專利名稱：電磁驅動式碰撞主動響應頭枕及其控制方法
技術領域：
本發明涉及車輛追尾碰撞過程中用于減少乘客頭部與汽車頭枕之間水平距離的新型電磁驅動的主動響應式頭枕，本發明綜合應用電磁學和機構學兩方面的相關理論，形成了一種機電組合式的電磁驅動主動響應頭枕。
背景技術：
全世界每年都會因汽車交通事故而造成巨大的人員傷亡和社會經濟損失，汽車安全性問題引起了世界各國的高度重視。在交通事故中，一種常見的受傷為頭頸部受傷。在美國，頸部扭傷是汽車保險索賠中出現頻率最高的。據統計，1997年66%的身體損害索賠和59%的保護方面的索賠，都報告發現了輕微頸部損傷。且分別有42%和36%的索賠者認為頸部扭傷和拉傷是最嚴重的受傷，索賠金額高達70億美元。大約90%的后碰撞頸部損傷是低速碰撞(AV<25km/h)造成的，且大多數的頸部損傷都屬于AIS I輕微傷。眾所周知，如果乘客的頭部沒有劇烈地從軀干上扭動，那么即使汽車受到嚴重沖撞，其頸部也不會受傷。因此，頭部與軀干之間劇烈錯位是造成大多數頭頸部受傷的主要原因。避免上述傷害的最直接方法是采用主動式安全頭枕系統。國內外現有的主動式頭枕有強動式和激活式兩類。強動式頭枕是一種純機械系統，如CN 101003261A、CN 101712^K)A等公開的主動式頭枕裝置，主要應用機械杠桿原理或觸發機構，依靠背部撞向椅背的作用力，觸發頭枕向前向上伸展，從而限制頭部向后的活動范圍，以便在頭頸猛烈晃動之前，托住乘客的頭頸，防止或降低頭頸受傷的機會。該類頭枕的特點在于在動作完成后，頭枕能自動回復到原來位置，以備下次使用；但隨著乘客體型的差異，后背撞擊椅背的力量大小和方向不好確定，而且接觸區難以定位，再者就是促使頭枕移動和上升的機械裝置不夠靈活，機械效率低，極易產生卡殼現象。激活式頭枕采用機電結合的方法，根據感知系統提供的信息，提前判斷并啟動頭枕，從而保護乘員，如CN 201824996U、CN 100569562C 等公開的主動式頭枕裝置，前者在頭枕本體內設置安全氣囊，后者采用電機驅動頭枕伸縮機構實現頭枕的前移和上移。該類頭枕的特點在于頭枕系統具有完整的感知、控制和執行等子系統，具有較強的智能性和主動性；但氣囊式頭枕只能一次性使用，電機驅動式頭枕控制系統復雜，造價昂貴，目前只有少量的高檔車型使用主動式安全頭枕。

發明內容
本發明的目的，是針對以上現有技術中存在的問題，開發基于電磁驅動的主動響應式頭枕，在碰撞瞬間可實現頭枕前部的快速水平移動，從而減少乘客頭頸部的揮鞭仰角， 以達到最佳保護乘客頭頸部的效果，特別針對低速后碰撞，如ΔΥ < 25km/h。該頭枕響應速度快，傳遞效率高，結構簡單，控制方便，造價低廉，便于推廣使用。為實現本發明的目的，本汽車頭枕裝置包括通用的高度調節機構和棘輪調整機構，用于頭枕前半部分向前移動的連桿機構，用于觸發連桿機構運動的電磁驅動器，以及用于感知碰撞行為并及時作出反應的控制系統。
本發明的具體技術方案為，包括機架、兩根等長的連桿I和連桿II、滑塊、滾子、頭枕骨架和電磁驅動器，所述機架為固聯在棘輪調整機構框架軸上的兩豎直桿，所述頭枕骨架為帶有導槽的連桿，兩根等長的連桿I和連桿II在中部用轉動副聯接，兩根等長的連桿 I和連桿II相對中間的轉動副軸線產生相對轉動，連桿I的上端與機架用轉動副聯接，連桿I的下端與滾子用轉動副聯接，滾子與帶有導槽的連桿用高副聯接，滾子在帶有導槽的連桿的導槽中邊滾邊移，帶有導槽的連桿的上端與連桿II的上端用轉動副聯接，連桿II的下端與滑塊用轉動副聯接，滑塊與機架用移動副聯接，滑塊在豎直機架的導槽中上下移動； 滑塊下方設有電磁驅動器，上方設有檔位塊，電磁驅動器和檔位塊固定在機架上。