汽车车门自动关严系统设计

德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计1汽车车门自动关严系统设计王洪伟（德州学院汽车工程系，山东德州 253023）摘要： 现代汽车安全系统包括主动安全系统和被动安全系统。其中主动安全系统是当今世界研究汽车安全的主题与趋势。本文介绍了目前国内外主要汽车主动安全技术，分析了事故发生前后主动安全技术所起的作用。通过对汽车主动安全技术的整合使其更能在中低档汽车上推广开来，增加汽车的安全性能，减少交通事故的发生。关键词： 预防安全； 行驶安全； 事故安全1 绪论随着科技的发展与进步，汽车的行驶速度越来越快，随之带来的是巨大的交通事故问题。全球每年有超过 130 万人死于因汽车引起的道路交通事故，交通事故导致车毁人亡、家庭支离破碎，给人们的生活带来不必要的灾难。现代汽车主动安全技术能够很好的控制汽车，实现汽车的人工智能和避免交通事故的发生。 1.1 研究汽车车门自动关严系统的目的和意义随着人类社会的不断发展与进步，汽车的普及和应用将更加普遍和深入，随之带来的道路交通安全问题也已成为世界性的大问题。从汽车技术的现状和发展看，汽车电子技术是支撑现代汽车发展的基础技术之一，它不是简单地对汽车零部件进行电子控制，而是根据汽车实际使用条件多变的需要，对汽车进行优化综合控制。车门控制系统是车身电子中重要的组成部分，完成了车门、车窗的电动控制等功能，体现了人们对汽车在安全性、舒适性和方便性等许多方面的要求。汽车车门关不严，会造成很多问题，如：车内进灰尘、烟雾、雨水等，影响汽车的经济性，高速行驶时产生噪音，行驶颠簸、车辆转弯或紧急刹车可能把乘客甩出去进而引发交通事故等等。大力关车门虽然不会对车架造成大的变形，可是长期会对合页、门框造成震动，这样久而久之车门会出现不同程度的下垂现象，造成锁止机构（门开关的锁扣锁机）不能准确的定位，容易导致门密封条破裂老化加快，门灯开关损坏，车门难关。同时，用力不足，关的轻了，有时候会只锁上一道锁，反而有危险了 。通常驾驶员可以通过组合仪表盘上的车门状态提示判断车门关紧与否，或者把阅读灯的开关打到中间位置,这样只要车门没关严,灯就会亮着。基于电磁感应等相关原理，目前，电吸门（也叫电动自吸门）是常见于豪华轿车的德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计2一项舒适安全配置，当车门未关好的情况下，车门会自动吸合直到完全关闭。这项功能作用：关闭车门时就不用很大力，增加了舒适性，也是关门动作更优雅；车门没有完全关闭会增加危险性，有了此功能就不必担心。1.2 国内外汽车车门自动关严系统研究现状和发展趋势发达国家非常重视汽车的各种性能。汽车车门自动关严系统的研究应用日渐成熟。电 吸 门 的 原 理 是 在 门 框 上 （ 或 门 板 边 缘 ） 装 有 电 磁 线 圈 ， 当 车 门 打 开 是 ， 线 圈 中就 会 有 电 流 通 过 ， 从 而 形 成 电 磁 场 ， 这 样 ， 由 于 磁 力 ， 当 车 门 关 到 与 门 框 距 离 较 近 时 ，车 门 就 会 被 自 动 吸 上 。 已 应 用 于 奔 驰 S， BMW7 系 ， 奥 迪 A8， 迈 巴 赫 ， 皇 冠 顶 配（ 第 13 代 ） ， 雷 克 萨 斯 LS 系 列 等 车 型 中 。装防盗器比如铁将军，下车拔钥匙后如果车门没关好就会语音提示,同时警示灯会闪提示关门。还有一种叫做卡盾汽车智能控制系统，也能实现车门未关提醒，当车主远离车辆且车门未关闭时，系统将发出声音提示-喇叭响四次，车灯闪亮四次-提醒车主车门未关闭。目前基于 CAN 总线的汽车车门控制系统的研究设计比较成熟，根据区域自治的原则，车门控制系统可分为中央、左前镜、右前镜、左前门、右前门、左后门和右后门七个控制器单元。