汽車防夾天窗的設(shè)計(jì)

王秭祎

摘 要：電動(dòng)天窗是現(xiàn)代汽車不可缺少的零部件之一，早期自動(dòng)升降的電動(dòng)天窗不具備防夾功能，天窗關(guān)閉過程中的舉升力很大，易夾傷乘客，防夾功能是汽車人性化的重要組成部分，但是由于國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)起步稍晚，與國(guó)外有著很大的差距，技術(shù)上的很多空白有待填補(bǔ)。天窗控制器接收傳感器反饋的信號(hào)，通過確定車窗的位置與它的受力情況實(shí)現(xiàn)夾持判斷，但是易受干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作，傳統(tǒng)的防夾算法，對(duì)于車窗在使用中受到雨雪天氣、密封條老化、機(jī)械磨損、供電波動(dòng)等因素造成的影響無法適應(yīng)，導(dǎo)致車窗的防夾甚至基本功能失效，因此現(xiàn)有的防夾技術(shù)還需更多改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：汽車天窗;防夾;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)天窗大致分為兩種：第一種電動(dòng)天窗只有手動(dòng)功能，沒有防夾和一鍵集控閉合功能;第二種天窗具備手動(dòng)和防夾功能，無一鍵集控閉合功能。汽車電動(dòng)窗防夾技術(shù)主要包含壓力檢測(cè)、間接檢測(cè)和直接檢測(cè)3種方法，其中含有控制單元、信號(hào)采集單元、電源單元，控制單元與信號(hào)采集單元連接，信號(hào)采集單元將采集到的信號(hào)傳輸給控制單元，根據(jù)信號(hào)的不同控制單元控制電動(dòng)窗電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以便控制電動(dòng)窗的開閉。

自動(dòng)檢測(cè)是指通過攝像機(jī)或傳感器自動(dòng)檢測(cè)關(guān)閉防火窗的方式是否存在問題，從而可以將不同的信號(hào)發(fā)送到檢測(cè)控制區(qū)域，以達(dá)到防止夾傷的目的。直接檢測(cè)具有照相和電子技術(shù)。傳感器技術(shù)使用紅外光在擋風(fēng)玻璃上產(chǎn)生紅外光幕，如果有東西擋住了紅外光幕，則從紅外接收器接收到的紅外光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，從而確定是否存在問題。特殊技術(shù)使用電容器線來更改斷電的功率，以確定是否已檢測(cè)到故障。傳感器直接安裝在汽車的擋風(fēng)玻璃上，以檢測(cè)車窗玻璃和擋風(fēng)玻璃之間的壓力狀況，并控制汽車的行駛。使用防防捏技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)包括高安全性和在發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)快速響應(yīng)。但是，電子傳感器或天氣傳感器會(huì)影響天氣狀況，如雨水，降水，灰塵等，導(dǎo)致判斷力差和故障。另外，紅外光幕需要多對(duì)紅外傳輸，這很難安裝且價(jià)格昂貴。

—、天窗防夾控制系統(tǒng)功能

汽車天窗防夾控制系統(tǒng)是汽車車身控制的重要組成部分，也是駕駛和保護(hù)汽車的重要輔助部分。系統(tǒng)基本功能如下：

1. 手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行

天窗收到按鍵信號(hào)后可以向按鍵方向點(diǎn)動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行至軟停止點(diǎn)。

2. 天窗初始化

考慮到天窗防夾控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行與實(shí)車的天窗及密封條的狀況有著密切的聯(lián)系，所以要求在整車裝配線上進(jìn)行初始化過程。除了在整車裝配時(shí)需要初始化，當(dāng)更換電機(jī)總成或天窗總成時(shí)也需要對(duì)控制器進(jìn)行初始化操作。

