汽車防夾天窗的設計

王秭祎

摘 要：電動天窗是現(xiàn)代汽車不可缺少的零部件之一，早期自動升降的電動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，但是由于國內(nèi)相關(guān)技術(shù)起步稍晚，與國外有著很大的差距，技術(shù)上的很多空白有待填補。天窗控制器接收傳感器反饋的信號，通過確定車窗的位置與它的受力情況實現(xiàn)夾持判斷，但是易受干擾而產(chǎn)生誤動作，傳統(tǒng)的防夾算法，對于車窗在使用中受到雨雪天氣、密封條老化、機械磨損、供電波動等因素造成的影響無法適應，導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。

關(guān)鍵詞：汽車天窗;防夾;系統(tǒng)設計

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

自動檢測是指通過攝像機或傳感器自動檢測關(guān)閉防火窗的方式是否存在問題，從而可以將不同的信號發(fā)送到檢測控制區(qū)域，以達到防止夾傷的目的。直接檢測具有照相和電子技術(shù)。傳感器技術(shù)使用紅外光在擋風玻璃上產(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度會發(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，以確定是否已檢測到故障。傳感器直接安裝在汽車的擋風玻璃上，以檢測車窗玻璃和擋風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)自動檢測技術(shù)，其優(yōu)點包括高安全性和在發(fā)現(xiàn)障礙物時快速響應。但是，電子傳感器或天氣傳感器會影響天氣狀況，如雨水，降水，灰塵等，導致判斷力差和故障。另外，紅外光幕需要多對紅外傳輸，這很難安裝且價格昂貴。

—、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，也是駕駛和保護汽車的重要輔助部分。系統(tǒng)基本功能如下：

1. 手動/自動運行

天窗收到按鍵信號后可以向按鍵方向點動或自動運行至軟停止點。

2. 天窗初始化

考慮到天窗防夾控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行與實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行初始化過程。除了在整車裝配時需要初始化，當更換電機總成或天窗總成時也需要對控制器進行初始化操作。

3. 防夾功能

防夾功能指自動天窗在關(guān)閉過程中，有物體被夾住，達到一定強度，使天窗反轉(zhuǎn)回退。防夾是一種防護措施功能，它能避免錯誤操作造成的傷害。防夾力不宜太強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 標準要求，測試彈簧率 5N/mm-20N/mm，最大防夾力≤100N，夾住物體時反轉(zhuǎn)回退，以防止乘客（尤其是兒童）被夾傷。

4.? 掉電記憶

天窗運行或停止時突然掉電，運行的天窗立即停止運行，控制器記錄當前的正確位置，再次上電時，天窗可以從當前位置開始運行。

5. 堵轉(zhuǎn)保護

當電機啟動后，ECU 持續(xù)一定時間內(nèi)沒有接收到霍爾脈沖信號，電機立即停止運行，并控制天窗回退。

二、控制系統(tǒng)總體設計

1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設計方案采用 ECU 單元與電機單元一體化結(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電機單元電流的電流采集單元;電機單元包括圖中的天窗電機、電機磁環(huán)和霍爾元件，電機的正負接線端子分別通過繼電器與 ECU 單元的控制端連接;電機磁環(huán)固定在電機軸承上，且位于天窗電機與齒輪之間;霍爾元件與電機磁環(huán)相對設置，用于檢測電機磁環(huán)上的電流電壓;齒輪與天窗軟軸嚙合，齒輪帶動軟軸轉(zhuǎn)動。根據(jù)天窗控制電機的結(jié)構(gòu)需求，設計 PCB 板時，PCB 板上的霍爾元件必須要與電機電樞上的磁環(huán)對準，電機轉(zhuǎn)動時磁環(huán)的轉(zhuǎn)動會在霍爾元件上感應出高低變化的方波數(shù)字信號，數(shù)字信號具有正傳和反轉(zhuǎn)的方向性，對應天窗的起翹打開、起翹關(guān)閉、水平打開和水平關(guān)閉動作;數(shù)字信號的波形頻率對應電機的運行速度，ECU 單元通過采集霍爾信號可以實時得到天窗運行的方向和速度。

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。電路設計過程中，要考慮干擾因素，特別是在開啟、停止的瞬間會產(chǎn)生強大的干擾脈沖信號，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)標準的前提下，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，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，并能夠正確及時地輸出控制信號。

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

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

（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準要求。

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