基于传感控制系统的汽车座椅防潜滑保护系统（ASPS）-王耀园

1、项目编号： 吉林大学“大学生创新创业训练计划”创新训练项目申请书项目名称 基于传感控制系统的 汽车座椅防潜滑保护系统（ASPS) 项目负责人 王耀园 所在学院、年级、专业 机械科学与工程学院 11级 机械工程及自动化专业 联系电话电子邮件 wangyy1411 指导教师姓名1 闫振华 职称 讲师 指导教师姓名2 无 职称 无 填表日期 2013 年 4 月 5 日 吉林大学教务处制表填表须知一、本表适用于创新训练项目。本科生个人或团队，在校内导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写等工作。二、申报书请按顺序逐

2、项填写，实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。三、申请参加大学生创新训练项目团队的人数为35人。四、申请项目，必须聘请教师作为指导老师，并请指导教师在申请书中的指导教师意见栏中签署意见。五、填写时可以改变字体大小等，但要确保表格的样式不变；不得随意涂改；A4纸正反面打印，左侧装订。六、本表由项目负责人报所在学院初审，学院签署初审意见后报送教务处实习与实验教学科（一式3份原件）。七、“项目编号”由教务处填写。八、申报过程有不明事宜，请与教务处实习与实验教学科联系，电话85166413。项目名称基于传感控制系统的汽车座椅防潜滑保护系统（ASPS）项目起止时间2013 年 4 月 至 2014

3、年 4 月负责人姓名学院专业教学号联系电话E-mailQQ各类实验班王耀园机械科学与工程学院机械工程及自动化4111011918204317023Wangyy14111634011038Ö是 否项目组成员宋肖肖机械科学与工程学院机械工程及自动化411014121874401870115347065041534706504Ö是 否郭新颜机械科学与工程学院机械工程及自动化411101051864601647610095922541009592254Ö是 否王会杰机械科学与工程学院机械工程及自动化4111013018204316649243400887624340088

4、76Ö是 否是 否指导教师1姓名闫振华职务/职称教师/讲师所在单位机械科学与工程学院 机械原理/设计教研室联系电-mailyanzhenhua对本课题相关领域研究情况有接近3年的汽车座椅行业工作经历，工作期间进行过大量汽车座椅安全性碰撞仿真指导教师2姓名无职务/职称无所在单位无联系电话无E-mail无对本课题相关领域研究情况无项目性质1.小发明、小创作、小设计（ ）Ö2.开放实验室或实习基地中的创新性实验或新实验开发（ ）3.基础性研究（ ） 4.应用性研究（ ）Ö5.社会调研 （ ）项目选题来源1.自主立题（ ）2.教师科研课题的子项目

5、（ ）项目学科类别机械与自动化控制项目受其他渠道资助情况（填“无”或具体资助来源和经费，包括获奖情况） 前期项目基于可动座盆的被动式汽车座椅的防潜滑保护系统（ASPS）获得吉林大学青年科技创新基金“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛项目中获得一等资助19900元。1、 立项背景和依据（包括研究目的、国内外研究现状分析与评价、研究意义，应附主要参考文献及出处）1.1 研究目的当今社会能源问题、环保问题和人身安全已经成为各行各业普遍关注的焦点。汽车作为社会主要交通工具和工业水准的体现，与之相关的安全、节能和环保问题已成为当今汽车工程领域三大具有重要社会经济意义的研究热点，并且相关发展也得到了有关政

6、府部门的高度重视。随着人们汽车保有量不断增加，汽车道路交通事故也逐年上升，已成为全球范围内的一大公害。2006年1份国际权威报告说，根据75个国家向世界卫生组织提交的死亡统计数据，全球每年大约有120万人死于道路交通事故，每天有3242人死亡，而受到交通事故伤害的人数高达5000万，相当于全球5个最大城市人口的总和。以吉林省为例，2012年7月份共发生汽车前撞571起，死亡124人，受伤662人其中事故车辆极少装有ASPS，这也是造成伤亡如此大的原因之一（信息来源：新华网吉林频道）。由此可以看出，为汽车加上高效可靠的ASPS，增加行车安全，已经刻不容缓。汽车的安全性研究发展到今天已形成两大分支