高度調節機構和棘輪調整機構沿用公開號為CN 101508257A的類似結構，只是將棘輪調整機構直接安裝在與垂直高度調節桿固聯的水平支承桿上。棘輪調整機構框架軸的兩側焊接兩根豎直的支撐桿，以這兩根桿為機架，設計尺寸結構完全相同的橢圓儀衍生機構，機構的輸出連桿即為頭枕前半部分的骨架。為了讓頭枕在后碰撞發生之時，乘員頭部有反應之前，頭枕迅速前移，必須在毫秒級時間內驅動橢圓儀衍生機構中的滑塊，為此專門設計了電磁驅動器，該電磁驅動器采用無外殼式電磁鐵設計，當碰撞傳感器接收到后碰撞信號時，電磁鐵通電，產生足夠的電磁吸力推動滑塊向上運動，最終觸發頭枕迅速前移。為了降低頭枕的設計成本，以利于該頭枕的普及使用，其控制系統可以在原有安全氣囊控制系統的基礎上，增加部分軟硬件設計，利用原有的碰撞傳感器信號，判斷碰撞的類型(前碰撞或后碰撞)和強度，根據兩安全傳感器的設定閥值，若碰撞為前碰撞，且閥值較高的安全傳感器有信號輸出，則氣囊處理器發出點火信號，氣囊組件起作用；若碰撞為后碰撞，且閥值較低的安全傳感器有信號輸出，則觸發電磁裝置，帶動頭枕前移。也可以前后碰撞的控制系統分開設計。本發明將電磁驅動與頭枕前移機構結合到一起，并進行有效控制，其中電磁驅動響應速度快，可在后碰撞發生之后，乘員頭部有反應之前，完成驅動響應；頭枕前移機構結構簡單，傳遞效率高；控制系統只是對原有安全氣囊控制系統進行改進與補充。因此，該頭枕總體結構簡單，響應速度快，控制方便，造價低廉，便于所有車型的推廣使用。


圖1為主動頭枕的高度調節機構和棘輪調整機構的示意圖。圖2為實現頭枕前移的橢圓儀衍生機構的機構運動簡圖。圖3為追尾事故前后橢圓儀衍生機構的位置狀態。圖4為電磁驅動器中通電線圈的電壓隨時間的變化曲線。圖5為電磁驅動器中推桿位移隨時間的變化曲線。圖6為電磁驅動器的結構示意圖。圖7為安全氣囊與主動頭枕集成控制的組成結構圖。圖8為安全氣囊與主動頭枕集成控制系統的工作原理框圖。附圖標記說明1豎直調節桿；2支撐桿；3水平支承桿；如豎直桿I ； 4b豎直桿 II ；如連桿I ；6a連桿II ；7a滑塊；8a滾子；9a帶有導槽的連桿(頭枕骨架);10頭枕前部主體；Ila電磁驅動器；1 檔位塊；13a螺線管；1 可動鐵芯；1 擋圈；16a推桿。
具體實施例方式下面參照附圖詳細描述本發明的具體實施方式
。如圖1所示，本發明的高度調節機構包括豎直調節桿1、支撐桿2、水平支承桿3和兩對稱布置的豎直桿I 4a、豎直桿II 4b，它們彼此聯接成一個相對固定的框架式結構。豎直調節桿1和支撐桿2的上端與水平支承桿3固定聯接，豎直調節桿1和支撐桿2的下端安插在座椅靠背的上端部，引領整個框架可以上下移動，從而調節頭枕的高度。豎直調節桿 1上開有四個豁口，與座椅靠背中的彈性檔位塊配合，控制頭枕的上下位置。水平支承桿3 的中部安裝有棘輪調整機構，具體結構與聯接關系見專利CN 101508257A，該棘輪調整機構可以前后向調整頭枕的姿態，以適應乘客的舒適度要求。豎直桿I 4a、豎直桿II 4b的下端與棘輪調整機構的框架軸固定聯接。以上述豎直桿I 4a、豎直桿II 4b為機架，設計尺寸結構完全相同的橢圓儀衍生機構，其機構運動簡圖如圖2所示。該機構含有機架如、兩等長的連桿I 5a、連桿II 6a，滑塊 7a，滾子8a，以及帶有導槽的連桿9a，即頭枕骨架。其中連桿I fe與連桿II 6a在其中部用轉動副聯接，即兩桿可相對中間的轉動副軸線產生相對轉動，連桿I fe的上端與豎直桿 I如用轉動副聯接，連桿I fe的下端與滾子8a用轉動副聯接，滾子8a與帶有導槽的連桿 9a用高副聯接，即滾子8a可以在連桿9a的導槽中邊滾邊移，連桿II 6a的下端與滑塊7a用轉動副聯接，滑塊7a與豎直桿I如用移動副聯接，即滑塊7a可以在豎直桿I如的導槽中上下移動，連桿II 6a的上端與連桿9a的上端用轉動副聯接。