手机贤集

工业平台

返回贤集网

汽车遮阳板工作原理及被动安全方案设计

不懂车那就学 2021-09-29 15:46:32

摘要:本文对传统遮阳板操作特性、工作原理及车辆碰撞时乘员头碰校核进行了分析,提出了一种将汽车遮阳板纳入整车被动安全系统的设计方案,通过改进遮阳板翻转机构增加电磁装置并结合控制策略,确保当车辆发生碰撞时遮阳板可以做出有利于乘员保护的动作。

汽车遮阳板工作原理及被动安全方案设计

随着汽车工业的发展,车辆安全性的提升是行业内争相挑战的重点课题,而被动安全系统又是其中不可或缺的重要部分,传统的被动安全系统包含安全带、安全气囊、可溃缩车架、高强度车身等,而遮阳板作为顶内饰系统重要的组成部分,又是车辆发生碰撞时与乘员头部接触的高风险部件却极少纳入到被动安全考虑范畴内,尤其是遮阳板中类似注塑骨架、镜框、镜盖等树脂部品及化妆镜内的反光玻璃在高速碰撞冲击过程中极易产生破碎飞散和尖锐的棱边,对乘员的头部保护构成极大的威胁,因此提出一种具备被动安全性的遮阳板设计方案对提升整车安全系数至关重要。


1、遮阳板翻转操作特性及其工作原理


遮阳板的其中一项主要作用是为驾乘人员遮挡阳光,防止眩光影响驾乘舒适性和安全性,通常由轴座、转轴、本体、化妆镜、挂钩轴等组成,如图1所示。


遮阳板转轴一端通过轴座连接安装在车身钣金上,另一端穿入遮阳板本体内,后者可以绕转轴中心线做翻转操作,动作示意如下图2,要求遮陽板本体在前风挡停留位置和自动收纳起始位置区间内可以任意位置驻留,以满足遮挡各种角度入射光线的需求,同时从自动收纳起始位开始到收纳止位区间任意位置,遮阳板本体具备自动贴附顶棚的能力。


安装在遮阳板本体内的卡簧由具备较大弹性模量的金属材料(如65Mn)经过冲压折弯后再热处理而成,转轴穿入本体的部分与卡簧内壁过盈配合,转轴截面为圆形且在特定角度设计有档位平面,结构示意如下图3,当本体带动卡簧绕转轴转动时,卡簧通过变形提供夹持力和反作用力,保证遮阳板本体在收纳区域内能够自动贴附顶棚,在驻留区域内可以任意位置保持姿态。


其中在驻留区域内,遮阳板本体保持姿态是依靠卡簧和转轴的夹持力来克服自身重力,同时要防止本体因车辆在通过颠簸路段时的惯性(按照2.2G加速度计算)而滑落,造成遮阳板功能失效且有一定的安全隐患,卡簧提供的夹持力矩设计需与遮阳板本体尺寸和自重匹配,一般设计范围在75N.cm-130N.cm之间。


2、传统遮阳板在车辆发生碰撞时的风险


当遮阳板本体保持在车体垂直和自动收纳起始位区间任意位置时,如果车辆发生正面碰撞,驾乘人员在惯性作用下躯体前倾,头部有很大概率碰撞到遮阳板本体,如图4所示。一方面当遮阳板本体采用注塑骨架结构尤其是匹配PVC表皮时,本体质地非常坚硬,另一方面安装在遮阳板本体上的化妆镜在高速冲击过程中内部玻璃镜片极易破碎,会产生锋利的碎片飞溅。以上两个因素对乘员保护构成重大威胁。


传统的遮阳板在开发阶段为规避上述问题,要求遮阳板本体要具备较强的抗冲击强度,并通过头碰冲击试验循环验证,如下图5所示:


耐冲击遮阳板本体不仅对材料工艺、结构设计要求较高,试验费用同样高昂,而且不能从根本上改善当车辆发生正面碰撞时驾乘人员躯体前倾头部与遮阳板本体撞击造成的冲击伤害。


3、遮阳板被动安全方案构思


针对传统汽车遮阳板在车辆碰撞时对乘员造成伤害的潜在风险,可以参考其它具备被动安全功能部件的设计思路,如当车辆发生碰撞时方向盘及立柱内置的安全气囊会弹出,可有效保护乘员躯体重要部位免受强烈撞击,转向柱支架在受到一定程度的冲击时在设定区域可以溃缩,防止驾驶室变形后方向盘挤压驾驶员上躯,我们也可以赋予遮阳板具备被动安全的功能,即当监测到车辆发生碰撞后,遮阳板能及时做出有利于驾乘人员头部保护的动作。


前面简单介绍了遮阳板翻转操作的工作原理,主要是依靠遮阳板本体内置的卡簧与转轴过盈配合造成卡簧变形,通过卡簧弹性形变提供的夹持力来保证本体在驻留区域任意位置维持姿态,以上成立的条件是转轴相对车身是静止不动的,而遮阳板本体相对转轴是可绕轴线转动的。此时翻转本体需要外力去克服卡簧输出的夹持力,也就是说如果此刻车辆发生碰撞,乘员头部撞击到遮阳板本体会有一定的反向冲击力施加在乘员头部。若在车辆碰撞瞬间阻断转轴与车身的轴向联接,卡簧与转轴配合输出的夹持力无法传递到相对静止的车身上,卡簧也无法获得反作用力,相当于遮阳板本体在绕旋转轴线转动时几乎没有阻力,那么遮阳板本体会在重力和惯性的作用下即刻绕旋转轴线做下摆运动,大大减小了乘员头部与遮阳板本体的碰撞区域和碰撞夹角,甚至在惯性作用下遮阳板本体能绕旋转线向前风挡方向摆动可以避开乘员头部的撞击,即使发生了碰撞,由于本体绕旋转轴线转动时几乎没有阻力,作用在乘员头部的反向冲击力也会大大减小,这些对乘员头部的保护都是非常有帮助的。


