嚴(yán)景明 王若鑫 陳國(guó)慶 陸玉浩

摘要：為防止車輛落水、起火后造成車內(nèi)乘員傷亡事故的發(fā)生，文章設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)破窗的智能逃生裝置，闡述了該裝置的工作原理、電路邏輯關(guān)系、控制流程圖、電路設(shè)計(jì)。該裝置通過(guò)底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車門三個(gè)水位傳感器以及人體、煙霧傳感器，檢測(cè)車輛落水及起火等緊急情況下，實(shí)施自動(dòng)降窗、破窗動(dòng)作，為乘員提供快速有效的逃生通道。通過(guò)理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，證明裝置的可靠性和實(shí)用性，有效幫助車內(nèi)乘員脫離險(xiǎn)境。

關(guān)鍵詞：智能逃生裝置；汽車；落水；起火

中圖分類號(hào)：U491.6? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4874（2024）04-0206-04

0 引言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，車輛及人身的安全問(wèn)題日益受到重視。在各類車輛事故中，迅速逃生是保障生命安全的關(guān)鍵。目前，安全氣囊、安全帶等被動(dòng)安全裝置作為車輛標(biāo)配，保護(hù)乘客不受傷害，但在車輛落水或起火等緊急情況，因車外水壓對(duì)車門產(chǎn)生巨大壓力導(dǎo)致車門沒(méi)法被打開，或者落水起火時(shí)因窒息、煙霧中毒而導(dǎo)致車內(nèi)乘員傷亡，因此破窗逃生十分必要。公交車輛上通常配備敲擊錘進(jìn)行手工破窗，但操作需要一定經(jīng)驗(yàn)和臨危不懼，因此成功逃生機(jī)會(huì)較低；在轎車上有多種方式破窗，其中一種是雷管點(diǎn)燃產(chǎn)生高壓氣體破窗，但只能一次性使用；還有電磁控制鋼珠敲擊玻璃，敲擊中心位置精確度難以控制。因此，研發(fā)一種能夠在落水及起火緊急情況下迅速破窗，為乘客提供逃生通道的裝置，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文提出的智能逃生裝置（以下簡(jiǎn)稱本裝置），基于破窗器電動(dòng)化、智能化的設(shè)計(jì)理念，利用高靈敏度的傳感器檢測(cè)落水及起火危險(xiǎn)情況，實(shí)施降窗或者精準(zhǔn)破窗，為車內(nèi)乘員提供快速逃生的通道。本裝置在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了水下壓力和火災(zāi)時(shí)的高溫環(huán)境等情況，確保其穩(wěn)定工作。

1 研究方案的確立

在保留原車結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一套電子控制裝置，電子控制單元接收落水及起火等傳感器信號(hào)、對(duì)車窗或電動(dòng)破窗器發(fā)出指令，執(zhí)行降窗或者破窗動(dòng)作，為車內(nèi)乘員提供逃生通道，方案如圖1所示。經(jīng)過(guò)深入調(diào)研汽車企業(yè)，認(rèn)真梳理、設(shè)計(jì)整個(gè)裝置的電路圖及精巧改裝機(jī)械結(jié)構(gòu)，得出重點(diǎn)是電子控制單元的設(shè)計(jì)，難點(diǎn)是破窗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 智能逃生裝置設(shè)計(jì)

在智能逃生裝置中，破窗器和電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其不僅需要確保裝置的可靠性，而且還要考慮到各種極

端環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。以下詳細(xì)闡述元件安裝位置及破窗器、電源設(shè)計(jì)、控制電路的設(shè)計(jì)。

2.1 裝置主要組成元件及安裝位置

元件的正確安放是確保裝置快速響應(yīng)的關(guān)鍵。本裝置主要元件由傳感器組、電子控制單元、破窗器等組成，傳感器組主要包含底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車門水位三種位置檢測(cè)，安裝位置如圖2所示。

轎車常用前置前驅(qū)布置，重量集中在車輛前部，落水時(shí)車頭先下沉，同時(shí)綜合考慮汽車結(jié)構(gòu)，底盤水位傳感器安裝在前保險(xiǎn)杠底部，發(fā)動(dòng)機(jī)艙水位傳感器安裝在減震器座下方，車窗水位傳感器安裝在左右兩個(gè)前車門中上方，在主駕駛位附近安裝人體和煙霧傳感器。破窗器固定安裝在車門骨架上，破窗器的撞針頭正對(duì)車窗玻璃，電子控制單元安裝在靠近天窗前端飾板內(nèi)。

