肖志信+卢浩+刘飞+杨应雨+唐小珍

摘要：介绍了汽车碰撞后辅助开门系统的结构特点、工作原理、技术参数，提出了冲击气缸在汽车安全领域的一种应用方式，并对使用过程中可能出现的问题进行了探讨。

关键词：冲击气缸；冲击功；电磁阀；压缩氮气罐

0引言

目前，车辆已普及在人们的日常生产生活中，车辆安全问题成为一项越来越重要的课题。汽车由于碰撞后车门变形使驾驶员不能及时脱险，导致宝贵的救援时间被耽误，从而带来严重后果。冲击气缸[1，2]作为一种气动元件，具有较大的冲击力与冲击功，在生产生活中应用广泛。本文探索将冲击气缸应用于快速、高效打开车门，从而使驾驶员及时脱险。

1 开门系统的组成

从功能原理方面考虑，本开门装置由高压氮气罐、电磁阀和冲击气缸三部分组成。

2 开门系统的原理

本开门装置的工作原理：电磁阀控制高压氮气罐内的高压氮气通过软管是否进入冲击气缸的蓄气缸内。当汽车发生碰撞的一瞬间，电磁阀阀门迅速开启，高压氮气罐内的高压氮气进入冲击气缸的蓄气缸，使冲击气缸的活塞杆受到一个力，进而推动活塞杆高速运动，使车门受到冲击荷载而迅速开启。

3 高压氮气罐

氮气在常况下是一种无色无味无嗅的气体，通常无毒，且氮气占大气总量的78.12%（体积分数），是空气的主要成份，资源丰富。本安全系统采用高压氮气罐提供氮气作为动能的“源头”，高压氮气罐的规格采用0.3 L～1L。

4 电磁阀的结构、原理及技术参数

4.1 电磁阀的结构

电磁阀的结构如图1所示。

4.2 电磁阀原理

本阀为分步动作直接先导式电磁阀，根据断电时所处开、关状态的不同，可分为常闭式电磁阀和常开式电磁阀。

常闭电磁阀：线圈通电后，衔铁在电磁力作用下先带动副阀阀塞提起，主阀阀杯上的流体经副阀流走，减少了作用在主阀阀杯上的压力，当主阀阀杯上的压力减少到一定值时，衔铁带动主阀阀杯，并利用压差而使主阀阀杯开启，介质流通。线圈断电后，电磁力消失，衔铁因自重下落复位。同时依靠介质压力，主副阀得以紧密关闭。

常开电磁阀：线圈通电后由于吸力作用，动铁芯下移，把副阀阀塞压下，副阀关闭，主阀阀杯内压力上升，当压力升到一定值时，主阀阀杯的上下压差一样，由于电磁力作用，动铁芯处于主阀阀杯下，压紧主阀阀座，阀门关闭。线圈断电时，电磁吸力为零，副阀阀塞和动铁芯由于弹簧作用向上提起，副阀打开，主阀阀杯上的流体经副阀流走，减少了作用在主阀阀杯上的压力，当主阀阀杯上的压力减少到一定值时，利用压差把主阀阀杯推起，主阀打开，介质流通。

1—定铁芯 2—线圈 3—动铁芯 4、5—弹簧 6—活塞环 7—节流孔 8—密封材料 9—先导孔 10—弹簧 11—密封材料 12—导向柱

4.3 电磁阀的技术参数：

规格尺寸：DN15～DN50；

连接方式：内螺纹、法兰；

压力等级：0～1.6MPa；

温度范围：≤200℃；

电源电压：DC24～127V AC36～380V。

5 冲击气缸原理

冲击气缸[3，4]结构如图2所示。

1—活塞杆 2—泄气口 3—活塞 4—中盖 5—無杆腔 6—喷口 7—进气口 8—有杆腔 9—工作气缸 10—蓄气缸

冲击气缸有多种缸径选择，分别为63、80、100、125等多种规格，行程为（1～5）D。由于其工作介质要求干燥、无尘、油雾、洁净的压缩空气，又要对环境无污染，因此选用压缩氮气。工作压力为0.25～0.8MPa，使用温度范围-5℃～80℃。考虑到车门变形后受到的约束增多，需要较大的动能才能打开，故可利用冲击气缸通过碰撞产生的冲击功将车门打开。冲击功的大小与气缸缸径及行程S有关，因此合理选择冲击气缸的规格关系到开门的成败。基于安全性考虑，我们选择缸径为63，行程为100mm的冲击气缸。经过实验，测得最大冲击功出现在行程S的55%处，即Smax=0.55S，由计算可知，冲击功为31.6N·m，对应行程为55mm。

氮气源阀门开启后，高压氮气由入气口进入蓄气缸后，缸内压强不断增大，当压力达到一定临界值时，活塞开始运动，蓄能阶段结束，此时密封垫随活塞离开喷气口，由于蓄气缸左侧为作功腔，高速运动的气体开始喷入作功腔，作功腔内的压强增大为P1，作用面积增大为整个活塞的面积，作用于活塞上的推力F由πd2P0/4突然变化到πD2P0/4（P0为蓄气缸内的压强）。由此可见，冲击力巨大，此时作功腔的气体压缩能转变为活塞的动能，使活塞快速运动，当达到0.55S时，达到最大功。这时活塞达到泄压口，作功腔压力得以释放，活塞达到最大速度；经过泄压口后，尾腔空气被压缩，产生的负压与弹簧共同作用，使活塞减速，以降低对端部冲击，同时碰撞块与车门分离，从而使车门顺利开启。

由于冲击气缸不要求短时间内进行连续往复冲击，因此在普通冲击气缸的基础上可省掉活塞收回步骤，只需要在装置工作前手动复位；另外，冲击气缸还增加了缓冲弹簧，增强了气缸工作的稳定性与安全性。

6 结束语

本文通过对冲击气缸进行改造，并应用于汽车安全领域，扩展了冲击气缸的用途。需要指出的是，在使用过程中，经过上述改造的冲击气缸应该将压强严格控制在0.25～0.8MPa，压强过低会导致不能正常工作，压强过高会导致冲击力过大，对人自身安全构成威胁。此外，还应确保气缸密封良好，气缸与连接管路结合紧密，构件不会松脱，才能发挥整个装置的最大性能。

参考文献：

[1]李雪梅，曾德怀，丁峰.冲击气缸的设计及应用[J].液压与气动，2005（3）：65～66

[2]张永明，章兰珠，王学林，等.行人保护测试系统发射装置的控制仿真研究[J].液压气动与密封，2011（8）：9～12

[3]陆鑫盛，周德高，陆宪忠.冲击气缸[J].冶金自动化，1983（3）：46～49

[4]徐文灿.冲击气缸的选用和设计方法[J].液压与气动，1984（2）：8～13

作者简介：肖志信，男，汉族，（1968—），湖南衡阳人，湖南工学院，教授，已在各级刊物上发表论文30余篇。主要研究方向为：现代机械设计与制造技术研究。

基金项目：2013年度湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目“汽车碰撞后辅助逃生系统的研制”湘教通[2013]191号。endprint