汽车柔性座椅后倒的构想

摘要当前,人们对交通安全给予了越来越多的重视。据统计,很多交通事故都是因为乘客的座椅与汽车是刚性连接造成的。在某些发生碰撞事故的过程中,如果座椅能够柔性向后倾倒,往往能够减小伤害,本文主要针对常规座椅的结构进行改进,并从机械动力学的角度的动力进行了探讨。

关键词动力结构汽车钻入

中图分类号:U462文献标识码:A

1 引言

随着汽车业的不断发展,人们对汽车安全性能的要求也越来越高。但现在的小轿车在很多方面还不能完全满足人们对安全性能的要求。通常,在车发生前碰撞事故时,身体最可能受到的伤害是由于方向盘对驾驶员胸部的碰撞。另外,在追尾事故中,由于卡车尾部和小轿车前部之间有一定的高度差,因此在小轿车与卡车的对追尾中,小轿车的前部位置不能吸振缓冲,使得前挡风玻璃直接与卡车尾部相撞,造成车内人员上半身肢体收到严重的撞击损伤。针对以上两个问题,我们对常规的汽车柔性座椅结构进行了改进,设计了后倒式柔性座椅来避免或者减少交通事故对于乘客身体上的伤害,并从动力学的角度对这种柔性座椅的结构进行了探讨 。

2 后倒柔性座椅的设想

2.1后倒柔性座椅的结构

在柔性座椅的结构上,除了满足一般柔性座椅的舒适度及其它要求外,还对后倒过程有着特殊的要求。在此,我们对现有基础上对以下几个方面进行改进。

(1)安全带。在一般柔性座椅上的安全带是由一条安全带来固定人身体,以致在发生碰撞事故时能够避免二次碰撞。但如果把柔性座椅设置成后倒柔性座椅的话,安全带与胸部的压力就会增加。也就是说,如果只是单纯增加柔性座椅后倒功能的话,虽然方向盘对驾驶员的胸部的撞击概率将会减小,但安全带对胸部的损伤的概率就会大大增加。所以,如果将柔性座椅设计成紧急情况下后倒,一定要对安全带进行改进。可以设计成两个带的安全带,使在瞬间收的冲力平均分配到身体的部位上;可以在安全带位置上安装卡肩,让力集中到肩部而不是心脏的部位;甚至可以参考过山车的固定装置等。

(2)背翻柔性座椅靠背和转轴。一般柔性座椅有可能会发生这样的一个情况,前排柔性座椅的背靠的强度不足,在质量和惯性力的作用下向后发生较大的变形,失去支撑作用,使前排射向后座或后窗,而向后背翻的柔性座椅要求就要更高,首先是保证一般柔性座椅的正常强度的基础上,还尽量要保证后由于高速后翻所带来的冲击,其次。柔性座椅上必然要含有离合片,在紧急情况时让柔性座椅的椅背和椅座向脱离,所以就要在平时的情况下保证离合片不会在正常行驶下发生变形。

(3)头部固定装置 。一般情况下,如果只由安全带固定上半身,则可能会造成在后翻时胸部与头部之间的加速度差,在颈部这个速度差值如果超过了一定程度就会给人造成致命的伤害。我们对此进行简单估算:1、将后倒等效为后退;2、装置的反应速度为0.01s;3、假设处于刹车状态,地面摩擦系数为0.8;4、人端坐时上身重心与腰部高差为0.4m,则假设人相对于车简化后退位移为s=0.4€?.414=0.5656m; 5、假设车速为非高速行驶的情况下速度为20m/s(72km/h),检测距离为,3.5m;则从检测到车开始后倒到两车相撞 t=3.5/20-0.01=0.145s,人相对与车加速度为;a‘=2€譻/t2=53.80 m/s2;又车相对于地的加速度为a1=0.8€譯=7.87 m/s2;则人相对于地加速度为a=0.8€譯+53.8=61.4m/s2;取人上半身为50kg则人受力为F=m €?a=3070N;如图1所示:

图1人所在位置示意图

由以上计算我们可以看到,如果人需要后倒及时的话则,则人需要承受6倍左右的重力。也就说假设胸部位置和柔性座椅是一体,人头部和胸部的差值越位人自身重量的6倍。一般的人相对来说比较难以承受。虽然不至于致命,但也会造成一定的损伤。所以,要实现柔性座椅的迅速后翻,还需要一个头部固定装置,或者在驾驶员颈部也装有和拉力赛选手一样的护颈装备,来保证颈部的安全。