2.2 電動(dòng)破窗器設(shè)計(jì)

破窗器工作性能直接關(guān)聯(lián)能否成功破窗，設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮電磁閥選用和破窗器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本裝置中電動(dòng)破窗器是執(zhí)行元件，能夠擊破車窗玻璃為乘員提供逃生通道。電動(dòng)破窗器結(jié)構(gòu)由防水防火外殼、動(dòng)鐵芯、復(fù)位彈簧、電磁閥閥桿、靜鐵芯、線圈、鎢合金撞針頭等共同構(gòu)成，如圖3所示。

電磁閥選擇強(qiáng)力撞擊型，當(dāng)電磁閥接收到12 V工作電壓時(shí)，在磁場(chǎng)力作用下，動(dòng)鐵芯往車窗玻璃方向撞擊，為了保證準(zhǔn)確有效擊碎車窗玻璃，撞針頭使用高硬度鎢合金。車窗玻璃采用鋼化制造工藝，瞬時(shí)壓力超過(guò)1.5 MPa，只要擊碎某一點(diǎn)，整塊玻璃即破碎。電動(dòng)破窗器的設(shè)計(jì)需考慮到精確的工程配合，以及落水、起火時(shí)工作可靠性。

2.3 電源設(shè)計(jì)

電源是本裝置的能量支持核心，工作電源采用鋰電池，電池單元具有高能量密度、輕便、容量大和放電效率高的特點(diǎn)。為了保證在水淹和起火環(huán)境下正常工作，鋰電池外殼使用密封設(shè)計(jì)，鋰電池密封殼體和連接導(dǎo)線外表進(jìn)行防水防火處理，能夠承受水分滲透和高溫?zé)静粫?huì)短路或損壞。

2.4 控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)研究方案設(shè)計(jì)控制電路，主要由傳感器、電子控制單元、降窗控制電路、破窗控制電路等組成。本裝置控制電路實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：（1）落水時(shí)通過(guò)底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和人體檢測(cè)三個(gè)傳感器采集信號(hào)輸入給電子控制單元，實(shí)現(xiàn)降窗；（2）落水時(shí)底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車門三個(gè)水位傳感器及人體檢測(cè)傳感器采集信號(hào)輸入給電子控制單元，如果水壓過(guò)大無(wú)法完成降窗要實(shí)施破窗；（3）起火時(shí)人體檢測(cè)和煙霧檢測(cè)信號(hào)輸入給電子控制單元，人工沒(méi)法打開車門時(shí)實(shí)現(xiàn)破窗。

3 裝置工作原理分析

3.1 電路邏輯控制原理分析

電子控制單元電路的工作原理主要是基于傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和對(duì)執(zhí)行器的控制，為了保證邏輯電路芯片工作穩(wěn)定性，其工作電源需要經(jīng)過(guò)車輛充電電路、整體供電電路、穩(wěn)壓電路三級(jí)處理。水位傳感器監(jiān)測(cè)汽車水位高度，經(jīng)調(diào)理電路處理的水位信號(hào)傳輸給電子控制單元，模擬信號(hào)經(jīng)A/D處理變成數(shù)字信號(hào)。根據(jù)電路設(shè)計(jì)完成三個(gè)功能：（1）降窗，人體紅外檢測(cè)傳感器檢測(cè)車內(nèi)有人時(shí)，汽車落水的水位超過(guò)底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙位傳感器位置，邏輯判斷電路發(fā)出第一道指令實(shí)施車窗玻璃降窗，為車內(nèi)乘員提供逃生通道，此時(shí)限位電路介入工作，切斷車窗玻璃降窗動(dòng)作，車窗電機(jī)停止工作，如圖4所示；（2）破窗，如果車輛繼續(xù)下沉，超過(guò)左、右車窗水位傳感器位置時(shí)，如果水壓過(guò)大等原因?qū)е陆荡皼](méi)法完成，邏輯判斷電路發(fā)出第二道指令實(shí)施破窗，設(shè)計(jì)延時(shí)功能可以反復(fù)多次擊打車窗，保證能擊碎車窗玻璃，為車內(nèi)乘員提供第二次逃生通道；（3）起火時(shí)破窗，如果車輛起火燃燒強(qiáng)烈，煙霧傳感器檢測(cè)到車內(nèi)煙霧超過(guò)危險(xiǎn)值，人工沒(méi)法完成開門，邏輯判斷電路也發(fā)出指令實(shí)施破窗。

