汽車天窗防夾力軟件檢測方法

李巍，王錦安，呂福香

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

0 引言

隨著生活水平的日益提高，汽車已超越了純粹代步工具的范疇，性能優(yōu)越、科技含量高的中高級轎車越來越為人們所青睞。而電動天窗已廣泛成為此類轎車的標(biāo)配，并有類型多樣、玻璃尺寸和開啟面積不斷擴(kuò)大的發(fā)展趨勢。

電動天窗的基本功能包括兩方面：(1)天窗玻璃在完全關(guān)閉時(shí)須與車頂完全密實(shí)，防止雨水進(jìn)入車內(nèi)；(2)實(shí)現(xiàn)水平打開和起翹運(yùn)動。這些不同的工況都是由電子控制模塊控制天窗電機(jī)帶動機(jī)械組運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)相關(guān)法規(guī)，如美國FMVSS118安全規(guī)范、歐洲74/60/EEC以及中國標(biāo)準(zhǔn)，為了防止天窗在自動關(guān)閉時(shí)發(fā)生夾傷乘客的事故，帶有一鍵關(guān)閉功能的天窗必須具備一定的防夾功能，在4～200 mm的區(qū)域內(nèi)滿足防夾力小于100 N的安全要求。即當(dāng)天窗玻璃運(yùn)行在防夾區(qū)域內(nèi)，霍爾傳感器采集電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號并反饋給控制器，控制器根據(jù)這些信號判斷天窗是否遇到障礙物：如果遇到障礙物且在防夾力未超過100 N之前，發(fā)出停止或重新開啟指令，實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)人員生命財(cái)產(chǎn)安全的有效保護(hù)[1]。

盡管相關(guān)安全法規(guī)已經(jīng)頒布并執(zhí)行了相當(dāng)長的一段時(shí)間，各廠商也嚴(yán)格遵守，但天窗防夾力過大造成的安全事故仍時(shí)有發(fā)生，這是由于天窗防夾力過大這類失效問題的現(xiàn)象不如誤防夾明顯，難以在天窗產(chǎn)線上甄別；同時(shí)，天窗誤防夾回彈導(dǎo)致無法正常關(guān)閉的現(xiàn)象也普遍存在，為此，主機(jī)廠經(jīng)常接到車主的抱怨。

因此，本文作者針對帶有防夾功能的天窗，提出一種準(zhǔn)確可靠、可行性高的天窗防夾力檢測方法，從而解決了上述問題。

1 現(xiàn)狀分析

目前，對于天窗防夾力的出廠檢測一般在天窗制造商工廠完成：在天窗制造商工廠的總裝線末段，會設(shè)置一個(gè)防夾力檢測工位，防夾力測試設(shè)備如圖1所示。裝配完成后，將天窗固定在工裝上模擬實(shí)車狀態(tài)，使用力傳感器檢測天窗防夾區(qū)內(nèi)某一點(diǎn)的防夾力大小，這個(gè)檢測點(diǎn)一般設(shè)置在天窗打開50～80 mm處。且制造商要求所有出廠的天窗在此處測得的防夾力大小滿足(75±10)N的公差要求，不同制造商對于防夾力公差的定義不同，不同項(xiàng)目也可能存在差異。流水線上防夾力檢測的操作流程如圖2所示。

圖1 天窗產(chǎn)線防夾力測試設(shè)備示意

圖2 天窗的防夾力檢測操作流程

防夾力檢測原理為：力傳感器受力后，傳感器探測頭上的應(yīng)變片產(chǎn)生形變，電阻值改變，引起輸出的電壓信號變化；變送器把傳感器發(fā)出的電壓信號轉(zhuǎn)換為PLC可以識別的信號；PLC模塊將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(防夾力值)在顯示屏上顯示。

這類力學(xué)傳感器設(shè)備的量程為0～200 N，精度可達(dá)±3 N，適用的最小開口大小為4 mm。量程和精度足以滿足檢測天窗防夾區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)防夾力的需求，但使用這種物理方法顯然無法檢測整個(gè)天窗防夾區(qū)所有位置的防夾力大小。

