大客车落水自动破窗装置研究与设计

张琳钊，常 旭，许天泽

(长安大学工程机械学院，陕西西安710064)

0 引言

虽然大中型客运车辆上都配备有用于紧急情况下的破窗设施，但是这些设施在真正发生事故时却很难发挥其应有的作用。自动化破窗器是一种区别于传统破窗锤的安全装置，它能自动识别车辆落水，并在很短的时间内击碎车窗玻璃。研究并设计一款各方面性能优良的自动破窗装置，主要包括破窗器和控制电路模块，能有效解决传统破窗器安全性不高和动力不可靠等问题，在车辆发生落水事故时给乘客提供充足的逃生时间，最大限度的保障乘客生命安全，对我国商用客车的发展及其安全系统的建设有着重要的作用。

1 破窗器设计

1.1 方案设计与选用

根据弹簧力、电磁力和气体压力来初步设计破窗器实现方案。

图1为弹簧式破窗器原理图，撞击块5将动力弹簧4压紧，并由两端的两个限位杠杆3卡位固定，整个固定装置内有提供吸力的电磁铁，接通电源后可产生电磁力吸引动力杆2，动力杆作用于限位杠杆3，从而释放撞击块5撞击玻璃。

图2为电磁动力的破窗方案[1]，电磁铁作为一种由电生磁的动力装置，其工作原理简单。当电磁铁线圈3通电后，瞬间对衔铁1产生向下的电磁力，使撞击块4加速后击碎玻璃。

图1 弹簧式破窗器示意图

图2 电磁式破窗器示意图

图3为气体压力的破窗器方案[2]，采用瞬时高压气体作为动力源，主要部件有气体发生器3、撞击块6和外壳1等，当传感器检测到车辆落水后，控制电路向破窗器传来的启动信号，电点火装置4引燃气体发生剂5，在很短的时间内便可产生大量高压气体推动撞击块。

图3 气体式破窗器示意图

基于弹簧弹力、电磁力和高压气体为动力源的破窗器方案，各自有不同的优缺点。在形状与外观方面，弹簧式和电磁式外形过大，气体式破窗器总体尺寸较小，对乘客视野和活动几乎不产生影响；在制造及成本方面气体式设计则较为复杂，制造精度要求较高，需采用特定的气体发生剂，成本较高；在可靠性方面，由于破窗器总体尺寸的限制，要想通过调整结构参数和优化结构设计弹簧式和电磁式方案从而大幅增加破窗动力是非常困难的。相比之下，气体式破窗器能提供足够大动力，通过调整气体发生剂的使用量能大幅有效地增加击碎动力，且不会改变破窗器基本结构和总体尺寸，可靠性非常高。

1.2 气体发生剂

气体发生剂是可以通过燃烧而产生大量气体的化学药剂，属于一种固体推进剂。一般用于制造各种气体发生器和充气装置，作为气体发生剂，必须具有一些特性，如产气量大且产气迅速、所产生的气体无危害性和反应温度较低、无燃烧火焰等。目前，国内外气体发生剂主要有三类：一是以火药为主的混合药剂，主要是硝化棉火药及其复合配方；二是烟火类产气药剂，又可分为含叠氮化钠类和不含叠氮化钠类；第三就是目前一些先进的人工制成的发生剂。气体发生剂一个最常见的应用就是汽车安全气囊，安全气囊是在汽车发生撞击事故时能迅速弹出保障司机生命的重要设施，安全气囊目前使用最多的气体发生剂就是含有叠氮化钠的气体发生剂，其优点是燃烧温度低、燃烧速度快，并且产生的气体主要是无危害的N2，所以此处设计破窗器选择NaN3类气体发生剂[3]。

含有NaN3的气体发生剂中，NaN3作为还原剂参与反应，氧化剂主要有Fe2O3(氧化铁)、氧化铜等金属氧化物和K2NO3(硝酸钾)、Na2NO3(硝酸钠)、硝酸锶等硝酸盐类以及高氯酸钾、高锰酸钾等。另外发生剂中还含有黏合剂和冷却剂，黏合剂主要有SiO2(二氧化硅)、膨润土、高岭土以及有机高分子等。因为冷却剂不能产生有用的气体产物，在此装置中没有必要降低反应温度，且增加冷却剂会相应的增加发生器药室的体积，所以此处发生剂中不放冷却剂。叠氮化钠和氧化铁反应能放出大量气体，但如果只有这两种物质，反应的发生较为困难且燃速很低，所以往往需要加入第二氧化剂来提高它的燃烧性能。

表1为不同组成成分气体发生剂燃烧试验，主要成分为NaN3，氧化剂除了氧化铁之外还需加入第二氧化剂，从硝酸钠、高氯酸钾和高锰酸钾中选择，黏合剂除了有二氧化硅还有高岭土和膨润土，试验数据见表1。