圖中封閉曲線代表頭枕前部主體10?；瑝K7a的下方固定有電磁驅動器11a，上方固定有檔位塊12a。當車輛在正常行駛狀態下，頭枕可事先手動復位于圖3中實線位置；當車輛發生追尾事故時，通過碰撞傳感器和安全傳感器的檢測，觸發電磁驅動器瞬間通入較強電壓，將滑塊7a推到最高位置，從而將頭枕推到最前端位置，如圖3虛線位置，檔位塊1 限定了滑塊7a的最高位置，以免機構接近死點位置，影響機構的傳力效果。電磁驅動器中所通電壓隨時間的變化曲線如圖4所示，從碰撞發生到乘員頭頸部有反應，時間約為52毫秒，在此期限內，電壓變化大致分3個階段，當接收到碰撞信號時，10 毫秒左右((Tt1)電磁鐵開始有響應，觸發電壓U1較低，并維持一段時間(、、2)；隨后10毫秒左右(tft3)電壓升至最高值Um，并維持一段時間(tft4)，由此產生的電磁吸力瞬間將銜鐵推到最高位置，隨后在(t:t5)時間段電壓逐漸下降至U2，產生的電磁吸力用以維持頭枕所收的頭部擠壓力，最后控制器將切斷螺線管供電，在(t5、6)時間段電壓逐漸降為0。對應的電磁驅動器推桿的位移變化曲線如圖5所示。在(Tt2時間內，推桿位移為 0 ；在t3、4時間內，推桿位移達到最大；在t:t5時間內，推桿位移保持；在t5、6時間內，推桿回復原位。圖6為電磁驅動器的結構示意圖。該電磁驅動器主要由螺線管13a、可動鐵芯14a、 擋圈1 和推桿16a組成。當汽車未發生后碰撞事故時，可動鐵芯Ha處于最左端基點位置；反之，當汽車發生后碰撞事故時，控制器觸發向螺線管13a通入可變電壓，電磁驅動器瞬間產生較大的電磁吸力，推動可動鐵芯Ha運動到右極限位置并維持適當時間；當碰撞過程結束后，停止向螺線管通電，可動鐵芯14a回復到初始基點位置。圖7為安全氣囊與主動頭枕集成控制的組成結構圖。該控制系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分，其中硬件系統由裝在汽車前、后端的碰撞傳感器，裝在汽車中部的安全傳感器，以及對各傳感器的輸入信號按設定程序進行計算處理并輸出處理結果的中央處理器組成；軟件系統實現汽車碰撞過程中的實時車載數據采集，數據分析與處理，與主機之間的聯機通訊，并對碰撞類型及碰撞強度進行判斷，最終實行安全氣囊的點火控制或頭枕的電磁驅動控制。 圖8為安全氣囊與主動頭枕集成控制系統的工作原理框圖。汽車發動后，先進行自檢，如有故障，則報警并顯示故障碼；如果正常，則進行傳感器信號采集、分析與判斷，無碰撞，返回自檢；有碰撞，判斷碰撞類型，若為前碰撞，且Δ r > 30km/h,則引爆安全氣囊及安全帶，否則，只引爆安全帶；若為后碰撞，且Δκ彡10km/h，則啟動電磁裝置，頭枕前移，否貝U，返回自檢。
權利要求
1.電磁驅動式碰撞主動響應頭枕，其特征在于，包括機架、兩根等長的連桿I(5a)和連桿II (6a)、滑塊(7a)、滾子(8a)、頭枕骨架和電磁驅動器(11a)，所述機架為兩對稱布置的豎直桿I (4a)和豎直桿II (4b)，所述豎直桿I (4a)和豎直桿II (4b)的下端與棘輪調整機構的框架軸固定聯接；所述頭枕骨架為帶有導槽的連桿(9a)，兩根等長的連桿I (5a)和連桿II (6a)在中部用轉動副聯接，兩根等長的連桿I (5a)和連桿II (6a)相對中間的轉動副軸線產生相對轉動，連桿I (5a)的上端與機架用轉動副聯接，連桿I (5a)的下端與滾子 (8a)用轉動副聯接，滾子(8a)與帶有導槽的連桿(9a)用高副聯接，滾子(8a)在帶有導槽的連桿(9a)的導槽中邊滾邊移，帶有導槽的連桿(9a)的上端與連桿II (6a)的上端用轉動副聯接，連桿II (6a)的下端與滑塊(7a)用轉動副聯接，滑塊(7a)與機架用移動副聯接，滑塊(7a)在豎直機架的導槽中上下移動；滑塊(7a)下方設有電磁驅動器(11a)，上方設有檔位塊(1加)，電磁驅動器(Ila)和檔位塊(12a)固定在機架上。
