汽車電動天窗的防夾功能失效模式與應(yīng)對措施

趙建才，褚建東，汪志，王靜冬

(建新趙氏集團有限公司，浙江寧波 315615)

0 引言

電動天窗是一個車內(nèi)部件，它的正常使用關(guān)乎車內(nèi)人員的安全。電動天窗的功能失效時常造成車內(nèi)人員特別是小孩的誤夾傷。隨著電動天窗使用的普遍性，電動天窗的防夾研究逐漸成為科研人員的研究熱點。周易[1]研發(fā)一種霍爾信號加上電機電流檢測的防夾系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電動天窗關(guān)閉遇到障礙物時能自動識別并使搖窗電機反轉(zhuǎn)。張志敏等[2]采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計了基于PIC18F2480微控制器及自動代碼生成器的智能電動天窗控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用霍爾傳感器測定天窗玻璃開關(guān)的實時位置，選擇永磁電機負載轉(zhuǎn)矩變化率作為障礙物檢測判斷指標。李岳林等[3]基于MATLAB對轎車電動天窗防夾系統(tǒng)進行了建模與仿真。黃啟海等[4]基于靜態(tài)防夾基本原理，提出了ATS算法的防夾原理，在控制過程中能夠?qū)崟r更新數(shù)據(jù)，補償外界環(huán)境因素對防夾力的影響。史敏杰[5]研究了如何通過模糊控制算法和跟隨防夾策略來實現(xiàn)汽車電動天窗的防夾功能。

電動天窗在正常使用時的防夾功能是指天窗玻璃在自動關(guān)閉過程中遇到人體，當夾緊力達到一定值后天窗會停止關(guān)閉并立即退回一定距離，避免人體受到損傷。本文作者根據(jù)天窗電機控制原理，分析了電動天窗的防夾功能原理和防夾失效模式，提出了失效模式應(yīng)對措施，防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。

1 防夾功能原理

天窗電機是由驅(qū)動電機與控制器組成(如圖1所示)，驅(qū)動電機的電樞上裝有磁環(huán)，控制器相對應(yīng)的位置上裝有兩個霍爾轉(zhuǎn)速感應(yīng)器。

當電機在運行過程中磁環(huán)的磁信號被霍爾轉(zhuǎn)速感應(yīng)器捕捉，由此控制器可以接收到霍爾脈沖信號。當天窗在關(guān)閉過程中夾到物體時，天窗會受到該物體的反饋力使天窗移動速度下降，同時電機的旋轉(zhuǎn)速度也會下降。此時控制器接收到霍爾信號的脈寬會增大，通過前后兩段固定時間內(nèi)的霍爾脈寬的對比分析，可以模擬計算出天窗在該位置的轉(zhuǎn)速突變值ΔK。給這個轉(zhuǎn)速突變值ΔK設(shè)置一個門限值KA，當控制器監(jiān)測到ΔK≥KA時，就會啟動天窗的反轉(zhuǎn)程序，即實現(xiàn)防夾功能。天窗電機控制原理圖如圖2所示。

圖2 天窗電機控制原理

2 防夾失效模式

防夾失效體現(xiàn)為兩個方面：(1)天窗防夾力過小，表現(xiàn)為天窗在自動關(guān)閉過程中過于敏感，稍有振動便會反轉(zhuǎn)后退，甚至天窗自身的運行阻力變化都會導致天窗反轉(zhuǎn)后退，此類未夾到物體就觸發(fā)的反轉(zhuǎn)后退現(xiàn)象稱之為誤防夾。出現(xiàn)誤防夾問題的天窗不能滿足天窗正常關(guān)閉功能，屬于功能失效。(2)防夾力過大或防夾功能不能觸發(fā)，此現(xiàn)象是有可能出現(xiàn)的，因為防夾反轉(zhuǎn)的觸發(fā)是由天窗受到阻力后通過控制器計算得到轉(zhuǎn)速突變值ΔK，再判斷ΔK是否超過設(shè)定值KA決定的。假如天窗受到阻力是緩慢增大的，那么ΔK就一直小于KA，天窗的夾緊力就會慢慢變大，只有當監(jiān)測到ΔK≥KA，天窗才會反轉(zhuǎn)。此時夾緊力有可能已經(jīng)大于100 N，甚至防夾功能沒有被觸發(fā)而發(fā)生卡死現(xiàn)象。出現(xiàn)防夾力過大問題的天窗不能滿足標準，屬于功能違規(guī)。

