ДАТЧИК СТОЛКНОВЕНИЯ СИСТЕМЫ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДИТЕЛЯ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ Российский патент 1995 года по МПК B60R21/26 

Изобретение относится к электрическим приборам, а именно к конструкциям пьезоэлектрических датчиков, и может быть использовано в системах, где необходимо генерировать кратковременный электрический сигнал большой мощности.

Наиболее эффективно изобретение при применении его в качестве датчика столкновения в системах пассивной безопасности водителя легкового автомобиля с использованием газогенераторов и надувных газовых подушек.

Известен датчик столкновения системы пассивной безопасности водителя легкового автомобиля, содержащий закрепленный на основании корпус, силовоспринимающий узел, образованный наковальней с выступом, размещенной в корпусе, и чувствительным элементом для восприятия ударного воздействия, взаимодействующим с выступом наковальни, установленный в корпусе по крайней мере один пьезоэлемент, контактирующий одним из плоских торцов с противоположным относительно выступа торцом наковальни и расположенный со стороны второго торца пьезоэлемента опорный элемент.

Недостатком известного датчика является то, что он при столкновении автомобиля с препятствием вырабатывает электрический сигнал очень маленькой мощности, в десятки и в сотни раз меньшей, чем это нужно для подрыва пиропатрона газогенератора системы безопасности, имеющего очень малое электрическое сопротивление (0,2 Ом). Причиной является то, что пьезоэлектрический элемент такого датчика в момент столкновения автомобиля с препятствием подвергается достаточно слабому механическому нагружению со стороны силовоспринимающего элемента (инертной массы), равному ma, где m масса силовоспринимающего элемента, а ускорение автомобиля в момент столкновения его с препятствием. Обе величины весьма малы, поэтому мала мощность электрического сигнала, генерируемого пьезоэлектрическим элементом. Для значительного увеличения мощности электрического сигнала, генерируемого пьезоэлектрическим элементом, необходимо выполнить датчик таким образом, чтобы в момент столкновения автомобиля с препятствием при заданной скорости его движения пьезоэлектрический элемент подвергался мощному ударному воздействию со стороны силовоспринимающего элемента.

Задачей изобретения является разработка пьезоэлектрического датчика столкновения, имеющего более мощный электрический сигнал, позволяющий осуществить непосредственно подрыв пиропатрона газогенератора и исключить таким образом из системы пассивной безопасности аварийный автономный блок питания и электронный блок управления.

Это достигается тем, что в датчике столкновения системы пассивной безопасности, содержащем закрепленный в основании корпус, силовоспринимающий узел образован размещенной в корпусе наковальней с выступом и чувствительным элементом для восприятия ударного воздействия, взаимодействующим с выступом наковальни, установленные в корпусе по крайней мере один пьезоэлемент, контактирующий одним из плоских торцов с противоположным относительно выступа торцом наковальни и расположенный со стороны второго торца пьезоэлемента опорный элемент, последний образован по крайней мере одной металлической диафрагмой, установленной в корпусе параллельно торцам пьезоэлемента с возможностью его поджатия в исходном состоянии к торцу наковальни и с зазором относительно основания и выполненной с возможностью срезания при ударном воздействии на чувствительный элемент силовоспринимающего узла, представляющий собой закрепленный на корпусе рычаг.

На фиг. 1 изображена конструкция датчика; на фиг.2 структурная схема системы пассивной безопасности с датчиком столкновения; на фиг.3а,б эквивалентная электрическая схема пьезоэлемента для случаев, когда он работает не в режиме свободных резонансных колебаний и в режиме свободных резонансных колебаний соответственно; на фиг.4а,б эпюры электрических сигналов при сопротивлении нагрузки U_н в режиме с отсутствием свободных резонансных механических колебаний пьезоэлемента и в режиме с этими колебаниями соответственно (t время); на фиг.5 крепление диафрагмы в корпусе.

Датчик содержит корпус 1, размещенные в нем один или несколько связанных между собой акустически и соединенных между собой электрически параллельно пьезоэлектрических элементов 2, силовоспринимающий элемент и опорный элемент, выполненный в виде одной или нескольких диафрагм 3, установленных в корпусе с возможностью последовательного срезания под действием ударного воздействия на силовоспринимающий элемент. В качестве пьезоэлектрических элементов используются элементы из пьезокерамики ЦТС-19, ЦТС-21, УТС-23, ПКР-8 или любой другой, устойчивой к механическим воздействиям и обладающей высокими механической добротностью и пьезоэлектрической чувствительностью. Они могут иметь форму дисков, пластин или колец, размещаемых один над другим в корпусе, который исключает воздействие на них пылевого соляного тумана, воды и пр. Силовоспринимающий элемент выполнен из стали в виде наковальни 4, имеющей со стороны, контактирующей с пьезоэлектрическим элементом, плоскую поверхность, а с противоположной стороны цилиндрический выступ малого диаметра (1 см) со скругленным концом, контактирующим с рычагом 5, установленным на корпусе датчика и непосредственно воспринимающим ударное воздействие при столкновении автомобиля с препятствием и передающим его через наковальню пьезоэлектрическому элементу, соединенному со штекерным разъемом 6.