2.根據權利要求1所述的電磁驅動式碰撞主動響應頭枕，其特征在于，所述電磁驅動器包括螺線管(13a)、可動鐵芯(14a)、擋圈(15a)和推桿(16a)；當汽車未發生后碰撞事故時，可動鐵芯Ha處于最下端基點位置；當汽車發生后碰撞事故時，向螺線管(13a)通入可變電壓，電磁驅動器瞬間產生較大的電磁吸力，推動可動鐵芯(14a)運動到右極限位置；當碰撞過程結束后，停止向螺線管通電，可動鐵芯(14a)回復到初始基點位置。
3.根據權利要求2所述的電磁驅動式碰撞主動響應頭枕，其特征在于，還包括控制系統，所述控制系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分，所述硬件系統由裝在汽車前、后端的碰撞傳感器，裝在汽車中部的安全傳感器，以及對各傳感器的輸入信號按設定程序進行計算處理并輸出處理結果的中央處理器組成；軟件系統對汽車碰撞過程中的實時車載數據采集，數據分析與處理，與主機之間的聯機通訊，并對碰撞類型及碰撞強度進行判斷，最終控制頭枕的所述電磁驅動器。
4.根據權利要求3所述的電磁驅動式碰撞主動響應頭枕，其特征在于，所述控制系統在原有安全氣囊控制系統的基礎上，增加部分軟硬件，利用原有的碰撞傳感器信號，判斷前碰撞或后碰撞以及碰撞強度，根據兩安全傳感器的設定閥值，若碰撞為前碰撞，且閥值較高的安全傳感器有信號輸出，則氣囊處理器發出點火信號，氣囊組件起作用；若碰撞為后碰撞，且閥值較低的安全傳感器有信號輸出，則觸發電磁驅動器，帶動頭枕前移。
5.根據權利要求1一4中任意一項所述的電磁驅動式碰撞主動響應頭枕，其特征在于，還包括豎直調節桿(1)、支撐桿(2)、水平支承桿(3)，所述豎直調節桿(1)和支撐桿(2) 的上端與水平支承桿3固定聯接，豎直調節桿(1)和支撐桿(2)的下端安插在座椅靠背的上端部，引領整個框架上下移動調節頭枕的高度；豎直調節桿(1)上開有四個豁口，與座椅靠背中的彈性檔位塊配合，控制頭枕的上下位置；水平支承桿3的中部安裝有棘輪調整機構， 豎直桿I 4a、豎直桿II 4b的下端與棘輪調整機構的框架軸固定聯接，調整頭枕前后向的姿態。
6.對權利要求1一5中任意一項所述的電磁驅動式碰撞主動響應頭枕的控制方法， 其特征在于，汽車發動后，先進行自檢，如有故障，則報警并顯示故障碼；如果正常，則進行傳感器信號采集、分析與判斷，無碰撞，返回自檢；有碰撞，判斷碰撞類型，若為前碰撞，且30km/h，則引爆安全氣囊及安全帶，否則，只引爆安全帶；若為后碰撞，且 Δκ ^ 10km/h，則啟動電磁驅動器，頭枕前移，否則，返回自檢。
全文摘要
本發明公布了一種電磁驅動式碰撞主動響應頭枕。當車輛發生碰撞事故時，安裝在汽車前、后端的碰撞傳感器及裝在汽車中部的安全傳感器實時采集車載數據，中央處理器對各傳感器的輸入信號按設定程序進行計算處理并輸出處理結果。若碰撞為前碰撞且超過預定強度時，安全氣囊和安全帶起作用；若碰撞為后碰撞且達到預定強度，則電磁驅動器起作用，瞬間產生較大的電磁吸力，推動橢圓儀衍生機構中的滑塊上移，實現頭枕前部的快速前移。該主動頭枕響應速度快，傳遞效率高，結構簡單，控制方便，造價低廉，更利于推廣普及。
文檔編號B60N2/48GK102407789SQ20111036710
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者尹小琴, 張盼盼, 趙鑫 申請人:江蘇大學