由表1可以看出，第二氧化剂的含量比第二氧化剂的种类对反应时间影响更大，这其中影响最小的是黏合剂的种类。所以根据上述试验数据，本装置气体发生剂选用NaN3和Fe2O3，第二氧化剂选择Na2NO3，黏合剂选用SiO2(二氧化硅)。该气体发生剂相关燃烧的化学反应方程式如下：

表1 叠氮化钠产气试验数据

气体发生剂总反应方程式为

2 控制电路

控制系统功能是当车辆落水时能迅速亮灯报警并实现自动或手动破窗，控制电路可分为检测模块、控制模块和点火模块等几个主要部分，其工作流程如图4所示。控制系统采用客车自带的蓄电池作为电源，电压为24 VDC，该电压可直接给压力变送器供电，蓄电池电压通过PI3108-00-HVMZ型DC-DC转换器将24 V电压转换成适合主控制器工作的3.3 V和点火电路工作的5 V。系统设计了两种触发方式，分别是手动控制开关和传感器自动检测，同时设计有双闪警示灯和蜂鸣器。控制模块主要依靠控制芯片来接收转换信号，并将信号传递给报警装置和点火模块。

2.1 检测模块

车辆发生意外落水事故时，水压检测装置需及时检测到车辆落水，并向编程控制器传递电信号，触发破窗装置。检测模块工作原理是：当车辆处于正常运行时，压力变送器输出1 V的恒定电压，控制芯片读取该恒定值小于设定的触发值，不会触发点火装置；当车辆落入水中后，随着客车不断进水下沉，水压不断增大，变送器输出电压信号逐渐变大，控制器读取到大于触发值的信号时控制启动电点火装置，触发破窗器击碎玻璃。表2为该压力传感器的具体技术参数，其测量精度为5 kPa/VDC，即水深每增加0.1 m，压强就增大0.98 kPa，即输出电压信号增大198 mV，灵敏度足够高。

图4 控制系统框图

表2 压力变送器技术参数

2.2 控制模块

本装置选用主处理芯片型号为STM32F103C8T6的微处理器，如图5所示，其具有高速处理、低功耗等优点，能够保证产品超长待机。主控制器的Trigger、BEER、LED_G和LED_R引脚分别为点火模块接口、蜂鸣器接口和双色报警灯接口，OUT_IN接口输入压力变送器电压信号，KEY1和KEY2接口分别是司机和乘客的手动控制开关信号，通过可编程控制器实现相关控制功能。当压力变送器输出电压超过3 V或司机按下开关时，控制器要触发破窗器点火；而当乘客按下开关时，控制器需首先检测变送器输出的电压信号是否大于1.4 V，若信号大于1.4 V，触发破窗器点火，小于则不触发；报警装置需要在传感器检测到水深大于0.2 m才启动报警。控制流程图如图6所示。

图5 主芯片电路最小系统

图6 控制程序流程图

2.3 点火模块

破窗器采用高压电极输出端的电火花来引燃产气药剂，这种点火方式可靠性高、体积小且装配方便[4]，图7为电点火触发电路图，该触发电路由触发开关、振荡电路和升压电路三部分组成。

左边为触发开关电路，VCC端接5 V电源，当控制器输出Trigger信号为高电平时，VCC电路无法通过MOS管Q5，此时该触发电路处于断电状态；当Trigger信号为低电平时，Q5导通，电路通电。中间部分为利用变压器耦合形成的正反馈自励振荡电路。当触发开关通电后，电路通过R42给3A3X31提供一个基极电流，使得3A3X31的集电极电流增加，再通过L1的耦合作用，产生感应电动势，此电动势与电源电压叠加，使基极电流和集电极电流进一步增加，形成强烈的正反馈。右边电路为升压部分，二极管D6、C27和L4构成高压整流储能电路，根据T2各绕组的接法，L2处于电流增加阶段时，L3中的感应电动势的方向使D6不能导通，只有当L2中电流从最大值开始减小时，二极管D6才能导通，并通过R43和L4分别向C26和C27充电。在C26的电压还没有达到晶闸管2N1845A的导通电压(约30 V左右)之前，C27没有放电回路，其电压逐渐升高，当C26的电压达到导通电压时，晶闸管2N1845A导通，C27储存的能量被迅速释放，在L5可感应出万伏以上的脉冲电压，击穿电极的间隙产生电火花。

图7 点火模块电路图

3 结语

本文针对传统手动破窗器在车辆紧急情况下难以有效发挥其作用这一缺陷提出设计一款自动破窗装置。结合现有资料提出多种形式的破窗器设计方案，综合比较下采用了以气体作为动力的破窗器设计方案，在保证破窗器能顺利击碎玻璃的前提下选择合适产气药剂，并采用控制器集成电路来满足装置自动化要求，其中包括各个模块的具体控制电路的设计。此自动破窗装置设计可以在大客车发生紧急情况下迅速启动，自动击碎车窗玻璃，满足了乘客在紧急情况下的紧急破窗逃生的需要。该装置的研究与设计对企业客车安全系统建设起到很好的促进作用。