Каждая из диафрагм датчика выполнена из металла, например латуни или стали, таким образом, что при превышении действующего на нее усилия, не превышающего 0,7-0,8 механической прочности на сжатие пьезоэлектрического элемента (для керамики ЦТС-19 эта прочность составляет 350 МПа (11), происходит ее срезание по периметру торцовой поверхности нижнего пьезоэлектрического элемента и последний теряет акустический контакт с опорной поверхностью и наковальней и разгружается от действия сжимающего усилия со стороны наковальни, вследствие чего в нем возникают собственные механические резонансные колебания, приводящие к генерации пьезоэлектрическим элементом синусоидального электрического сигнала. Последний имеет достаточно большую длительность (десятки периодов резонансной частоты, что обусловлено высокой механической добротностью пьезоэлектрических элементов. Соответственно в десятки раз возрастает мощность электрического сигнала, поступающего на пиропатрон газогенератора. При этом происходит практически полное преобразование запасенной в пьезоэлектрическом элементе механической энергии в энергию электрического сигнала. При необходимости увеличить мощность электрического сигнала еще в датчике могут быть дополнительно установлены одна или более диафрагм. В этом случае при столкновении автомобиля с препятствием на заданной скорости диафрагмы последовательно одна за другой срезаются. При каждом срезании пьезоэлектрическим элементом генерируется сигнал в виде пачки синусоидальных электрических колебаний, что и приводит к увеличению суммарной мощности электрического сигнала, поступающего на пиропатрон. Очевидно, что минимальное расстояние между диафрагмами не следует выбирать меньшим расстояния, проходимого автомобилем на максимально заданной скорости (54 км/ч) за время спада амплитуды пачки синусоидальных резонансных колебаний, генерируемых пьезоэлектрическим элементом после срезания первой диафрагмы до незначимой величины (0,3 от начальной амплитуды). Для пьезокерамики ЦТС-19 при резонансной частоте 30 кГц эта величина составляет 9 мм. Максимальное расстояние между диафрагмами выбирается из условия непревышения допустимого времени подрыва пиропатрона после столкновения автомобиля с препятствием на минимальной скорости (0,5-5 мс).

На фиг.3 (а,б) приняты следующие обозначения:
C⁵ электрическая емкость пьезоэлемента,
L_m, C_m эквивалентные механические индуктивность и емкость пьезоэлектрического пьезоэлемента,
R_n полное эквивалентное механически активное сопротивление пьезоэлектрического элемента (составляется из сопротивления механических потерь R_v и сопротивления излучения R_и);
U_г напряжение эквивалентного электрического генератора;
R_н электрическое сопротивление нагрузки (в данном случае сопротивление нити накала пиропатрона).

При работе пьезоэлектрического элемента не в режиме свободных резонансных механических колебаний индуктивное сопротивление индуктивности L_m и емкостное сопротивление емкости С_m не компенсируют друг друга. Их результирующее реактивное сопротивление имеет большую величину. Кроме того, из-за наличия акустического контакта пьезоэлектрического элемента с опорной поверхностью датчика и с наковальней большую величину имеет сопротивление R_n за счет большого значения сопротивления излучения R_и. Вследствие отмеченного, очень большая часть напряжения эквивалентного генератора падает на указанных сопротивлениях и лишь незначительная на малом сопротивлении нагрузки R_н.

При работе пьезоэлектрического элемента в режиме свободных резонансных механических колебаний индуктивное сопротивление L_m емкости C_m (фиг.3а) взаимно компенсируют друг другу и эквивалентная схема для этого случая приобретает вид, приведенный на фиг.3б. В дополнение к сказанному сопротивление R_n становится чрезвычайно малым из-за отсутствия акустического контакта с опорной поверхностью датчика и с наковальней. Таким образом, в этом режиме запасенная в пьезоэлектрическом элементе механическая энергия и практически полностью превращаемая в электрическую энергию, обеспечивает значительно большую мощность электрического сигнала на сопротивлении нагрузки R_н.

