专利名称：电磁驱动式碰撞主动响应头枕及其控制方法
技术领域：
本发明涉及车辆追尾碰撞过程中用于减少乘客头部与汽车头枕之间水平距离的新型电磁驱动的主动响应式头枕，本发明综合应用电磁学和机构学两方面的相关理论，形成了一种机电组合式的电磁驱动主动响应头枕。
背景技术：
全世界每年都会因汽车交通事故而造成巨大的人员伤亡和社会经济损失，汽车安全性问题引起了世界各国的高度重视。在交通事故中，一种常见的受伤为头颈部受伤。在美国，颈部扭伤是汽车保险索赔中出现频率最高的。据统计，1997年66%的身体损害索赔和59%的保护方面的索赔，都报告发现了轻微颈部损伤。且分别有42%和36%的索赔者认为颈部扭伤和拉伤是最严重的受伤，索赔金额高达70亿美元。大约90%的后碰撞颈部损伤是低速碰撞(AV<25km/h)造成的，且大多数的颈部损伤都属于AIS I轻微伤。众所周知，如果乘客的头部没有剧烈地从躯干上扭动，那么即使汽车受到严重冲撞，其颈部也不会受伤。因此，头部与躯干之间剧烈错位是造成大多数头颈部受伤的主要原因。避免上述伤害的最直接方法是采用主动式安全头枕系统。国内外现有的主动式头枕有强动式和激活式两类。强动式头枕是一种纯机械系统，如CN 101003261A、CN 101712^K)A等公开的主动式头枕装置，主要应用机械杠杆原理或触发机构，依靠背部撞向椅背的作用力，触发头枕向前向上伸展，从而限制头部向后的活动范围，以便在头颈猛烈晃动之前，托住乘客的头颈，防止或降低头颈受伤的机会。该类头枕的特点在于在动作完成后，头枕能自动回复到原来位置，以备下次使用；但随着乘客体型的差异，后背撞击椅背的力量大小和方向不好确定，而且接触区难以定位，再者就是促使头枕移动和上升的机械装置不够灵活，机械效率低，极易产生卡壳现象。激活式头枕采用机电结合的方法，根据感知系统提供的信息，提前判断并启动头枕，从而保护乘员，如CN 201824996U、CN 100569562C 等公开的主动式头枕装置，前者在头枕本体内设置安全气囊，后者采用电机驱动头枕伸缩机构实现头枕的前移和上移。该类头枕的特点在于头枕系统具有完整的感知、控制和执行等子系统，具有较强的智能性和主动性；但气囊式头枕只能一次性使用，电机驱动式头枕控制系统复杂，造价昂贵，目前只有少量的高档车型使用主动式安全头枕。
发明内容
本发明的目的，是针对以上现有技术中存在的问题，开发基于电磁驱动的主动响应式头枕，在碰撞瞬间可实现头枕前部的快速水平移动，从而减少乘客头颈部的挥鞭仰角， 以达到最佳保护乘客头颈部的效果，特别针对低速后碰撞，如ΔΥ < 25km/h。该头枕响应速度快，传递效率高，结构简单，控制方便，造价低廉，便于推广使用。为实现本发明的目的，本汽车头枕装置包括通用的高度调节机构和棘轮调整机构，用于头枕前半部分向前移动的连杆机构，用于触发连杆机构运动的电磁驱动器，以及用于感知碰撞行为并及时作出反应的控制系统。
本发明的具体技术方案为，包括机架、两根等长的连杆I和连杆II、滑块、滚子、头枕骨架和电磁驱动器，所述机架为固联在棘轮调整机构框架轴上的两竖直杆，所述头枕骨架为带有导槽的连杆，两根等长的连杆I和连杆II在中部用转动副联接，两根等长的连杆 I和连杆II相对中间的转动副轴线产生相对转动，连杆I的上端与机架用转动副联接，连杆I的下端与滚子用转动副联接，滚子与带有导槽的连杆用高副联接，滚子在带有导槽的连杆的导槽中边滚边移，带有导槽的连杆的上端与连杆II的上端用转动副联接，连杆II的下端与滑块用转动副联接，滑块与机架用移动副联接，滑块在竖直机架的导槽中上下移动； 滑块下方设有电磁驱动器，上方设有档位块，电磁驱动器和档位块固定在机架上。