一种汽车危险警示装置设计*

庞小兰， 吴和帝

（广东理工学院， 广东 肇庆 526100）

1 前言

通过对现有市场的调查， 市面上绝大多数轿车在夜间或在能见度低的情况下行车时， 发生紧急情况后， 所能采取警示到后车的措施大致有两种： 一是在轿车内部打开的双闪警示灯； 二是将三脚架放置在轿车后方150m处。 但是这两种方法对于在高速公路上或者是能见度极低的环境下，如果对后车的警示程度不足， 对于尚未转移到安全地区的同行人员以及将三脚架放在轿车后150m处的放置人员来说， 仍然存在一定的安全隐患， 即发生二次事故。 本课题研究汽车警示装置， 是为了提高汽车的事故后安全性， 尤其是针对出现紧急情况后发生二次交通事故的情况， 并有效提高在紧急情况下的救援效率。

2 危险警示装置的结构

汽车危险警示装置主要是安装在轿车顶部的一种具有独立电源并且能在一定情况下自动响应的装置。 整个警示器在结构上由LED显示屏、 半自动弹起结构体以及控制电路3个主体部分组成， 如图1所示。

图1 危险警示装置机构组成

1） 在LED显示屏的结构部分中， 用能发出光的微晶玻璃作为主体， 结合LED显示屏的支撑杆结构组成。

2） 在弹起机构主体中， 主要由电机和支撑架组成。

3） 控制电路部分， 由于显示屏采用的是以并联方式进行连接的LED灯， 外加PC光扩散板， 这样警示效果会更好，并且还有防炫目的功能， 不会给后方车辆带来危害。 采用红色LED发光二极管， 红色正好是警示的颜色。 供电电源采用5V电源供电， 为了方便手动控制危险警示装置， 在电路中加入自锁开关， 并且为了保证装置能有效启动， 本装置在失电的时候也会自动启动。

3 危险警示装置设计

3.1 设计思路

汽车危险警示装置以一种独立装置的形式存在。 控制电路设计中分为电源电路、 系统控制电路、 总线电路等方面。 危险警示装置硬件电路设计要考虑到装置本体的整体结构中每个硬件的电路设计情况。 系统设计的流程如图2所示。

图2 设计流程图

3.2 启动系统的设计

启动系统电路设计中以按钮和电路相结合。 按钮设计数量为2个， 均在车内。 一个设计在汽车中央控制台上， 方便前排驾驶人员在发生紧急情况时及时启动装置； 另一个设计在后排中间的顶部上， 这是为了确保前排成员失去启动装置的情况下， 后排乘员也有能力启动警示装置。

本装置启动方式为断电启动， 设计的按钮为断电开关。本装置还具有自启与自查功能。 当紧急情况过于严重， 破坏了装置的总电路， 导致显示系统与电源之间断开， 则系统会将显示器弹起， 显示器也会同时运行； 当警示装置长时间没有使用， 其电路出现老化现象， 造成电路出现故障时， 使得显示系统与电源之间断开，同样会同时启动弹起系统与显示系统， 其启动流程如图3所示。

图3 启动系统流程图

3.3 弹起系统的设计

弹起系统组成如图4所示。弹起机构的主要作用是在装置启动时将LED显示器从车顶上90°升起， 通过LED屏循环播放警示文字来提醒后方车辆。 常见的屏幕弹起方式有两种： 一种通过电磁铁与弹簧的结合，一种通过电机将显示屏升起。

3.3.1 电磁铁方案设计

将电磁铁安装在汽车顶部， 电磁铁是一种通电即产生磁力的装置。 其主要构成是在铁芯的外部， 将与其具有相同功率的导电绕组进行缠绕， 这种线圈在通有电流的时候， 会像磁铁一样具有磁性。 通常电磁铁的形状为蹄形和条形， 这是为了使铁芯更容易磁化。 另外， 为了使电磁铁通电立即得磁， 断电立即消磁， 通常采用软铁或硅钢材料进行电磁铁的制作， 主要是这些材料得磁与消磁的速度更快， 这样的电磁铁在得电会产生磁性，断电时磁性也会随之消失。 因为磁铁对导磁率越高的物体，体现出来的吸力越强， 所以在LED显示器上端镶入一块导磁性较高的矽钢片。 在警示装置不运作时， 主要靠电磁铁通电获得磁性， 与矽钢片产生磁力吸附， 从而固定在汽车顶部。 当危险警示装置启动时， 电磁铁断电而失去磁性，LED显示器在屏幕下端弹簧结构的弹力作用下， 垂直于车顶立起来， 使显示器达到警示后方车辆的效果。

总结： ①电磁铁机构因为一断电， 显示器就会立马弹起， 所以时效性好； ②不会因为结构损坏而导致LED显示器弹不起来， 故障率低； ③整体由电磁铁与弹簧构成， 结构简单； ④需要源源不断进行通电， 对电源要求高、 耗能大， 不利于汽车长时间停放， 而且危险装置启动后， 要手动去关闭， 善后操作麻烦。