7、：汽车的主动安全性研究和被动安全性研究。主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力；被动安全性是指汽车在发生意外事故时对车内乘员和车外行人进行有效保护的能力。通俗的讲，主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险”，而被动安全性则要做到汽车发生事故时“车毁人不亡”。汽车座椅的ASPS便属于后者。ASPS（Anti-Submarining Protection System）防潜滑保护系统，是为了防止车内乘员在车辆遭受正面撞击或紧急刹车时，身体或骨盆从安全带下方向前滑出，造成腿部、胸部或是脸部撞到方向盘等汽车内饰或因潜滑造成安全带勒住腹部、颈部造成的腹部、骨盆腔和脊柱的损伤而设置的保护系统。汽车前排乘

8、员（驾驶员或副驾驶）潜滑事故是在汽车急速停止过程中的一种常见事故。当汽车发生急速停止（一般为前撞事故）时，车体停止后，前排乘员在惯性作用下将继续保持向前运动，乘员位置相对座椅发生前移，此时乘员的重力以及乘员运动产生的惯性载荷全部集中在座椅前端，在这个载荷的作用下，导致座椅前端骨架发生向下变形，座椅前端下沉，这就是座椅下潜现象。在此变形情况下，乘员受到座椅向后的支反力会大大减小，随即人体会发生向前滑动，此现象便为潜滑事故。需要注意的是，由于目前市场上汽车座椅的ASPS的设计有很大缺陷，实践表明，即使在汽车前撞时，座椅前端并未发生很大变形，乘员也有可能发生潜滑事故，造成损伤，座椅下潜仅仅是增加了潜

9、滑的可能。在汽车前撞时乘员潜滑会造成乘员的腿部、胸部或是脸部撞到方向盘等汽车内饰，造成软组织损伤或者骨折，也可能使安全带勒住乘员腹部、颈部造成的腹部、骨盆腔和脊柱的损伤。曾经有因为潜滑事故造成腹部安全带勒得太紧导致乘员膀胱破裂的案例。为此，我们曾设计了一种可以普遍安装在低档车型的基于可动座盆的被动式汽车座椅的ASPS，该汽车座椅的ASPS在乘员发生前撞时被动触发，这样不仅使得乘员安全性大大提高，而且成本较低，可移植性强，便于在低档车型中大规模推广。在基于可动座盆的被动式汽车座椅的ASPS的研究基础上，我们进一步开发了一套适用于中高档车型的基于传感控制系统的汽车座椅防潜滑保护系统，该汽车座椅的A

10、SPS在乘员发生前撞时由传感控制系统主动触发，配合安全气囊与安全带使用，使乘员更加安全。相比现有的高档车上的ASPS，该ASPS适用范围更加广阔，成本相对较低，且在保证安全的前提下，该ASPS引入了可以实现对座椅前端倾角的控制机制，乘员可以根据个人需要对座椅进行调整，使得座椅的舒适性大大提高。1.2 国内外研究现状分析与评价目前，带有ASPS的汽车座椅较少，其中国内的汽车座椅仅仅是改动座椅骨架结构，以形成一定角度的斜坡，从而在一定程度上阻止潜滑。其具体结构如图1所示。座椅前端设置一个30°45°斜坡，包装上泡沫蒙皮之后，在座盆处形成一个20°左右的倾角。乘员坐在座

11、椅上，会使座椅后部下陷。在汽车发生汽车前撞时，人体会有潜滑运动的趋势，这个倾角会给人斜向后方的支反力，从而阻止人体的潜滑运动。但是，实践表明这个结构的防潜滑效果有限，而且这种大倾角的下陷式设计大大降低了座椅的舒适性。图1 国内座椅示意图在国外，目前已有的汽车座椅的ASPS按照特征进行分类，主要分为以下三种形式。1.捆绑式汽车座椅ASPS这种ASPS是利用多条安全带将人体捆绑在座椅上，完全限制了人体滑动。这种设计虽然起到了很好的防潜滑作用，但是由于安全带数目较多，乘员使用起来极不方便，而且这种多条安全带的束缚也严重限制了乘员的活动。由于安全带的限制作用，在发生汽车前撞造成交通事故后，增加了伤员的