3. 防夾功能

防夾功能指自動(dòng)天窗在關(guān)閉過程中，有物體被夾住，達(dá)到一定強(qiáng)度，使天窗反轉(zhuǎn)回退。防夾是一種防護(hù)措施功能，它能避免錯(cuò)誤操作造成的傷害。防夾力不宜太強(qiáng)或太輕以保證防夾功能正常工作。防夾系統(tǒng)根據(jù) EEC/74/60 和 FMVSS118 標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試彈簧率 5N/mm-20N/mm，最大防夾力≤100N，夾住物體時(shí)反轉(zhuǎn)回退，以防止乘客（尤其是兒童）被夾傷。

4.? 掉電記憶

天窗運(yùn)行或停止時(shí)突然掉電，運(yùn)行的天窗立即停止運(yùn)行，控制器記錄當(dāng)前的正確位置，再次上電時(shí)，天窗可以從當(dāng)前位置開始運(yùn)行。

5. 堵轉(zhuǎn)保護(hù)

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，ECU 持續(xù)一定時(shí)間內(nèi)沒有接收到霍爾脈沖信號(hào)，電機(jī)立即停止運(yùn)行，并控制天窗回退。

二、控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)方案采用 ECU 單元與電機(jī)單元一體化結(jié)構(gòu)，如圖所示。ECU 單元包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和用于采集天窗打開時(shí)電機(jī)單元電流的電流采集單元;電機(jī)單元包括圖中的天窗電機(jī)、電機(jī)磁環(huán)和霍爾元件，電機(jī)的正負(fù)接線端子分別通過繼電器與 ECU 單元的控制端連接;電機(jī)磁環(huán)固定在電機(jī)軸承上，且位于天窗電機(jī)與齒輪之間;霍爾元件與電機(jī)磁環(huán)相對(duì)設(shè)置，用于檢測(cè)電機(jī)磁環(huán)上的電流電壓;齒輪與天窗軟軸嚙合，齒輪帶動(dòng)軟軸轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)天窗控制電機(jī)的結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計(jì) PCB 板時(shí)，PCB 板上的霍爾元件必須要與電機(jī)電樞上的磁環(huán)對(duì)準(zhǔn)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)在霍爾元件上感應(yīng)出高低變化的方波數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)具有正傳和反轉(zhuǎn)的方向性，對(duì)應(yīng)天窗的起翹打開、起翹關(guān)閉、水平打開和水平關(guān)閉動(dòng)作;數(shù)字信號(hào)的波形頻率對(duì)應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行速度，ECU 單元通過采集霍爾信號(hào)可以實(shí)時(shí)得到天窗運(yùn)行的方向和速度。

2. 天窗防夾控制器

系統(tǒng)供電電壓為 12V，為直流電機(jī)和繼電器提供工作電壓，穩(wěn)壓電路把 12V 轉(zhuǎn)成 5V 給MCU 供電。電路設(shè)計(jì)過程中，要考慮干擾因素，特別是在開啟、停止的瞬間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的干擾脈沖信號(hào)，抗干擾措施可以避免干擾脈沖影響控制器模塊的正常工作。

3. 控制器的技術(shù)要求

控制器是天窗防夾控制系統(tǒng)的核心單元，在滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，確定論文控制器的技術(shù)要求如下：

（1）控制器可以采集各路輸入信號(hào)，根據(jù)控制程序，能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)做出正確的處理，并能夠正確及時(shí)地輸出控制信號(hào)。

（2）易調(diào)試、可擴(kuò)展，控制器的 Flash 大于 48K，EEPROM 大于 1KB，便于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)。

（3）天窗控制器電壓工作范圍：9V～16V;溫度范圍：存儲(chǔ)溫度-40℃～90℃，工作溫度-40℃～85℃。由于汽車工作環(huán)境的特殊和復(fù)雜，控制器需要在各種特殊條件（震動(dòng)、噪音、濕度、沖擊等不良環(huán)境）下運(yùn)行。

（4）天窗控制器要具有較好的電磁兼容性，滿足乘用車電子電器零部件電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)要求。

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