2.2 后倒柔性座椅的动力

同样,针对需要针对汽车柔性座椅需要在紧急情况下迅速后翻,考虑到车体的特殊情形,我们大胆构想了以下动力源作为柔性座椅后翻的动力。

(1) 弹簧。一个简单示意图2如下:

图2弹簧为动力的后翻柔性座椅示意图

开始的弹簧为压簧,正常行驶下是被压紧。挡片由电路来控制。当需要后倒的信号传入,挡片弹开,同时,轴上的离合片也迅速弹开。以弹簧为动力来使柔性座椅位置后倒。以此原理为基础可以延伸出很多柔性座椅装置,如用于“车辆的座椅装置(申请号ZL200510079516.0)”,“一种汽车安全座椅(专利号ZL 200720129265.7)”,都在柔性座椅的后倒过程中使用了弹簧作为了原动力,而且弹簧具有的价格便宜,物理性能稳定,瞬间爆发力强等特点,是后倒柔性座椅的理想后倒动力源。

(2)气压传动。鉴于车体内的制动气压一半不到1000kp,所以如果需要气压传动的话则需要寻找新的气压源。由现在安全气囊的原理我们也可以构想出来这样一种气缸——在碰撞时在汽缸里面引发某种小剂量爆炸的化合反应,即可以由传感器直接控制点火,点火后发生爆炸反应。推动气缸内部的拉杆,拉杆经过一系列杆件,最后带动与柔性座椅柔性座椅相连的钢管,使柔性座椅后翻,最简单的机构如图3所示。

图3以气体为动力的后翻柔性座椅示意图

除利用瞬间爆炸产生气体以外,我们还可以自行放置气缸于车内,所需气缸要求计算如下;

由上的后退人承受后拉力为3070N

则气动要提供力大约为6kN;

取气筒内径为d=80;则面积s=d2/4=5024N;

气筒需提供气的平均压力p=F/s≈1.3Mpa;

假设爆炸初压为平均气压的20倍;则pmax=26 MPa;

又假设气筒为薄壁圆筒则气筒材料所受拉应力=pmax*r/;45号钢屈服应力强度为s=360 MPa,取安全系数为s=1.8;

取=200MPa;则壁厚=5.2;可接受。

(3) 发动机主轴传动。公知,发动机的输出功率想对于前两种动力源的能量最多,功率最大,如果能在紧急情况下如能利用发动机主轴所输出的功率的话,那后倒速度将可以得到大幅提升。参考变速箱原理,利用主轴的动力设想如图4 、图5。

图4动力从主轴传入新轴示意图

图5 动力由新轴传入柔性座椅示意图

在图4中,在发动机主轴动力轴旁增加一新轴,在新轴上存在齿轮与其啮合,但由于不存在花键,所以动力并不传入新轴。在旁边装好结合套,结合套和齿条(拨叉)相连与一电机相连。当传感器感受到需要后倒时,由传感器控制电机控制启动,带动拨叉,拨叉带动结合套和齿轮外圈互相啮合,此时动力从发动机主轴输入到新轴。

在图5中,由于新轴已经转动,再通过齿轮和皮带等传动将动力传递给与柔性座椅背相连的齿轮中,使柔性座椅背获得圆周动力,向后翻倒。

3 结语

以上对后倒柔性座椅的结构和动力问题进行了一番构想。不过即使结构上进行优化,动力上也不存在任何问题,后倒的柔性座椅还存在其它很多本文未涉及的问题。不过,随着对汽车柔性座椅的不断深入研究,不久就会有真正满足人安全和生理需要的柔性座椅产生,到时候后倒式柔性座椅将会有更广阔的前景。

参考文献

[1]白鹏,张洪涛.国外汽车事故分析与伤害[J].汽车与安全,1999.3.

[2]傅建林,陈润灿.汽车柔性座椅话安全[J].汽车运用,2008(11).

[3]葛凤风,丁明成,梁乃云.汽车座椅调整机构的改进实验[J].2008.32 (5).

[4]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会.机械工程手册专用机械卷(三)[M].机械工业出版社,1997.10 (2).

[5]时巍.安全气囊的原理及应用[J].驾驶园,2008.9.