12、逃生、施救的难度。图2捆绑式汽车座椅ASPS2.气囊式汽车座椅ASPS这种ASPS是在座盆前端设置一安全气囊。发生汽车前撞时，利用在座盆前下部安装的安全气囊爆破充气将座椅前端顶起，从而阻止人体潜滑。由于安全气囊的触发条件的限制，在某些情况（紧急刹车或碰撞角度限制）下，乘员也可能发生潜滑，但这时ASPS不会启动，所以这种ASPS的防潜滑性能并不理想。图3气囊式汽车座椅ASPS3.特种汽车座椅ASPS这种专门为了防止潜滑而单独设置的特殊座椅，是将座椅整体进行改造，以达到防潜滑目的。这种改造十分昂贵，且只适应一种车型，推广起来限制颇多。图4 特种汽车座椅ASPS1.3 研究意义目前，汽车座椅防潜滑保

13、护是国内外各大汽车座椅厂研究热点，市场上已有的座椅防潜滑保护系统具有各式各样的缺点，使ASPS的推广受到限制，急需新型有效、成本低的防潜滑系统。这种基于传感控制系统的汽车座椅防潜滑保护系统从新的汽车座椅碰撞安全性设计理念着手，设计了一套行之有效的防潜滑装置，在汽车碰撞时启动，从而防止人体向前潜滑并且可改善人体受力状态，设计精巧而效果显著，理论上可大大降低人体损伤。在本系统的设计过程中，采用当前座椅碰撞模拟最新软件技术，即基于Catia、Ls_dyna、Madymo与Altair Hyper Works的联合汽车前撞计算机模拟技术进行仿真研究，可定量的分析所设计防潜滑结构对潜滑及人体损伤的影响，

14、大大的提高了试验成功率。该套系统结构简单、智能程度强、易于推广，使汽车的安全性大大提高，可配备于大多数车型的座椅上。这样不仅使得汽车这种交通工具更加安全、可靠、经济、实用，而且可以推广到其他机器的安全防护中。该系统将是汽车座椅一大卖点，涵盖了巨大的经济和社会意义，具有很好的应用推广前景。1.4参考文献1新华网吉林频道2世界知识产权组织网/search/en/search.jsf3黄世霖，张金焕，王晓东.汽车碰撞与安全M.北京:清华大学出版社，2000.4雷正保,钟志华.汽车安全性研究中的几个问题及对策J.机械工程学报,2010, 26,(02

15、):33一36.5 G.R.Liu, S.S Quek. The finite element method: apractical course. ButterworthHeinemann, London, 2003.6T. Jansson, L. Nilsson, M. Redhe. Using surrogatemodels and response surfacesin structuraloptimization-with application to crashworthiness designand sheetmetal forming. Struct Multidisc Opt

16、im 25,129-140. 2003.二、 项目研究内容（项目主要研究内容；拟解决的关键问题、重点和难点）2.1 主要研究内容2.1.1基于机构学理论的新的防下潜机构及结构设计图 5 弹出机构（一级）1) 弹出机构本ASPS包括一种多级弹起机构，下面用一级弹起机构为例，对其进行说明。一级弹出机构的原理图如图5所示。弹出机构分为上下两个套筒，下套筒3中含有弹簧2，插销4可以控制弹出机构启动。在弹出机构没有启动时，插销4插在插孔内，弹出机构处于未弹起状态；在弹出机构启动时，插销4被控制系统拔出，弹出机构弹起。插销有自动复位功能，且插销的插拔即可以使用控制系统进行控制，也可以人工进行插拔，本系统的

17、弹出机构为多级弹出机构，通过拔出插销的个数实现对弹出量的控制。2) ASPS防潜滑机构图 6 ASPS整体示意图如图6所示的装置，在乘员坐到座椅上但没有发生潜滑时，人体会给座盆一定的力，但是弹出机构的支撑作用使座盆与侧板不发生转动，系统处于未启动状态。当乘员由于汽车前撞造成加速度急剧变化时，安装在汽车上的加速度传感器实时监控这个过程，如果此时加速度峰值超过潜滑临界值时，加速度传感器会给弹起控制系统一个信号，控制器接收到这个信号后启动与插销连接电磁铁，电磁铁通电以拔出插销，释放弹出机构。弹出机构弹起后，带动座盆与侧板的转动使得座盆后端斜面的倾角增大，这样座盆会提供一更有效的支反力，进一步防止乘员

