為主流，因此本裝置主要以汽油機(jī)和柴油機(jī)為例。汽油機(jī)通過加速踏板控制節(jié)氣門開度的大小來控制噴油量，以此調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;柴油機(jī)通過加速踏板來直接控制噴油量。當(dāng)汽油機(jī)采用全電控節(jié)氣門時(shí)，控制原理和柴油機(jī)相同，加速踏板只起到信號(hào)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(dāng)駕駛員踩踏加速踏板時(shí)，加速踏板運(yùn)動(dòng)，行程將會(huì)發(fā)生改變，繼而影響節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓，當(dāng)電壓信號(hào)輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)電控制單元ECU時(shí)，ECU根據(jù)加速踏板節(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，則可以通過加速踏板來控制節(jié)氣門開度大小（即節(jié)氣門開度大小的電壓信號(hào)）來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)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(jié)氣門電壓波形分析

當(dāng)加速踏板的工作行程發(fā)生改變時(shí)，節(jié)氣門開度大小也會(huì)發(fā)生改變，繼而節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓發(fā)生改變。本次實(shí)驗(yàn)探究了線性輸出型節(jié)氣門位置傳感器電壓變化的波形;實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開汽車電器設(shè)備開關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，慢慢踩動(dòng)加速踏板直至加速踏板最大行程（即節(jié)氣門從關(guān)閉位置到節(jié)氣門全開），并慢慢松開加速踏板至原來位置（即節(jié)氣門從全開到關(guān)閉狀態(tài)）。反復(fù)試驗(yàn)，得到加速踏板節(jié)氣門輸出電壓波形，如圖3所示。汽車在怠速狀態(tài)時(shí)，節(jié)氣門關(guān)閉，此時(shí)為最小輸出電壓等于880mV;當(dāng)節(jié)氣門全開時(shí)，此時(shí)輸出電壓為4.36V。

2.4 安全帶強(qiáng)制限速工作原理

汽車在低速穩(wěn)定駕駛過程中，車速與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，加速踏板控制節(jié)氣門的輸出電壓與車速成成線性遞增關(guān)系，而且加速踏板是駕駛員控制車速主要參數(shù)之一，所以選擇加速踏板的節(jié)氣門輸出電壓大小作為駕駛員控制車速的主要依據(jù)。本裝置將“安全車速設(shè)定裝置”中的安全車速設(shè)定為x，此時(shí)對(duì)應(yīng)的加速踏板節(jié)氣門輸出電壓為y。當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)，本裝置將對(duì)車速傳感器、安全帶卡扣開關(guān)以及控制加速踏板行程的傳感器電壓進(jìn)行檢測(cè)，以確定其工作狀態(tài)，并根據(jù)不同狀態(tài)按以下模式進(jìn)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(dāng)車速傳感器檢測(cè)到車速未達(dá)到x時(shí)，車速傳感器電子控制單元ECU將對(duì)外輸出低電平，開關(guān)S1不閉合，整個(gè)電路處于斷路狀態(tài)，不起作用。

第二種情況：當(dāng)車速傳感器檢測(cè)到車速達(dá)到或超過安全車速x時(shí)，車速傳感器將此信號(hào)傳遞給車速傳感器的ECU，ECU對(duì)外輸出高電平，開關(guān)S1閉合;然后安全帶卡扣檢測(cè)系統(tǒng)將對(duì)安全帶卡扣進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)安全帶卡扣檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到安全帶卡扣時(shí)（即駕駛員佩戴安全帶），電腦控制單元ECU對(duì)外輸出高電平，則安全帶卡扣開關(guān)S2閉合;此時(shí)電路1與電路2處于并聯(lián)狀態(tài)，電路2中會(huì)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(tài);電路1中就會(huì)形成較大的電流，使安全帶收緊器開始工作，來調(diào)節(jié)安全帶織帶的長(zhǎng)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(cè)到車速達(dá)到或超過安全車速x時(shí)，車速傳感器將此信號(hào)傳遞給電子控制單元ECU，ECU對(duì)外輸出高電平，開關(guān)S1閉合;然后當(dāng)安全帶卡扣檢測(cè)系統(tǒng)未檢測(cè)到安全帶卡扣時(shí)（即駕駛員未佩戴安全帶），電子控制單元ECU對(duì)外輸出低電平，即卡扣開關(guān)S2斷開，電路2處于斷路狀態(tài)，電路1處于工作狀態(tài)，此時(shí)安全帶提示燈亮起，蜂鳴器提示駕駛員系好安全帶，同時(shí)加速踏板干涉裝置處于工作狀態(tài)，干涉裝置將對(duì)加速踏板的節(jié)氣門輸出電壓進(jìn)行強(qiáng)制干涉，將超過加速踏板節(jié)氣門安全電壓進(jìn)行過濾，此時(shí)超過部分電壓變?yōu)閥（如圖5所示），并將此電壓信號(hào)y傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)制干涉裝置仍向發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU輸入加速踏板電壓為y，使實(shí)際車速保持在安全車速以下。 只有當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到安全帶卡扣為高電平（即電路2部分處于工作狀態(tài)，電路1處于斷路狀態(tài)）或者實(shí)際車速低于安全車速時(shí)（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(jié)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(jié)氣門y相等，D為二極管，二極管能夠?qū)ǖ淖畹驼螂妷翰挥?jì)。當(dāng)輸入端U0電壓小于電壓源U的電壓時(shí)，U0等于U1;當(dāng)輸入端電壓U0大于電壓源電壓U時(shí)，輸出端電壓U0等于電壓源電壓U，以此起到對(duì)加速

踏板節(jié)氣門電壓起到濾波作用。

（3）安全帶強(qiáng)制限速裝置控制流程，如圖7。

3 結(jié)束語

本裝置屬于被動(dòng)安全裝置，與安全帶相配合使用，彌補(bǔ)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(shí)降低了交通事故的嚴(yán)重性。

參考文獻(xiàn)：

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