汽車防落水電動車窗裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

俞海紅，張立

（浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

汽車防落水電動車窗裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

俞海紅，張立

（浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

本文針對汽車的電動車窗控制電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在解決該控制電路在一旦汽車落水的情況下普遍突然失靈的尷尬。其優(yōu)化設(shè)計(jì)思路是尋求繞開損壞的電動車窗元器件，另外啟動一條抗震且密封性良好的回路，由電瓶直接驅(qū)動電動車窗升降器電機(jī)，一鍵降落電動車窗玻璃。新的回路由多個(gè)傳感器、ECU、備用充電電源以及緊急按鈕開關(guān)等組成，具有良好的抗震性和密封性。本設(shè)計(jì)在幾家汽車改裝店對多款中低端汽車進(jìn)行了測試安裝，并將汽車的電動車窗從不同高度投入水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，試驗(yàn)效果良好。

汽車；電動車窗；優(yōu)化設(shè)計(jì)；控制電路；緊急按鈕

CLC NO.:U463.8Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-55-04

引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車車窗操作的便利和操作穩(wěn)定性越來越受到重視，傳統(tǒng)的手動車窗將逐步淡出歷史舞臺。汽車上配置電動車窗已非司空見慣的事，有了電動車窗，駕駛員可從容對車窗進(jìn)行控制而無需用手動方式操作，在日常行駛中可大大提升駕駛的便捷性[1]。但是電動車窗也存在一些安全隱患，比如會夾手、電路故障時(shí)會打不開，所以說任何事物都有兩面性，已經(jīng)有許多案例說明電動車窗在汽車落水或被淹后導(dǎo)致車窗無法開啟而引發(fā)的悲劇。2012年7月21日，北京遭遇特大暴雨襲擊，全城交通癱瘓，37人遇難，水淹車輛更是數(shù)以千計(jì)。34歲的某幼兒雜志編輯部主任丁志健，在駕車回家途中被困在廣渠門的滔滔大水中，由于車門車窗都無法打開最終溺水身亡，丟下遺孀和3歲女兒，釀成人間慘劇[2]。2013年8月30日，深圳暴雨，在這場大暴雨中，一名女司機(jī)童許仙開車去接兒子時(shí)經(jīng)過一涵洞，涵洞中積水迅速上升，女司機(jī)受困于車中并溺亡，遇險(xiǎn)途中她撥了4個(gè)求救電話，但終未贏得生機(jī)，她的丈夫黃森田接受不了突然失去妻子的現(xiàn)實(shí)，好端端的一個(gè)三口之家被暴雨拆散[3]。

實(shí)例表明：多數(shù)車輛在浸入水后，由于電器電路故障，會導(dǎo)致電動車窗無法開啟，從而使司乘人員殞命。因此，設(shè)計(jì)一種在汽車落水時(shí)能緊急逃生的電動車窗控制電路，可保證短時(shí)間內(nèi)司乘人員逃出車外，無疑具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。

1、現(xiàn)有電動車窗控制電路

1.1 電動車窗控制電路的組成

電動車窗系統(tǒng)主要由車窗、電動機(jī)、升降器、保險(xiǎn)絲、繼電器、電子模塊、開關(guān)等組成。以左前電動車窗（搖窗機(jī)）為例，其電路圖如圖1所示。該系統(tǒng)通過20安培的斷路器來為駕駛員的車門輸送電能。電能進(jìn)入車門上的車窗開關(guān)控制板，然后分配到每一個(gè)車窗（共四個(gè)）開關(guān)中心的觸點(diǎn)。 兩個(gè)觸點(diǎn)（分別位于電動觸點(diǎn)的兩側(cè)，用于控制電動車窗的上升和下降）分別與車輛接地端及電機(jī)相連。電能還將經(jīng)過鎖定開關(guān)到達(dá)其他車門上的車窗開關(guān)。

駕駛?cè)嘶虺藛T操縱控制開關(guān)接通車窗升降電動機(jī)的電路，電動機(jī)產(chǎn)生動力通過一系列的機(jī)械傳動，使車窗玻璃按要求進(jìn)行升降。電動車窗的作用有：手動升降、自動升降、車窗鎖止、防夾保護(hù)、延時(shí)操作、門鎖聯(lián)動關(guān)閉等。

1.2 電動車窗控制電路的結(jié)構(gòu)原理

車窗電動機(jī)采用永磁式直流電動機(jī)，通過改變電動機(jī)的電流方向可以實(shí)現(xiàn)車窗玻璃的上升和下降。車窗玻璃升降器采用繩輪式（如圖2所示），當(dāng)電動機(jī)電路接通后，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)蝸輪蝸桿減速后，再由緩沖聯(lián)軸器傳遞到轉(zhuǎn)絲筒，帶動轉(zhuǎn)絲筒旋轉(zhuǎn)，使鋼絲繩拉動安裝在玻璃支架上的滑動支架在導(dǎo)軌中上下運(yùn)動，達(dá)到車窗玻璃升降的目的。