3.3.2 电机方案设计

在危险警示装置内部加入小型直流电机， 使显示器的弹起由电机驱动， 如图4所示。 小型直流电机效率比其他类型电机都要高， 可以达到相同的输出功率， 而且电机体积较小， 方便安装。 小型直流电机根据负载大小可以自动降速， 还可以吸收负载大小的突变， 电机转速能自动适应负载大小。

图4 弹起系统组成

小型直流电机的特点可以总结为： 体积小、 力矩大、减速范围广、 耗能低、 噪声小以及耐用。 而衡量电动机的选择合理与否， 要看选择电动机时是否遵循了以下基本原则： ①电动机能够完全满足生产机械特性方面的要求， 如所需要的工作速度、 调速指标、 加速度、 启动以及制动时间等； ②电动机在工作过程中， 其功率能被充分利用， 即温升应达到标准规定的数值； ③电动机的结构形式应适应周围环境的条件， 如防止外界灰尘、 水滴等物质进入电动机内部。

因为PLC的输出电压是24V， 故应选24V的直流减速电动机和2个24V的继电器作为负载。 综合警示设备的使用要求， 参考机械设计使用手册， 所以本次电动机选用JGB37-545X。 主要参数： 工作制度为S、 额定功率20W、 额定电压24V、 额定转速1000r/min、 额定转矩35kg·cm、 额定电流1A、 质量约300g。 综合装置的整体情况， 本装置弹起系统选用电动机方案， 弹起结构如图5所示。

图5 弹起结构平面图

3.4 回收系统的设计

警示装置在紧急情况发生时进行启动和使用，当紧急情况已被处理， 可通过按钮将装置进行回收， 回收系统组成如图6所示。

图6 回收系统组成

其工作原理主要是将回收信号传输到单片机， 单片机接收到回收信号后对电机进行控制， 将电机反转信号送达至电机， 电机响应进行反转， 通过齿轮驱动将屏幕收回。 装置回收结构平面图如图7所示。

图7 装置回收结构平面图

3.5 显示系统设计

车辆本体上配备一个警示装置可以提高对后车的警示程度， 更可以保障事故车辆免受二次事故。 一个理想的危险警示装置显示系统要满足以下两点要求： ①警示效果要好， 能清晰给后车警示反馈； ②位置布置合理， 不影响整车美观。

3.5.1 警示效果

传统的警示器也就是双闪灯。 双闪灯的优势是穿透力强， 可以在几百米之外给予后车警示， 提醒后方驾驶员减速慢行。 但是仅仅依靠双闪灯后方车辆无法清晰判断前方的准确情况， 也无法判断前方车辆是在减速慢行还是抛锚在道路上， 所以加装一个额外的危险警示装置可以给到后方车辆清晰的反馈， 即前方车辆已抛锚， 需谨慎通过。 笔者曾经考虑过在车尾加装一个激光投射器， 将警示内容投射在百米开外的地上， 这种装置简单且方便， 并且穿透力强， 显示效果也好， 但是考虑到整车的高度不足， 无法清晰投射到远处的地上， 并且激光投射若发生偏移， 将会使激光投射至后方驾驶员的眼睛， 造成眩目， 会给后方车辆的行驶造成安全隐患。 如果发生后方车辆追尾的情况， 激光投射将达不到警示效果等问题， 就放弃使用激光投射的方式， 而选择使用LED显示屏的方式进行显示， 因为LED屏幕可以更加直观地展示出警示内容， 不论白天黑夜都可以使用并达到使用效果。 除了翻车等极限情况外， 其余任何的紧急情况都可以使用， 即警示效果好， 运用场景多。

3.5.2 位置布置

在车顶靠车尾处进行布置， 合理利用车顶空间， 并且处在车辆的最高处， 可以将警示内容最大程度发至后方车辆。 在整车美观方面， 由于装置布置在车顶上， 人们对其的关注程度不高， 并且显示器后盖使用的是和车顶同样的材质， 对整车的美观影响不大。

本危险警示装置的显示器整体类似于一个笔记本电脑，循环播放： “前方减速， 慢行”， 以这种形式对后方车辆进行警示， 并进行10s频闪来强化警示效果。 《中国国家标准GB 2893—82》 明确规定， 安全色为红黄蓝绿4种， 其中红色表示停止、 禁止， 用于禁止标志和停止信号等。 黄色表示警告注意， 通常应用在警戒标志， 所以本显示器的文字采用红黄两色， 如图8所示。

图8 显示系统效果图

4 试验及结论

将危险警示装置在某车上进行试验， 该车主要尺寸为4976×1908×1405mm， 轴距为2928mm。 将LED显示器布置于车顶后方中间位置，启动按钮布置在汽车中央控制器处和车辆后排顶部中间位 置。 如 图9 所 示，当需要危险警示装置时， 车内的所有人员通过按钮1和按钮2将其启动， 显示装置会显示图8的效果。 试 验 证 明， 在发生事故时能够通过装置达到警示作用， 减少二次事故发生的概率。

图9 危险警示装置实车布置图