七个控制器单元分布在车身的不同部位，通过 CAN 总线联系在一起，相互协同工作，完成控制任务。我国在这方面的理论研究与实际应用也完全可以赶上和超过美国、日本和欧洲等发达西方国家，达到国际领先水平。从汽车技术的现状和发展看，汽车电子技术是支撑现代汽车发展的基础技术之一，它不是简单地对汽车零部件进行电子控制，而是根据汽车实际使用条件多变的需要，对汽车进行优化综合控制。由于使用条件不同有不同的综合控制目标，无法依靠单个部件的控制来实现所有功能，因此网络技术也将是汽车技术发展的另一个领域。2 现代中低档汽车预防安全技术研究与设计现代汽车预防安全技术能够很好的检测当前汽车的技术状况，能够很好的预判汽车能否正常行驶以及是否存在安全隐患，能够在汽车存在技术状况的时发出必要的预警信号和措施警告驾驶员，若驾驶员硬要驾驶存在安全隐患的汽车，汽车便会自动采取必要的强制措施来控制汽车。预防安全，酒精浓度检测避免驾驶员酒后驾驶，车况检测以及轮胎气压检测能够很好的检测当前汽车的技术状况，排出安全隐患。德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计32.1 酒精浓度检测系统设计（1）酒精浓度检测的目的酒精浓度传感器安装在驾驶室内，当驾驶员进入驾驶室，因其呼出的气体中含有乙醇的成分，传感器检测到这种成分，便将信号处理、放大成为计算机可以接收的信号，计算机做出判断，向控制器发出指令，使断电器工作，发动机熄火，禁止酒后驾车，避免酒后驾驶引发的交通事故。（2）酒精浓度传感器的结构酒精浓度传感器由热敏电阻、和壳体三部分组成。热敏电阻采用负温度系数的电阻（NTC） ，负温度系数热敏电阻其电阻值随着 NTC 热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的减小， 温度越高，电阻值越小；热敏电阻主要用于加热 SnO2，同时加速气体吸附、脱出的过程，提高器件的灵敏度和反应速度，烧去附着在探测部分的油雾、尘埃等污物，起清洁作用，控制不同的加热温度，增强对被测气体的选择性。SnO 2 是金属氧化物半导体气敏元件， 在 200-300 度时吸附还原性气体乙醇而使电阻值急剧下降，因而，控制电流增大，磁场吸力大于弹簧弹力而断电。壳体要求比较严格，要求及耐高温又有很好的透气性。（3）酒精浓度传感器的工作原理这种传感器主要使用半导体气敏材料（SnO 2） ，利用与其气体接触时使半导体的导电率等物理性质发生变化来检测待测气体的成分和浓度。这种传感器具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长及价格低等优点，将成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。SnO2 金属氧化物半导体气敏元件，在 200-300 度时吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减小，从而使其阻值增加。而当遇到有能供给电子的还原型气体乙醇时，原来吸附的氧脱附，而以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面，氧脱附放出电子，还原型气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。当还原型气体不存在时，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值回升到初始状态。空气中的氧的成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，酒精浓度传感器的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。