高度调节机构和棘轮调整机构沿用公开号为CN 101508257A的类似结构，只是将棘轮调整机构直接安装在与垂直高度调节杆固联的水平支承杆上。棘轮调整机构框架轴的两侧焊接两根竖直的支撑杆，以这两根杆为机架，设计尺寸结构完全相同的椭圆仪衍生机构，机构的输出连杆即为头枕前半部分的骨架。为了让头枕在后碰撞发生之时，乘员头部有反应之前，头枕迅速前移，必须在毫秒级时间内驱动椭圆仪衍生机构中的滑块，为此专门设计了电磁驱动器，该电磁驱动器采用无外壳式电磁铁设计，当碰撞传感器接收到后碰撞信号时，电磁铁通电，产生足够的电磁吸力推动滑块向上运动，最终触发头枕迅速前移。为了降低头枕的设计成本，以利于该头枕的普及使用，其控制系统可以在原有安全气囊控制系统的基础上，增加部分软硬件设计，利用原有的碰撞传感器信号，判断碰撞的类型(前碰撞或后碰撞)和强度，根据两安全传感器的设定阀值，若碰撞为前碰撞，且阀值较高的安全传感器有信号输出，则气囊处理器发出点火信号，气囊组件起作用；若碰撞为后碰撞，且阀值较低的安全传感器有信号输出，则触发电磁装置，带动头枕前移。也可以前后碰撞的控制系统分开设计。本发明将电磁驱动与头枕前移机构结合到一起，并进行有效控制，其中电磁驱动响应速度快，可在后碰撞发生之后，乘员头部有反应之前，完成驱动响应；头枕前移机构结构简单，传递效率高；控制系统只是对原有安全气囊控制系统进行改进与补充。因此，该头枕总体结构简单，响应速度快，控制方便，造价低廉，便于所有车型的推广使用。
图1为主动头枕的高度调节机构和棘轮调整机构的示意图。图2为实现头枕前移的椭圆仪衍生机构的机构运动简图。图3为追尾事故前后椭圆仪衍生机构的位置状态。图4为电磁驱动器中通电线圈的电压随时间的变化曲线。图5为电磁驱动器中推杆位移随时间的变化曲线。图6为电磁驱动器的结构示意图。图7为安全气囊与主动头枕集成控制的组成结构图。图8为安全气囊与主动头枕集成控制系统的工作原理框图。附图标记说明1竖直调节杆；2支撑杆；3水平支承杆；如竖直杆I ； 4b竖直杆 II ；如连杆I ；6a连杆II ；7a滑块；8a滚子；9a带有导槽的连杆(头枕骨架);10头枕前部主体；Ila电磁驱动器；1 档位块；13a螺线管；1 可动铁芯；1 挡圈；16a推杆。
具体实施例方式下面参照附图详细描述本发明的具体实施方式
。如图1所示，本发明的高度调节机构包括竖直调节杆1、支撑杆2、水平支承杆3和两对称布置的竖直杆I 4a、竖直杆II 4b，它们彼此联接成一个相对固定的框架式结构。竖直调节杆1和支撑杆2的上端与水平支承杆3固定联接，竖直调节杆1和支撑杆2的下端安插在座椅靠背的上端部，引领整个框架可以上下移动，从而调节头枕的高度。竖直调节杆 1上开有四个豁口，与座椅靠背中的弹性档位块配合，控制头枕的上下位置。水平支承杆3 的中部安装有棘轮调整机构，具体结构与联接关系见专利CN 101508257A，该棘轮调整机构可以前后向调整头枕的姿态，以适应乘客的舒适度要求。竖直杆I 4a、竖直杆II 4b的下端与棘轮调整机构的框架轴固定联接。以上述竖直杆I 4a、竖直杆II 4b为机架，设计尺寸结构完全相同的椭圆仪衍生机构，其机构运动简图如图2所示。该机构含有机架如、两等长的连杆I 5a、连杆II 6a，滑块 7a，滚子8a，以及带有导槽的连杆9a，即头枕骨架。其中连杆I fe与连杆II 6a在其中部用转动副联接，即两杆可相对中间的转动副轴线产生相对转动，连杆I fe的上端与竖直杆 I如用转动副联接，连杆I fe的下端与滚子8a用转动副联接，滚子8a与带有导槽的连杆 9a用高副联接，即滚子8a可以在连杆9a的导槽中边滚边移，连杆II 6a的下端与滑块7a用转动副联接，滑块7a与竖直杆I如用移动副联接，即滑块7a可以在竖直杆I如的导槽中上下移动，连杆II 6a的上端与连杆9a的上端用转动副联接。