本裝置基于邏輯門限值控制原理，具體控制流程如圖5所示。將底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙位實(shí)時(shí)水位值與預(yù)設(shè)危險(xiǎn)閥值對(duì)比，高于危險(xiǎn)閥值時(shí)，執(zhí)行降窗動(dòng)作并點(diǎn)亮警示燈，告知車內(nèi)乘員已處于險(xiǎn)情，應(yīng)馬上逃生。按照同樣控制機(jī)理，將底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙位、車門三個(gè)傳感器實(shí)時(shí)水位值或者人體檢測(cè)、煙霧檢測(cè)信號(hào)值與預(yù)設(shè)危險(xiǎn)閥值對(duì)比，高于危險(xiǎn)閥值時(shí)，執(zhí)行破窗動(dòng)作并點(diǎn)亮警示燈，告知車內(nèi)乘員己處于嚴(yán)重險(xiǎn)情，應(yīng)緊急逃生。

3.2 控制電路原理分析

為了實(shí)現(xiàn)汽車在落水、起火時(shí)降窗或者破窗功能，需分析電路工作原理，如下頁(yè)圖6所示。因4個(gè)水位傳感器采集信號(hào)比較微弱，需要經(jīng)LM358運(yùn)算放大器放大后輸入給74HC21邏輯電路芯片。

（1）電路自檢。當(dāng)綠色安全檢測(cè)燈亮起時(shí)，表明電路控制正常；反之安全檢測(cè)燈不亮?xí)r需要檢查電路裝置。

（2）降窗功能。電子控制單元選用2個(gè)74HC21邏輯電路芯片，引腳配置如下頁(yè)圖7所示，邏輯控制真值表如下頁(yè)表1所示，當(dāng)輸入端A、B、C、D四個(gè)條件都滿足高電平時(shí)，輸出端才為高電平。相當(dāng)于人體檢測(cè)傳感器檢測(cè)到車?yán)镉腥藭r(shí)，車輛落水過(guò)程中，車輛前部下墜較快，當(dāng)水位超過(guò)底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)艙位傳感器時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)，電子控制單元進(jìn)行第一步降窗。降窗的條件如下：1#74HC21邏輯電路芯片的1A、1B、1C、1D高電平，1Y輸出高電平信號(hào)完成降窗。車窗降到最低位置時(shí)，安裝在車窗玻璃下方的限位開關(guān)斷開，停止降窗動(dòng)作。

（3）破窗功能。落水、起火以下兩種情況實(shí)施破窗。①當(dāng)水位超過(guò)底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車門三個(gè)傳感器后，表明水位已經(jīng)超過(guò)最高危險(xiǎn)值，處于最后的逃生機(jī)會(huì)。通過(guò)三極管與電容組成震蕩電路和NE555定時(shí)芯片提供破窗信號(hào)，電磁閥擊打玻璃，反復(fù)敲擊使其破裂，完成破窗動(dòng)作。破窗條件：1#74HC21邏輯電路芯片，2A、2B、2C、2D高電平，2Y輸出高電平信號(hào)完成破窗。②起火火勢(shì)迅速蔓延時(shí)，當(dāng)人體檢測(cè)和煙霧檢測(cè)傳感器檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定值后，人工無(wú)法打開車門時(shí)也實(shí)施破窗。降窗條件：2#74HC21邏輯電路芯片，1A、1B、1C、1D高電平，1Y輸出高電平信號(hào)完成破窗。

4 理論分析及實(shí)驗(yàn)論證

4.1 理論分析

電動(dòng)破窗器在緊急逃生裝置中的作用是在短時(shí)間內(nèi)打碎車窗，車窗玻璃被擊碎取決于破窗器撞針頭作用在玻璃上的瞬間壓力，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要詳細(xì)分析電動(dòng)破窗器的動(dòng)量p=mv、時(shí)間和沖擊力等關(guān)鍵物理參數(shù)。動(dòng)量是質(zhì)量和速度的乘積，表示物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。撞針頭擊打車窗前后動(dòng)量方程為：

mv2-mv1=（F-F1-F2）t（1）

式中：m——破窗器撞針質(zhì)量;

v1——撞針頭撞擊車窗前速度;

v2——擊碎車窗后撞針頭速度;