18、向前潜滑。在座盆沿着虚线箭头所示的轨迹运动到一定程度时，侧板会与加强管相撞，在阻止座盆继续运动的同时，加强管与侧板碰撞吸能，不仅能够吸收碰撞能量，而且防止座盆变形，保护乘员安全。在平时，乘员可以通过手动拔出多级弹出机构的插销个数，控制弹出机构的弹出量，于此同时，座盆倾角会发生相应变化，乘员可以按照需要调整座椅，使得座椅更加舒适。2.1.2基于传感与控制理论的潜滑危险预测及防下潜控制系统设计图7 工作流程图防下潜系统工作流程如图7所示，当司机紧急刹车或遇到前撞危险时，加速度急剧变化，通过加速度传感器探测加速度信号，当加速度达到一定值时，通过控制器控制电磁铁拔出插销，释放具有预压缩弹簧的弹起机构，

19、弹起座椅前端，坐盆绕轴顺时针转动形成倾角，阻止人体向前潜滑。2.1.3基于Catia、Ls_dyna、Madymo与Altair Hyper Works的联合汽车前撞计算机模拟技术LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。Madymo是一个多刚体与有限元结合的数学模拟软件，主要用于汽车碰撞安全性研究，可以做乘员约束系统分析。Madymo软件中有着全世界最好的机械假人的数学模型和欧洲人体模型项目最新开发的HUMO2的数学模型。M

20、adymo致力于工程应用分析，是一个世界范围内的乘员安全分析标准。目前，Msdymo已被广泛应用于工业工程领域、设计部门、研究所和高校。Altair HyperWorks 是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。 仿真过程：1.提取madymo中假人模型，导入hypermesh；2.建立碰撞模型，划分网格，施加约束载荷，完成前处理；3.把建好的碰撞模型，导入LS-Dyna中进行求解；4.把求解结果导入hyperview，进行后处理。2.2 拟解决的关键问题、重点和难点2.2.1控制器自动触发临界加速度确定问题防下

21、潜执行机构运动需要时间，临界触发过早可能造成误判（并没发生前撞），过晚或导致防下潜系统效果减弱，因此确定一个合理的自动触发临界加速度是个关键问题。2.2.2防下潜系统对座椅强度的影响问题防下潜保护系统的设计安装势必要求对座椅骨架进行结构改进，这种改进是否会造成座椅强度减弱是个关键问题。2.2.3控制器可靠性汽车前撞是个瞬态过程，防下潜保护系统的起保护作用的关键就靠这一瞬间，如何保证前撞瞬间控制器的可靠性是个非常重要的问题。2.2.4基于机构学理论的新的防下潜机构及结构参数确定多级弹出机构弹簧与扭簧刚度系数的确定，防潜滑装置整体大小的设计、调试与安装。2.2.5基于Catia、Ls_dyna、M

22、adymo与Altair Hyper Works的联合汽车前撞计算机模拟技术参数确定等问题联合仿真中假人、座椅以及汽车的模型的建立，假人及座椅的重要参数的确定、汽车加速度载荷的建立，各个软件之间的互相导入以及前后期的数据处理。三、项目特色及创新点3.1基于机构学理论的新的防下潜机构及结构设计该汽车座椅的ASPS的防下潜结构设计简单，成本较低，适合大规模推广。其中，连杆结构配合多级弹出结构的设计不仅起到了很好的防潜滑作用，而且实现了座椅前端倾角的控制，使得座椅的舒适性大大提高。3.2基于传感与控制理论的潜滑危险预测及防下潜控制系统设计利用前撞国家标准，设计了一整套的潜滑危险预测系统，该系统不仅可

23、以用在防下潜的控制上，而且可以用于为其他汽车保护装置的控制提供支持。3.3基于Catia、Ls_dyna、Madymo与Altair Hyper Works的联合汽车前撞计算机模拟技术在本ASPS的设计中将以上几个软件结合起来，建立了一整套的汽车碰撞计算机联合模拟仿真技术，为汽车碰撞的计算机精确模拟仿真提供了一种新的、更加高效准确的方案。四、申请理由（1、团队条件自身/团队具备的知识、素质、能力、特长、兴趣；2、前期准备基础等）课题组成员基本具备结构设计的能力，现在已经学习了工程图学、工程图学设计、理论力学、二维、三维建模软件，正在学习机械原理、材料力学和ADAMS等软件，同时已经学会对所设计