При необходимости еще большего увеличения мощности электрического сигнала на сопротивлении нагрузки достаточно компенсировать емкостное сопротивление собственной емкости пьезоэлектрического элемента C^s(фиг.3б) индуктивным сопротивлением дополнительной индуктивности L_д, установленной между сигнальным электродом пьезоэлектрического элемента и сопротивлением нагрузки R_н, как это показано штриховыми линиями на фиг.4б. При этом индуктивность L_д выбирается из условия
L_д где f частота свободных резонансных механических колебаний пьезоэлемента.

На фиг. 2 показаны контактный блок 7, надувная газовая подушка 8 с пиропатроном 9 и газогенератором 10, блок 11 диагностики исправности системы пассивной безопасности водителя легкового автомобиля.

Число датчиков выбирается, как правило, не менее двух, и они устанавливаются под капотом автомобиля на раме справа и слева, что нужно для обеспечения их работы, как при фронтальном соударении автомобиля с препятствием, так при соударении под углом 30^о. Через штекерные разъемы 6 и контактный блок 7 датчики столкновения подключены к пиропатрону 9 газогенератора 10 надувной газовой подушки 8.

Датчик работает следующим образом.

При столкновении автомобиля с препятствием на скорости, равной заданной минимальной или превышающей ее, происходит деформация капота автомобиля на глубину, при которой происходит ударное воздействие на пьезоэлектрический элемент 2 через силовоспринимающий элемент, приводящее к последовательному срезанию диафрагм 3 (при малой скорости столкновения, равной заданной минимальной, может срезаться только одна диафрагма). При срезании каждой диафрагмы 3 пьезоэлементы 2 разгружаются от усилия сжатия со стороны силовоспринимающего элемента и диафрагмы 3 и некоторое время находятся в состоянии свободных резонансных механических колебаний, генерируя электрический сигнал, поступающий через штеккерные разъемы 6 на подрыв пиропатрона 9 газогенератора 10 надувной газовой подушки 8.

Датчик предложенной конструкции вследствие реализации в нем режима свободных резонансных механических колебаний генерирует кратковременный электрический сигнал большой энергии, достаточной для подрыва пиропатрона даже с малым электрическим сопротивлением. При этом не требуется аварийного автономного источника питания и электронного блока управления.

Датчик может использоваться в качестве генераторов кратковременных (0,5-5 мсек) синусоидальных импульсов большой мощности, работающих от ударных нагрузок сжатия на электрические нагрузки от долей Ома до нескольких МОм. В последнем случае на нагрузке может развиваться напряжение до 20 кВ и более.

Датчик был изготовлен и испытан для подрыва пиропатрона с электрическим сопротивлением 0,2 Ома, 2 Ома (2 пиропатрона по 4 Ома, соединенных электрически параллельно) 4 Ома с положительным результатом. В датчике были использованы 4 пьезоэлектрических элемента, склеенных между собой торцовыми поверхностями и соединенных электрически параллельно.

Диаметр каждого пьезоэлектрического элемента взят 30 мм, высота 8 мм. Диафрагмы имели вид, показанный на фиг.5, и устанавливались в корпусе с помощью цилиндрических стальных втулок 12 (фиг.5).

Изготовление датчика не представляет затруднений. Датчик изготовлен из материалов, известных в технике.

Использование: изобретение относится к транспортной технике. Сущность изобретения: датчик содержит силовоспринимающий узел, наковальня с выступом которого размещена в корпусе, по крайней мере один пьезоэлемент, расположенный между торцом наковальни и опорным элементом, образованным по крайней мере одной металлической диафрагмой, выполненной с возможностью срезания при ударном воздействии на закрепленный на корпусе рычаг, являющийся чувствительным элементом силовоспринимающего узла. Датчик обеспечивает вследствие реализации в нем режима свободных резонансных механических колебаний кратковременный электрический сигнал большой энергии, достаточной для подрыва пиропатрона газогенератора надувной газовой подушки. 5 ил.

ДАТЧИК СТОЛКНОВЕНИЯ СИСТЕМЫ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДИТЕЛЯ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ, содержащий закрепляемый на основании корпус, силовопринимающий узел, образованный размещенной в корпусе наковальней с выступом и чувствительным элементом для восприятия ударного воздействия, взаимодействующим с выступом наковальни, установленные в корпусе, по крайней мере один пьезоэлемент, контактирующий одним из плоских торцов с противоположным относительно выступа торцом наковальни и расположенный со стороны второго торца пьезоэлемента опорный элемент, отличающийся тем, что опорный элемент образован по крайней мере одной металлической диафрагмой, установленной в корпусе параллельно торцам пьезоэлемента с возможностью его поджатия в исходном состоянии к торцу наковальни и с зазором относительно основания и выполненной с возможностью срезания при ударном воздействии на чувствительный элемент силовоспринимающего узла, представляющий собой закрепленный на корпусе рычаг.