F——撞針頭撞擊力;

F1——車窗玻璃作用于撞針頭上反作用力；

F2——復(fù)位彈簧作用于撞針頭的力。F2通常較小可以忽略不計(jì)。

撞針頭的撞擊力F以及撞針頭擊打車窗玻璃時(shí)瞬間壓力P1，由電磁閥工作屬性，得：

F=μS2K2fδ2（NI）2（2）

P1=F1/S1（3）

式中：μ——真空磁導(dǎo)率，4π×10-7；

S——磁路截面積；

Kf——漏磁系數(shù)，一般為1.2～5.0，此電磁閥取1.5；

S1——撞針頭的面積；

δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度，撞針頭與玻璃距離；

N——線圈匝數(shù)；

I——通電的電流。

若撞擊力F作用于撞針頭，撞針頭速度從0加速至v1，v1=dx/dt，則動(dòng)量變化為：

m（dx/dt）-0=（F-F2）t1（4）

x≤X1（5）

式中：x——撞針頭前進(jìn)的位移;

X1——撞針頭與車窗玻璃之間的距離;

t1——加速過(guò)程的時(shí)間。

從以上理論分析，撞擊過(guò)程簡(jiǎn)化為撞針頭受恒定電磁作用力運(yùn)動(dòng)，設(shè)定F2=0，假設(shè)撞針頭撞擊車窗前后的速度v2=v1，根據(jù)式（1）～（5）推算，求得P1為：

P1=F/S1（6）

當(dāng)P1>1.5 MPa，滿足破窗要求。

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)理論分析和破窗效果，進(jìn)行了一系列臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)中模擬了多種緊急情況下的車窗破碎過(guò)程，包括不同角度和速度的撞擊。破窗的必要條件是撞針頭撞車窗的瞬間壓力應(yīng)＞1.5 MPa，現(xiàn)選用厚度為5 mm的鋼化玻璃。試驗(yàn)條件設(shè)置如下：采取足夠保護(hù)措施，將電動(dòng)破窗器固定在臺(tái)架上，車窗玻璃樣本被安裝在特制的固定架上，如圖8所示。使用高速攝像機(jī)捕捉撞針頭擊中玻璃的瞬間和玻璃破碎的過(guò)程，通過(guò)傳感器記錄沖擊過(guò)程和撞擊效果。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，電動(dòng)破窗器能夠在不同的測(cè)試條件下可靠地破碎玻璃。撞擊力度和時(shí)間在預(yù)期的范圍內(nèi)，證明了設(shè)計(jì)的合理性。破碎后的玻璃呈現(xiàn)出預(yù)期的碎片模式，邊緣較為光滑，減少對(duì)乘客造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了汽車智能逃生裝置的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)落水及起火險(xiǎn)境，能迅速啟用降窗或破窗模式，為車內(nèi)乘員提供逃生通道，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了本裝置的有效性，撞針頭撞車窗的瞬間壓力遠(yuǎn)＞1.5 MPa，通過(guò)試驗(yàn)小車浸水實(shí)驗(yàn)，電動(dòng)破窗器的設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，擊打玻璃作用點(diǎn)準(zhǔn)確，玻璃碎片不會(huì)傷及車內(nèi)乘員。本裝置的設(shè)計(jì)需求來(lái)源于汽車企業(yè)，進(jìn)行校企聯(lián)合研發(fā)，己在汽車改裝廠對(duì)有戶外涉水需求的客戶車輛進(jìn)行小規(guī)模加裝試用，據(jù)客戶反饋，逃生裝置設(shè)計(jì)合理、制作費(fèi)用適中、質(zhì)量可靠。下一步，可在電路設(shè)計(jì)、元件性能和安裝部位再優(yōu)化，使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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基金項(xiàng)目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“汽車落水及起火的智能逃生裝置研究”（編號(hào)： 2024KY1398）；廣西教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度專項(xiàng)課題“‘一帶一路背景下高職新能源汽車專業(yè)國(guó)際化發(fā)展路徑研究”（編號(hào)：2023ZJY2073）

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)景明（1967—），副教授，工程師，研究方向：汽車機(jī)械、電子系統(tǒng)控制。