1.3 實(shí)物模擬現(xiàn)有電動車窗控制電路

為了便于與優(yōu)化后的電路進(jìn)行對比，且節(jié)省成本，特對現(xiàn)有電動車窗控制電路用實(shí)物進(jìn)行了模擬。該左前車窗系統(tǒng)模型的組成包括：點(diǎn)火開關(guān)、搖窗機(jī)下降繼電器、搖窗機(jī)延時(shí)繼電器、左前搖窗機(jī)開關(guān)、保險(xiǎn)絲、左前搖窗機(jī)馬達(dá)、左前窗玻璃和起落架，蓄電池，如圖3所示。此系統(tǒng)模型與原電動車窗工作原理一致，接通蓄電池（電路的電源）的正負(fù)極后，電路通電，撥動左前搖窗機(jī)開關(guān)，通過兩個(gè)繼電器和保險(xiǎn)絲后，電能傳輸?shù)阶笄皳u窗機(jī)馬達(dá)，驅(qū)使車窗玻璃上升或下降。試驗(yàn)證明，該電動車窗模型可正常工作。

2、電動車窗控制電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路

現(xiàn)有車窗控制電路組成中遇水易損壞的元器件有搖窗機(jī)下降繼電器、搖窗機(jī)延時(shí)繼電器、點(diǎn)火開關(guān)等。一旦汽車落水，將直接導(dǎo)致汽車車窗控制電路的損壞。大量的汽車制造廠商實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：車輛在遭受突然外力(如涉水沖擊)以及水淹等情況下，蓄電池一般不太不容易出現(xiàn)短路等故障、電動車窗以及所驅(qū)動的電機(jī)也不太可能在短時(shí)間內(nèi)受到?jīng)_擊和影響。這就為本作品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種可能性——繞開原有控制電路，在滿足一定條件下啟動另外一條回路，直接快速驅(qū)動電機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)電動門窗的快速下降。

2.2 電動車窗控制電路新增的回路

如圖4所示，在現(xiàn)有控制車窗下降的電機(jī)處引出新增的回路，并串聯(lián)一只熔斷器和一個(gè)可一鍵降落車窗的緊急開關(guān)按鈕。新增的回路主要由多個(gè)傳感器、ECU以及備用電源組成。傳感器主要由碰撞傳感器、濕度傳感器以及壓力傳感器組成，傳感器之間采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余處理的融合方法。多傳感器融合的目的是為了保證向ECU傳遞可靠的信號，以保證ECU能夠根據(jù)傳感器信號做出汽車是否處于落水狀態(tài)的

正確判斷。從而迅速啟動備用電源，并入蓄電池，以加快電動車窗的下降。

電動車窗控制電路新增回路的實(shí)物模擬如圖5所示。

圖6為多傳感器融合處理的示意圖。判斷是否處于汽車落水狀態(tài)的碰撞傳感器的型號為美國恩德福克公司產(chǎn)生的7703A型壓電加速度傳感器；濕度傳感器的產(chǎn)品型號為德國阿爾邦露點(diǎn)溫度傳感器，型號為FHA696M。壓力傳感器采用深圳德駿公司產(chǎn)生的3100壓力傳感器。針對三個(gè)不同類型傳感器采集的數(shù)據(jù)，采用基于NP準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)融合策略。如圖7所示。

在圖中，藍(lán)色表示漏探率紅色表示虛警率，虛線左側(cè)無判決，虛線右側(cè)有判決，第一個(gè)正態(tài)分布有目標(biāo)，第二個(gè)正態(tài)分布無目標(biāo)。試驗(yàn)證明采用該控制策略有效。

3、試驗(yàn)過程及結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電動車窗電路系統(tǒng)模型如圖8所示。右側(cè)為原有電動車窗電路系統(tǒng)模型，左側(cè)為新增電動車窗控制電路模型。試驗(yàn)分以下步驟進(jìn)行：

（1）首先，右側(cè)電路接通電源，打開點(diǎn)火開關(guān)，搖窗機(jī)下降繼電器和搖窗機(jī)延時(shí)繼電器工作完好，撥動左前搖窗機(jī)開關(guān)，左前車窗玻璃可上升或下降，原電動車窗系統(tǒng)工作正常。

（2）然后，右側(cè)電路仍接通電源，模擬汽車在水中浸泡易出現(xiàn)的幾種故障，即電路中點(diǎn)火開關(guān)、搖窗機(jī)下降繼電器、搖窗機(jī)延時(shí)繼電器這三個(gè)元器件，其中有一者或二者，甚至三者有損壞，此時(shí)撥動左前搖窗機(jī)開關(guān)，左前車窗玻璃不動。這說明原電動車窗此時(shí)工作不正常。

（3）最后，將左側(cè)裝置連同蓄電池都浸沒在水中10分鐘，模擬汽車被水浸泡的10分鐘，取出后，按下新增電動車窗控制電路模型中的緊急下降按鈕，左前車窗玻璃下降。這說明新增的一路控制電路在水中浸泡10分鐘后仍能正常工作，可控制車窗玻璃下降，而一般逃生的黃金時(shí)間也就在這段時(shí)間內(nèi)。

