汽车安全带强制限速装置研发

摘 要：汽车安全带强制限速装置属于被动安全装置，由车速传感器、加速踏板传感器、电控节气门传感器、电压滤波器、强制限速装置等组成。该装置的配置使得在乘员不佩戴安全带的情况下，对车辆进行强制限速，解决高速时安全带佩戴率不高的问题。

关键词：安全带;传感器;速度监测;强制限速

1 座椅安全带作用

座椅安全带可以有效的将乘客的身体约束在座椅上，使乘客的身体尽可能的靠在座椅靠背上;当发生交通意外时，安全带可以降低或者有效避免二次伤害给乘员带来的威胁，使伤亡程度降到最低。但是安全带佩戴率不高问题一直未得到根本的解决，本文中研发的安全带强制限速装置，不仅可以提高安全带佩戴问题，而且可以提高被动安全。

2 安全带强制限速控制装置组成

2.1 车速传感器

车速传感器是用来检测汽车行驶速度的装置，将车速感应系统检测到的感应信号传给汽车电子控制单元ECU。

车速传感器根据结构的不同可以分为舌簧开关式、电磁感应式、光电式、可变磁阻式传感器，本次实验以电磁感应式车速传感器为例。

电磁感应式车速传感器与自动变速器输出轴上的齿轮相结合，装在输出轴附近的壳体上，形成感应信号来检测输出轴的转速，如图1a所示;电磁感应式车速传感器由齿轮、永久磁铁、电磁感应线圈、电控单元ECU组成，如图1b所示。

电磁感应式车速传感器工作时的运行状态：当输出轴转动时，齿轮2随轴一起转动，齿轮2的凸齿为感应转子，当齿轮间断性地靠近或远离感应线圈时，感应线圈内的磁通量将会发生变化，根据电磁感应原理，从而产生交变感应电动势，并将此信号传递给电控单元ECU，得到的感应电压如图2所示;自动变速器输出轴转速越高，相应的车速也就越快，交变电压脉冲周期也就越短，电子控制单元ECU根据车速传感器感应电压脉冲周期的大小来计算汽车行驶的速度。

2.2 加速踏板信号控制原理

现代汽车以汽油机和柴油机为主流，因此本装置主要以汽油机和柴油机为例。汽油机通过加速踏板控制节气门开度的大小来控制喷油量，以此调节发动机的转速;柴油机通过加速踏板来直接控制喷油量。当汽油机采用全电控节气门时，控制原理和柴油机相同，加速踏板只起到信号输出的作用。汽车电子油门的加速踏板上安装有位移传感器，当驾驶员踩踏加速踏板时，加速踏板运动，行程将会发生改变，继而影响节气门位置传感器的输出电压，当电压信号输送到发动机电控制单元ECU时，ECU根据加速踏板节气门输出电压的高低来确定喷油量的多少，由于喷油量的多少与发动机的转速成正比，则可以通过加速踏板来控制节气门开度大小（即节气门开度大小的电压信号）来控制发动机的输出转速，由此我们可以通过控制加速踏板工作行程来控制车速。

2.3 电控汽车节气门电压波形分析

当加速踏板的工作行程发生改变时，节气门开度大小也会发生改变，继而节气门位置传感器的输出电压发生改变。本次实验探究了线性输出型节气门位置传感器电压变化的波形;实验时，打开汽车电器设备开关，发动机不进行运转，慢慢踩动加速踏板直至加速踏板最大行程（即节气门从关闭位置到节气门全开），并慢慢松开加速踏板至原来位置（即节气门从全开到关闭状态）。反复试验，得到加速踏板节气门输出电压波形，如图3所示。汽车在怠速状态时，节气门关闭，此时为最小输出电压等于880mV;当节气门全开时，此时输出电压为4.36V。

2.4 安全带强制限速工作原理

汽车在低速稳定驾驶过程中，车速与发动机的转速成线性关系，加速踏板控制节气门的输出电压与车速成成线性递增关系，而且加速踏板是驾驶员控制车速主要参数之一，所以选择加速踏板的节气门输出电压大小作为驾驶员控制车速的主要依据。本装置将“安全车速设定装置”中的安全车速设定为x，此时对应的加速踏板节气门输出电压为y。当汽车运行时，本装置将对车速传感器、安全带卡扣开关以及控制加速踏板行程的传感器电压进行检测，以确定其工作状态，并根据不同状态按以下模式进行工作，如图4所示。

（1）工作方式

a.不受约束行驶模式

第一种情况：当车速传感器检测到车速未达到x时，车速传感器电子控制单元ECU将对外输出低电平，开关S1不闭合，整个电路处于断路状态，不起作用。

第二种情况：当车速传感器检测到车速达到或超過安全车速x时，车速传感器将此信号传递给车速传感器的ECU，ECU对外输出高电平，开关S1闭合;然后安全带卡扣检测系统将对安全带卡扣进行检测，当安全带卡扣检测系统检测到安全带卡扣时（即驾驶员佩戴安全带），电脑控制单元ECU对外输出高电平，则安全带卡扣开关S2闭合;此时电路1与电路2处于并联状态，电路2中会形成小电流，常闭继电器将介入工作，使电路1部分处于断路，电路2部分处于工作状态;电路1中就会形成较大的电流，使安全带收紧器开始工作，来调节安全带织带的长度，以满足乘客（身材大小和肥胖）的不同需求，并以合适的力度将乘客固定在座椅上。

b.受约束的行驶模式

若车速传感器检测到车速达到或超过安全车速x时，车速传感器将此信号传递给电子控制单元ECU，ECU对外输出高电平，开关S1闭合;然后当安全带卡扣检测系统未检测到安全带卡扣时（即驾驶员未佩戴安全带），电子控制单元ECU对外输出低电平，即卡扣开关S2断开，电路2处于断路状态，电路1处于工作状态，此时安全带提示灯亮起，蜂鸣器提示驾驶员系好安全带，同时加速踏板干涉装置处于工作状态，干涉装置将对加速踏板的节气门输出电压进行强制干涉，将超过加速踏板节气门安全电压进行过滤，此时超过部分电压变为y（如图5所示），并将此电压信号y传递给发动机ECU，使车速控制在安全车速x以下。如果驾驶员仍然在没有系安全带的情况下欲加大油门，则此强制干涉装置仍向发动机的ECU输入加速踏板电压为y，使实际车速保持在安全车速以下。 只有当检测系统检测到安全带卡扣为高电平（即电路2部分处于工作状态，电路1处于断路状态）或者实际车速低于安全车速时（即S1处于断路），干涉装置不起干涉作用。

（2）电压过滤器的电路分析

图6是加速踏板节气门开度电压过滤器的原理电路。图中U0是输入电压，U1为输出端电压，U为电压源电压，其电压与加速踏板节气门y相等，D为二极管，二极管能够导通的最低正向电压不计。当输入端U0电压小于电压源U的电压时，U0等于U1;当输入端电压U0大于电压源电压U时，输出端电压U0等于电压源电压U，以此起到对加速

踏板节气门电压起到滤波作用。

（3）安全带强制限速装置控制流程，如图7。

3 结束语

本装置属于被动安全装置，与安全带相配合使用，弥补了安全带佩戴率不高的问题，有效提高了乘员的安全性，同时降低了交通事故的严重性。

参考文献：

[1]郭荣春 曹凤萍 汽车安全工程 北京 中国水利水电出版社 2016.02.

[2]刘辉，赵建彪，李闯，等 基于限制车速的安全带强制使用装置[J].电子设计工程，2011.

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