4、遮阳板被动安全方案设计


遮阳板被动安全方案是在传统遮阳板转轴结构基础上进行改造,通过增加机电装置在以车辆碰撞传感信号作为输入源之一的电子控制单元驱动下,保证遮阳板本体在车辆正常行驶时可以做常规翻转遮蔽眩光,而当车辆发生碰撞时遮阳板能及时做出动作响应可以最大程度保护乘员。


4.1遮阳板被动安全控制策略


遮阳板被动安全动作响应只有在同时具备两个条件时才能触发,分别是遮阳板本体需停留在设定的驻留区间内,通过传感器监测和电控单元对输入信号的运算分析能够判断出车辆发生了有效碰撞,控制流程如下图6所示:


4.2电子控制单元输出指令


电子控制单元(ECU)是整个系统的控制核心,输入源为车辆碰撞识别信号和遮阳板停留位置识别信号,车辆碰撞信号源可采用安全气囊爆破触发信号,碰撞发生时,碰撞传感器检测碰撞信号的强弱程度,输入给电子控制单元,后者综合其它碰撞传感器信号经过运算来决定是否输出触发信号,近年来国内外科研机构也在围绕非安全气囊点火触发的车辆碰撞识别信号的研究工作,如车辆碰撞自救系统(ACN)通过ECU采集车辆B柱和中通道布置的车辆加速度传感器经过最优的触发算法分析可以提高车辆碰撞的辨识精度。


在遮阳板本体内固定触点行程开关,并在转轴上设计一段非对称的圆弧结构,后者通过设计匹配与触点行程开关接触配合,当遮阳板本体处于驻留区域内时触点开关被转轴压缩电路导通,当遮阳板本体处于自动收纳区域时触点开关与转轴无接触,电路中断,以此方式电子控制单元可以采集遮阳板停留位置的识别信号。


电子控制单元在接收以上两个信号后通过设定的逻辑算法进行决策處理,向执行机构输出驱动指令。


4.3机电装置执行指令


方案中转轴由两部分树脂结构(材料一般为PA6-GF30)转轴A和转轴B构成,两者内部贯穿有金属管,金属管与转轴A在注塑时一体成型,两者不能发生相对运动,而金属管与转轴B装配时预留0.05-0.1mm间隙,转轴B可绕金属管轴线转动,转轴A通过轴座与车身钣金安装固定,转轴B与遮阳板本体内的卡簧配合产生夹持力,转轴A与转轴B之间通过一段永磁材料的套管进行联接,其中转轴B与套管为轴孔配合,配合截面为多边形,保证二者只能在轴向相对移动,而不能发生相对转动,磁性套管在弹簧作用下与转轴A采用渐开线型齿接方式联接,此结构可以保证卡簧与转轴B配合产生的作用力能够通过转轴A传递到车身钣金上,实现遮阳板在车辆非碰撞时的翻转操作,结构示意如下图7、图8所示:

汽车遮阳板工作原理及被动安全方案设计

作为执行器的机电装置实际上是在转轴A内套入导电螺线管,在收到电子控制单元驱动指令后通电(保持2s左右即可),利用电磁效应产生磁场来驱动转轴上的磁性套管沿轴线滑动,使套管和转轴A脱离齿接,如下图9所示。导电螺线管置入转轴A内可以采用一体注塑成型的工艺,在转轴外表面嵌入2个圆弧型的导电金属片,分别与螺线管的两端连接,采用电刷接触的方式给螺线管导电。


为保证螺线管通电产生的磁场分布均匀集中且能最大程度的转换为电磁排斥力,方案中金属管应选用非铁磁材料如高强度铝合金,而套管则应该选用永磁性材料,转轴A与套管齿接面的磁场强度可以用单层螺线管轴向磁场强度计算公式得出:

汽车遮阳板工作原理及被动安全方案设计

式中,I:励磁电流;l:螺线管长度;n1:螺线管单位长度上的匝数;r:螺线管半径;z:螺线管中心距齿接面距离。


设计过程中我们可以调整以上参数获取不同的磁场作用力,保证其能抵消弹簧给套管的反作用力,使后者能沿轴向运动脱离与转轴A的齿接,等同于转轴B断开了与转轴A的轴向联接,使卡簧与转轴B配合产生的夹持力无法传递到车身钣金上,反之遮阳板本体与卡簧也无法获得阻碍其绕轴线转动的反作用力,相当于车辆发生碰撞时乘员头部撞击遮阳板本体受到的反向冲击力大大减小。


5、结论


本文介绍了传统汽车遮阳板在车辆碰撞时对乘员造成伤害的潜在风险,并结合其工作原理创新型的提出了一种遮阳板被动安全方案,阐述了设计思路和主要的实施方案,通过整合车身电子控制单元和车辆碰撞传感监测系统等资源,巧妙的应用了电磁机构使遮阳板在车辆发生碰撞时及时做出有利于乘员保护的动作响应,对未来整车安全性的提高有着重要意义。


来源:汽车科技王凯,王鑫,肖珊,邹光亮

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

免责声明

最新回答

还没有人评论哦,抢沙发吧~

为您推荐

汽车安全带的发展史
汽车安全带的发展史
09月29日 16:02