利用器件阻值的变化实现对断电器的控制，从而控制点火系统电路。德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计4（4）酒精检测电路的工作原理（如图 2-1）打开点火开关（ON） ，电脑控制酒精浓度传感器搭铁，使传感器升温，随着温度上升NTC 电阻阻值下降直至升值规定温度。电流流向为：电源+B断电器酒精浓度传感器电脑搭铁电源负极。当驾驶员未饮酒时，SnO 2 保持较高的阻值，因而回路中的电流较小，磁场力小于常闭触电弹簧的弹力，点火系统正常接通。当驾驶员饮酒后，进入驾驶室，因其呼出的气体中含有乙醇的成分，传感器检测到这种成分，吸附大量乙醇气体后，电阻值下降，因而回路中的电流较大，磁场力大于常闭触电弹簧的弹力，点火系统断开，无法正常启动。图 2-1 酒精检测电路（5）结论酒精浓度检测系统可以避免酒后驾驶引发的交通事故，减少不必要的人员伤亡和财产损失。然而，该系统毕竟处于研究阶段要想成功应用到现代汽车中必须进行大量的选德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计5材与实验。在实验过程中，可以对酒精浓度传感器进行再处理使其更能发挥作用，也可以增加信号放大器控制电路的灵敏程度，还可以将现有高档汽车上的酒精浓度传感器和信号放大器进行重组改装使其更好、更成功的应用到现代中低档汽车上。2.2 轮胎气压过低检测系统设计工作原理： 轮胎气压过低检测系统是利用力的平衡原理制作成的。活动触点受弹簧弹力、气压压力和离心力的作用处于平衡状态，当轮胎气压过低时弹簧弹力大于气压压力与离心力的合力，活动触点接触固定触点而接通回路， “LOW TIRE”指示灯点亮，提醒驾驶员出现了气压太低情况（如图 2-2） 。轮胎气压过低使操纵性降低，安全系数降低，会出现意外事故。因而对轮胎压力检测就十分关键，而当轮胎压力出现异常情况时，驾驶员往往会主动降速降低安全隐患。所以三个车速范围为主要的检测范围：24-26km/h，64-113km/h，113-145km/h。每一车速范围所对应的离心力可用 F=mv2/r 实验测得。充分利用实验数据寻找合适的材料，保证轮胎在正常压力范围内达到三力平衡而使活动触点刚刚与固定触点分离。轮胎压力偏低时，活动触点接通电路， “LOW TIRE”指示灯点亮，驾驶员观察到指示灯亮起时需到就近维修厂修理。维修工只需将轮胎低压报警装置拆下即可进行检测与维修作业。保证正常的轮胎气压是汽车安全行驶的先决条件之一，有利于汽车的主动安全。现在中高档汽车上普遍使用感应式的轮胎测压系统，有复杂的电子电路并受电脑控制，将其应用于中低档汽车上还存在一定的问题，因而设计简易的轮胎压力过低检测系统就十分必要了。德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计6图 2-2 轮胎气压检测3 现代中低档汽车行驶安全研究与设计现在汽车档次不一，再加上道路条件等客观条件的限制，不同档次的车行驶安全性也就存在差异。行驶安全，通过对灯光进行设计、改善驾驶员视野、路况进行检测、电子控制悬架系统 ESS、驾驶员注意力检测、增加自适应巡航控制系统 ACC 和电子稳定系统 ESP 等技术增强操纵稳定性和行驶安全性。这样，普通中低档车也就在一定程度上加强了行驶主动安全性能。3.1 前照灯自动闪光系统（1）前照灯自动闪光系统的作用与特点汽车前照灯自动闪光系统作用是根据对面灯光的强度，自动变换前照灯的近光或远光，以提醒对面驾驶员变换远近光，避免会车时驾驶员炫目。其最大的特点是可在无人操作的条件下实现灯光自动闪亮用以提醒对面驾驶员。