图中封闭曲线代表头枕前部主体10。滑块7a的下方固定有电磁驱动器11a，上方固定有档位块12a。当车辆在正常行驶状态下，头枕可事先手动复位于图3中实线位置；当车辆发生追尾事故时，通过碰撞传感器和安全传感器的检测，触发电磁驱动器瞬间通入较强电压，将滑块7a推到最高位置，从而将头枕推到最前端位置，如图3虚线位置，档位块1 限定了滑块7a的最高位置，以免机构接近死点位置，影响机构的传力效果。电磁驱动器中所通电压随时间的变化曲线如图4所示，从碰撞发生到乘员头颈部有反应，时间约为52毫秒，在此期限内，电压变化大致分3个阶段，当接收到碰撞信号时，10 毫秒左右((Tt1)电磁铁开始有响应，触发电压U1较低，并维持一段时间(、、2)；随后10毫秒左右(tft3)电压升至最高值Um，并维持一段时间(tft4)，由此产生的电磁吸力瞬间将衔铁推到最高位置，随后在(t:t5)时间段电压逐渐下降至U2，产生的电磁吸力用以维持头枕所收的头部挤压力，最后控制器将切断螺线管供电，在(t5、6)时间段电压逐渐降为0。对应的电磁驱动器推杆的位移变化曲线如图5所示。在(Tt2时间内，推杆位移为 0 ；在t3、4时间内，推杆位移达到最大；在t:t5时间内，推杆位移保持；在t5、6时间内，推杆回复原位。图6为电磁驱动器的结构示意图。该电磁驱动器主要由螺线管13a、可动铁芯14a、 挡圈1 和推杆16a组成。当汽车未发生后碰撞事故时，可动铁芯Ha处于最左端基点位置；反之，当汽车发生后碰撞事故时，控制器触发向螺线管13a通入可变电压，电磁驱动器瞬间产生较大的电磁吸力，推动可动铁芯Ha运动到右极限位置并维持适当时间；当碰撞过程结束后，停止向螺线管通电，可动铁芯14a回复到初始基点位置。图7为安全气囊与主动头枕集成控制的组成结构图。该控制系统包括硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件系统由装在汽车前、后端的碰撞传感器，装在汽车中部的安全传感器，以及对各传感器的输入信号按设定程序进行计算处理并输出处理结果的中央处理器组成；软件系统实现汽车碰撞过程中的实时车载数据采集，数据分析与处理，与主机之间的联机通讯，并对碰撞类型及碰撞强度进行判断，最终实行安全气囊的点火控制或头枕的电磁驱动控制。 图8为安全气囊与主动头枕集成控制系统的工作原理框图。汽车发动后，先进行自检，如有故障，则报警并显示故障码；如果正常，则进行传感器信号采集、分析与判断，无碰撞，返回自检；有碰撞，判断碰撞类型，若为前碰撞，且Δ r > 30km/h,则引爆安全气囊及安全带，否则，只引爆安全带；若为后碰撞，且Δκ彡10km/h，则启动电磁装置，头枕前移，否贝U，返回自检。
权利要求
1.电磁驱动式碰撞主动响应头枕，其特征在于，包括机架、两根等长的连杆I(5a)和连杆II (6a)、滑块(7a)、滚子(8a)、头枕骨架和电磁驱动器(11a)，所述机架为两对称布置的竖直杆I (4a)和竖直杆II (4b)，所述竖直杆I (4a)和竖直杆II (4b)的下端与棘轮调整机构的框架轴固定联接；所述头枕骨架为带有导槽的连杆(9a)，两根等长的连杆I (5a)和连杆II (6a)在中部用转动副联接，两根等长的连杆I (5a)和连杆II (6a)相对中间的转动副轴线产生相对转动，连杆I (5a)的上端与机架用转动副联接，连杆I (5a)的下端与滚子 (8a)用转动副联接，滚子(8a)与带有导槽的连杆(9a)用高副联接，滚子(8a)在带有导槽的连杆(9a)的导槽中边滚边移，带有导槽的连杆(9a)的上端与连杆II (6a)的上端用转动副联接，连杆II (6a)的下端与滑块(7a)用转动副联接，滑块(7a)与机架用移动副联接，滑块(7a)在竖直机架的导槽中上下移动；滑块(7a)下方设有电磁驱动器(11a)，上方设有档位块(1加)，电磁驱动器(Ila)和档位块(12a)固定在机架上。