24、的机械结构作相应的力学与运动分析，并能建立三维模型和运动仿真，相信在老师的指导下，会按期完成创新设计任务的。课题组构成合理，大二大三乘员分工明确，课题组成员学习成绩优秀，能较好的完成结构设计及仿真分析。项目组乘员参与了前期项目基于可动座盆的被动式汽车座椅的ASPS的设计，理论功底与专业知识较强，负责人王耀园除了前期项目外，在建模方面具有一定基础，曾获得过吉林大学数学建模竞赛一等奖一次，全国大学生数学建模竞赛吉林省一等奖两次，美国大学生数学建模竞赛一等奖一次，具有较强的创新能力；成员宋肖肖同学除了前期项目的研究外，曾参与设计的安全防护床项目的创新性实验计划，并评为国家级；成员郭新颜同学具有扎实的

25、三维建模能力，参与过墙面自动粉刷机项目的设计，具有较强的创新能力。5、 项目实施方案（研究思路和方法，实施计划、技术路线、人员分工等）5.1研究思路及方法基于机构学理论、强度科学、自动控制科学及碰撞模拟仿真技术等理论与先进的设计手段，进行防下潜机构、结构设计，布置传感器及设计控制器，并进行座椅人系统的考虑控制及大变形、塑性和接触三重复杂非线性的模拟仿真。在样机制作的基础上与企业合作进行实际的座椅假人碰撞试验，验证所设计的基于传感控制防下潜保护系统。5.2实施计划在项目实施过程中，对项目成员进行细致分工，充分发挥各个成员的特长以更好地完成一系列工作；用料方面优先去实习工厂取材，不足的亲自去市场上

26、采购；遇到难题通过查阅资料、上网、请教老师等途径解决；关于实验器材，可以向学校申请，借用一下学校的实验仪器。5.3技术路线5.4人员分工王耀园和宋肖肖负责设计新的防下潜机构及结构和危险预测及防下潜控制系统，并进一步确定其具体参数，其进一步校核由郭新颜和王会杰负责。此外，王会杰负责图纸的绘制和修改，郭新颜负责软件制图和软件仿真，至于产品零件的采购、实体的制作、实体检验，则由大家共同完成。样机制成后。要进一步调试，找到其中的弊端，进一步优化设计。六、项目进度安排（文献查阅、社会调查、方案设计、开题报告、实验研究、数据处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写论文和研究报告、结题答辩和成果推广等时间安排

27、）2013.2.10-2013.2.17 查阅资料、确定项目主题；2013.2.18-2012.2.28 开题报告、深入学习机械设计和机械原理的知识、全面掌握分 析原理、 确定系统原理，制定方案；2012.4.1-2012.4.21 结构设计及控制系统设计；2012.4.22-2013.5.24 计算机模拟；2013.5.25-2013.6.2 分析所需材料、准备必要器材、加工零件购买并进行样件试制；2013.6.3-2013.9.3 调试试验机、实验检测试验机的使用情况；2013.9.4-2014.4.1 完善研究报告、填写结题表、撰写修改研究论文。七、项目研究所需资源（实验室、仪器设备、实

28、验材料、资料等）1.需要实验室进行计算机模拟技术；需要教室进行工程图的绘制和修改。2.需要金工实习工厂提供钢材、弹簧、销钉、螺栓等材料以及车床、铣床等机器来加工材料。3.需要万用表，钢材，导线，传感器，单片机制作设备，机械设计手册、机械设计图册、专用机械设计手册和图册。8、 项目经费预算与用途（购置实验消耗材料、低值品、资料、加工测试、打字复印、调研、市内公交、论文发表、专利申请等经费开支）预算项目 单价（元） 数量 总价（元）座椅基座加工 3500 1 3500传感器 200 2 400单片机 500 2 1000电路板 200 2 400钢管 / / 2000电磁铁 200 4 800座椅海绵等材料 / / 2500弹簧/扭簧等 / / 1000 购买资料 / / 900加工测试 / / 1500市内交通 / / 500 总计 15000元9、 项目完成预期成果（成果形式：研究论