（2）工作原理当对面没有车辆驶来时，光敏电阻无灯光照射，电阻非常大相当于断路，远近光只德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计7受组合变光开关的控制；当对面开着远光的车辆驶来时，光敏电阻接受灯光高度与强度信号电阻逐渐变小，电路中电流变大翼片受热膨胀短路闪光器的电阻丝，使继电器吸合开关触点至远光灯，远光闪亮；当对面驾驶员变为近光或者会车结束时，光敏电阻无较弱或无灯光照射，电阻又变大至无穷，自动变光电路断路，灯光自动闪至近光灯（如图3-1） 。前照灯自动闪光系统是利用对面灯光的强度控制电路电流，使闪光器接入与断开，从而控制远近光的自动变换。当使用中电子控制部分损坏或出现故障时，仍能通过组合变光开关变换远近光。图 3-1 前照灯自动闪光（3）在中低档汽车上的应用分析目前，国内外中高档汽车上前照灯自动变光系统是利用三极管的通断来控制电路的，而本文所设计的前照灯自动闪光系统是利用闪光器的作用来控制的，本身需要对闪光器进行调试，需要在实践过程中进行检验校准。3.2 驾驶员视野分析保证汽车安全运行需要驾驶员能及时接收足够正确的信息。80%以上的信息是驾驶员通过视觉获取的，汽车驾驶视野是汽车主动安全系统中的重要组成部分。汽车驾驶视野的宜人化程度直接决定车辆预防交通事故的性能。汽车驾驶视野设计是以驾驶员的眼睛位置（被称为视点）为定位基准。驾驶员眼椭圆的确立为研究汽车视野性能提供了科学基准。各种百分位身材的驾驶员对应有各种百分位的眼椭圆。为便于汽车视野设计或校核，常将各种百分位的眼椭圆制成样板，其在车身视图上的位置如图 3-2。汽车视野按方向不同可分为前方视野、后方视野和侧方视野。另外，夜间行驶需要夜间视野。德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计8图 3-2 车身视图位置（1）前方视野前方视野是从前风窗玻璃所能看到的可见范围及车厢内部的仪表板部分，前方视野是汽车运行中最关键的视野。前风窗玻璃框架横框和立柱位置以眼椭圆为基准，并综合考虑车辆使用环境、人眼视觉特性和能使驾驶员既方便获取交通信号又避免太阳光照射而眩目等因素最终确定，视野太大，路感等刺激增大，容易引起驾驶员的疲劳；视野太小，不能获得足够必要的信息。为了保证车辆在雨雪天为驾驶员提供良好的视野，应设除霜、除雾系统。这些系统在风窗玻璃上的清除面积及其位置也是用驾驶员眼椭圆（通常采用 95 百分位的眼椭圆）作基准，分别作眼椭圆的上、下、左、右 4 个切面，以切面与风窗玻璃的交线确定前方视野的大小和位置，汽车前方视野示意如图 3-3。德 州 学 院 汽 车 工 程 系 2010 届 交 通 运 输 专 业 毕 业 设 计9图 3-3 前方视野（2）后方视野后方视野是通过车内、外后视镜间接观察到的可见范围。其视角大小和方位主要取决于后视镜的尺寸和布置位置（如图 3-4） 。后视镜的大小、镜面曲率与视野角度密切相关，镜面面积和曲率越大，视野角就越大。但镜面面积过大时物像会产生畸变失真；镜面曲率过大，难以判断物像的距离并在后车快速接近时造成物像急剧变化的眩目感，不利于驾驶安全。因此应在镜面面积与曲率之间求得平衡，保证视野和物像二者都有较好的效果。图 3-4 后方视野关于后视镜的布置位置，美国 SAE 推荐采用眼椭圆的方法确定，要求车内、外后视镜安装在第 95 百分位眼椭圆边缘水平切线之上或下边缘水平切线之下，使头部和眼睛的总转动角度不超过 60并避开风窗玻璃不能刮刷到的部分或立柱遮挡区域。（3）侧方视野侧方视野（如图 3-5）是指驾驶员通过侧门风窗等直接可见的视野范围。大客车、货车的视点位置高，侧方显得比轿车更重要！大客车增加侧方视野主要靠右侧（左置转向盘时）以下加大风窗面积。货车靠在右侧门窗玻璃下增设下窥窗，增大侧方视野的下视角。