當(dāng)然，在試驗(yàn)過程中，我們還存在考慮不周到的地方。如沒有考慮到車窗玻璃在水中車內(nèi)外受力不均衡的因素，今后可作進(jìn)一步改進(jìn)，如可用吸盤將其中一邊玻璃吸住，用彈簧秤模擬水的壓力，再試驗(yàn)車窗玻璃在該種情況下是否能下降。

4、模型的應(yīng)用與推廣

當(dāng)汽車被水淹沒，原有的電動車窗升降電子模塊進(jìn)水短路，電動車窗失靈。本設(shè)計(jì)不改變原有的電動車窗電路，只是繞開原有回路中遇水易損壞的元器件，如搖窗機(jī)下降繼電器、搖窗機(jī)延時(shí)繼電器、點(diǎn)火開關(guān)等，在控制車窗下降的電機(jī)處引出新的回路，串聯(lián)一只熔斷器和一個(gè)可一鍵降落車窗的緊急開關(guān)按鈕。在農(nóng)用運(yùn)輸車輛落水無法開啟電動車窗時(shí)，按下緊急按鈕，使新的控制電路導(dǎo)通，設(shè)計(jì)好回路的電流方向，使電機(jī)帶動玻璃下降，開啟車窗，發(fā)揮拯救生命的作用，從最大程度上降低人身傷害。

目前在市面上有不少車輛被淹時(shí)用來搶救的產(chǎn)品，但很多是破壞車窗的物理工具，像本設(shè)計(jì)這樣從電動車窗控制電路改裝的還屬于獨(dú)家。本設(shè)計(jì)在幾家汽車改裝店對多款中低端汽車進(jìn)行了測試安裝，并將汽車的電動車窗從不同高度投入水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，試驗(yàn)效果良好。由于本產(chǎn)品幾乎不需要改動現(xiàn)有的汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及布線，且成本價(jià)格低廉（目前市場上還很少見到同類型的產(chǎn)品，本作品的成本價(jià)為180元左右，市場售價(jià)可以控制在300元-400元之間），將具有很強(qiáng)的市場競爭力，是現(xiàn)有電動車窗控制電路的有益補(bǔ)充。本設(shè)計(jì)若在不久的將來能夠在汽車上得到安裝，將可以有效地避免大量與之有關(guān)的傷亡事故的發(fā)生，該設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景將非常廣闊。

[1] 高培偉,張肖.重型汽車電動車窗的工作原理及故障排查[J].汽車實(shí)用技術(shù). 2013(7)：102-105.

[2] 于澄.“7·21”北京廣渠門遇難車主遺孀首次面對媒體[N].羊城晚報(bào), 2012.07.27.

[3] 黃紀(jì).深圳暴雨積水嚴(yán)重 女司機(jī)車內(nèi)被淹身亡[N].廣州日報(bào), 2013.08.31.

4、結(jié)論

通過以上分析我們得知：該多連桿懸架托臂在4中典型工況下整體應(yīng)力值都偏高，特別是轉(zhuǎn)彎和過垂直工況時(shí)，制動器支架、制動器支架和托臂本體的焊接區(qū)域應(yīng)力值過高與試驗(yàn)開裂區(qū)域接近，并對其提出改進(jìn)建議，實(shí)踐表明有限元分析方法對提高汽車結(jié)構(gòu)件前期預(yù)研工作具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京∶清華大學(xué)出版社.2010.47-53, 272-273,282-294.

[2] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2013.226-276.

[3] 胡玉梅,鄧兆祥,王欣,等.汽車后懸架的非線性有限元分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2003(Vol.26)∶38-41.

[4] 李成.基于OptiStruct的麥弗遜懸架下控制臂優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2012(Vol.22 No.5).

[5] 黃向東.汽車懸架系統(tǒng)的有限元分析法及其應(yīng)用[J] .中國機(jī)械工程, 1994, 5( 1) ∶ 44- 45.

The Design and Realization of Anti-water Power Window Device in Automobile

Yu Haihong, Zhang Li
（Zhejiang Economic and Trade Vocational and Technical College, Zhejiang Hangzhou 310018）

In this paper, power windows control circuit of the car is optimized in order to solve the problem of the control circuit may be out of work when the car drowned. The optimization design idea is to find a way to circumvent the power window components that are easily damaged, and use a new circuit with good performance of anti-seismic and sealing, in which loop the power window lifter motor is driven directly by battery and the power window could fall down by an emergency button. The new circuit is composed of a plurality of sensors, ECU, backup power supply and emergency button etc, and has good seismic performance and sealing performance. This design was installed and tested on a variety of low-end cars in several car modification shops, and it was showed good experimental effects when the car door with power window was throw from different height into the water.

Automobile; Power windows; Optimization design; Control circuit; Emergency button

U463.8

A

1671-7988(2014)12-55-04

俞海紅，碩士，講師，就職于浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程系，主要從事汽車技術(shù)服務(wù)、營銷推廣方面的研究。