表1為天窗防夾國際標準對比。

表1 天窗防夾國際標準對比

對于上文中提及的防夾力過大或防夾功能不能觸發(fā)問題，在實際設(shè)計中，此效果是被需要的，例如天窗在外界環(huán)境中長期暴露，軌道進灰或者枝葉掉入其中造成阻力變大，或者在寒冷地區(qū)天窗軌道中有結(jié)冰現(xiàn)象，此時就需要天窗能夠克服緩慢增大的阻力來關(guān)閉天窗。由以上設(shè)計需求可以看出，天窗防夾的設(shè)定無法兼顧所有的狀況，需要統(tǒng)一的標準來平衡此需求。在國際標準中就形成了對防夾測試方式、測試彈簧系數(shù)、防夾范圍、防夾力要求的約定，以此來統(tǒng)一防夾力的設(shè)計及測試標準。天窗防夾國際標準為歐標(74/60/EEC、2000/4/EC)、ECE R21及美標(FMVSS118)，國標GB 11552-2009修改采用的是ECE R21。

3 失效模式應(yīng)對措施

對于防夾力過大或過小的問題，通過對門限值KA(見圖3)進行合理取值可以解決，該取值過程稱之為靜態(tài)防夾力標定。根據(jù)防夾法規(guī)所允許的設(shè)計要求，對天窗防夾力參數(shù)進行調(diào)整測試，使天窗在各種條件下其防夾力均能達到法規(guī)要求而又不出現(xiàn)誤防夾現(xiàn)象的參數(shù)設(shè)定。它需要標定的靜態(tài)環(huán)境包括環(huán)境溫度-35～85 ℃，以及電壓環(huán)境9～16 V。

實際上僅僅標定門限值KA是不夠的，因為天窗還有可能出現(xiàn)失效模式中所提及的振動導致的反轉(zhuǎn)后退問題，對于該問題的解決方案同樣是從霍爾信號的脈寬分析入手。天窗在受到振動與受到障礙物阻擋時所表現(xiàn)出的脈寬變化是不一樣的：實車的振動對于天窗來說是一種低頻的阻力變化，所表現(xiàn)出的脈寬特征為間斷性出現(xiàn)較大脈寬，數(shù)量少，不連續(xù)；而受到障礙物阻擋時阻力變化是連續(xù)的，所表現(xiàn)出的脈寬特征為連續(xù)的遞增性的變大。據(jù)此控制器可識別出天窗處于振動狀態(tài)還是障礙物夾緊狀態(tài)。所以天窗防夾力標定還需要調(diào)整控制器對振動識別的靈敏度，這就需要天窗裝于整車上進行壞路測試標定，以確保天窗能克服一般壞路的顛簸振動。

對于天窗在極限條件下可能出現(xiàn)的防夾功能不能觸發(fā)問題，天窗設(shè)計有堵轉(zhuǎn)保護功能。當天窗遇到障礙物卡死時，控制器收到霍爾信號不再變化，則判斷為堵轉(zhuǎn)。如該事件發(fā)生時間超過一個設(shè)定時間，如120 ms，則控制器會中斷供電，再立即反向供電，使天窗退回到一個設(shè)定的距離，確保被夾物體可以被松開。

圖3 天窗防夾分析系統(tǒng)

4 結(jié)論

根據(jù)天窗電機控制原理，分析了電動天窗的防夾失效模式，提出了失效模式的應(yīng)對措施，以防止產(chǎn)生防夾誤判或防夾失效。

通過實踐證明，采取的失效模式的應(yīng)對措施能夠確保天窗在防夾功能方面安全可靠。隨著天窗防夾技術(shù)的不斷發(fā)展，還有更為精細的控制策略正在被不斷開發(fā)出來，天窗的防夾安全性能也隨之持續(xù)提高。