2.根据权利要求1所述的电磁驱动式碰撞主动响应头枕，其特征在于，所述电磁驱动器包括螺线管(13a)、可动铁芯(14a)、挡圈(15a)和推杆(16a)；当汽车未发生后碰撞事故时，可动铁芯Ha处于最下端基点位置；当汽车发生后碰撞事故时，向螺线管(13a)通入可变电压，电磁驱动器瞬间产生较大的电磁吸力，推动可动铁芯(14a)运动到右极限位置；当碰撞过程结束后，停止向螺线管通电，可动铁芯(14a)回复到初始基点位置。
3.根据权利要求2所述的电磁驱动式碰撞主动响应头枕，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括硬件系统和软件系统两大部分，所述硬件系统由装在汽车前、后端的碰撞传感器，装在汽车中部的安全传感器，以及对各传感器的输入信号按设定程序进行计算处理并输出处理结果的中央处理器组成；软件系统对汽车碰撞过程中的实时车载数据采集，数据分析与处理，与主机之间的联机通讯，并对碰撞类型及碰撞强度进行判断，最终控制头枕的所述电磁驱动器。
4.根据权利要求3所述的电磁驱动式碰撞主动响应头枕，其特征在于，所述控制系统在原有安全气囊控制系统的基础上，增加部分软硬件，利用原有的碰撞传感器信号，判断前碰撞或后碰撞以及碰撞强度，根据两安全传感器的设定阀值，若碰撞为前碰撞，且阀值较高的安全传感器有信号输出，则气囊处理器发出点火信号，气囊组件起作用；若碰撞为后碰撞，且阀值较低的安全传感器有信号输出，则触发电磁驱动器，带动头枕前移。
5.根据权利要求1一4中任意一项所述的电磁驱动式碰撞主动响应头枕，其特征在于，还包括竖直调节杆(1)、支撑杆(2)、水平支承杆(3)，所述竖直调节杆(1)和支撑杆(2) 的上端与水平支承杆3固定联接，竖直调节杆(1)和支撑杆(2)的下端安插在座椅靠背的上端部，引领整个框架上下移动调节头枕的高度；竖直调节杆(1)上开有四个豁口，与座椅靠背中的弹性档位块配合，控制头枕的上下位置；水平支承杆3的中部安装有棘轮调整机构， 竖直杆I 4a、竖直杆II 4b的下端与棘轮调整机构的框架轴固定联接，调整头枕前后向的姿态。
6.对权利要求1一5中任意一项所述的电磁驱动式碰撞主动响应头枕的控制方法， 其特征在于，汽车发动后，先进行自检，如有故障，则报警并显示故障码；如果正常，则进行传感器信号采集、分析与判断，无碰撞，返回自检；有碰撞，判断碰撞类型，若为前碰撞，且30km/h，则引爆安全气囊及安全带，否则，只引爆安全带；若为后碰撞，且 Δκ ^ 10km/h，则启动电磁驱动器，头枕前移，否则，返回自检。
全文摘要
本发明公布了一种电磁驱动式碰撞主动响应头枕。当车辆发生碰撞事故时，安装在汽车前、后端的碰撞传感器及装在汽车中部的安全传感器实时采集车载数据，中央处理器对各传感器的输入信号按设定程序进行计算处理并输出处理结果。若碰撞为前碰撞且超过预定强度时，安全气囊和安全带起作用；若碰撞为后碰撞且达到预定强度，则电磁驱动器起作用，瞬间产生较大的电磁吸力，推动椭圆仪衍生机构中的滑块上移，实现头枕前部的快速前移。该主动头枕响应速度快，传递效率高，结构简单，控制方便，造价低廉，更利于推广普及。
文档编号B60N2/48GK102407789SQ20111036710
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者尹小琴, 张盼盼, 赵鑫 申请人:江苏大学