由此可見，現(xiàn)行的防夾力檢測方法無法探測到天窗在整個(gè)防夾區(qū)的所有位置是否都能滿足防夾力小于100 N的法規(guī)要求，不合格的天窗有流入售后市場的風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)由于防夾力過大而夾傷乘客的安全事故。

2 汽車天窗軟件邏輯

排除了物理檢測方法，為了使用軟件方法檢測天窗防夾力，首先分析天窗控制軟件的基本邏輯：

(1)以某項(xiàng)目內(nèi)藏式天窗為例，天窗從完全打開位置到關(guān)閉位置的總行程約為400 mm，霍爾傳感器每0.2 mm采集一個(gè)天窗電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，即在整個(gè)過程中可采集2 000多個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，這些信號采集點(diǎn)稱為軟件計(jì)數(shù)值，與天窗物理各個(gè)位置對應(yīng)；

(2)為了避免軟件算法中出現(xiàn)負(fù)數(shù)，定義天窗起翹最高點(diǎn)為零位，天窗完全打開位置為計(jì)數(shù)位最大值，天窗的關(guān)閉位置約為2 200計(jì)數(shù)值處；

(3)天窗電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速較高，但通過蝸輪-蝸桿和齒輪-驅(qū)動鏈條傳動，天窗機(jī)械組的速度下降到90 mm/s左右；

(4)每臺天窗在主機(jī)廠裝配到車身上之后，都需要進(jìn)行自學(xué)習(xí)，將整個(gè)運(yùn)動過程中所有位置的電機(jī)轉(zhuǎn)速記錄到天窗ECU的EEPROM中，這些數(shù)據(jù)稱為學(xué)習(xí)值；

(5)軟件中設(shè)定特殊的算法，根據(jù)學(xué)習(xí)值計(jì)算得到每個(gè)位置的防夾閾值，使得天窗正常運(yùn)行時(shí)，一旦防夾區(qū)內(nèi)的某個(gè)位置的電機(jī)轉(zhuǎn)速低于該位置的閾值，ECU判斷天窗玻璃接觸到障礙物，防夾功能啟動，發(fā)出指令使天窗回彈。

綜上所述，圖3為在13.5 V的工作電壓下，天窗正常運(yùn)動速度及閾值曲線。

圖3 天窗正常運(yùn)動速度及閾值曲線

3 軟件檢測汽車天窗防夾力原理

電機(jī)轉(zhuǎn)速取決于外部負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系[2-3]為：

(1)

式中：TL為天窗機(jī)械組所受阻力在電機(jī)軸上產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Cm為轉(zhuǎn)矩系數(shù);U為電機(jī)兩端電壓;Ce為反電動勢系數(shù);n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;Ra為電樞繞組內(nèi)阻。

由此可知：

(1)天窗自學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)值反映了運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到的環(huán)境作用力大??；

(2)式(2)給出了防夾區(qū)內(nèi)各位置天窗的正常運(yùn)行速度v正常運(yùn)行與閾值v閾值的速度差值Δv，各個(gè)位置的速度差值Δv直接反映了該位置防夾力的大小：

Δv=v正常運(yùn)行-v閾值

(2)

將各個(gè)位置的速度差值繪制成曲線，如圖4所示，速度差值較大的位置表示防夾力較大，反之，速度差值較小的位置防夾力較小，理想的情況是各個(gè)位置的差值大小基本保持不變。

圖4 速度差值曲線

為了比較軟件中的速度差值與實(shí)際防夾力之間的關(guān)系，使用防夾力檢測設(shè)備測出天窗防夾區(qū)部分位置的防夾力大小，每個(gè)位置測量3次。同時(shí)，在圖4中找到與測量天窗防夾力位置相對應(yīng)的軟件計(jì)數(shù)值，并將相應(yīng)的速度差值填入表1。

表1 天窗防夾區(qū)內(nèi)部分位置速度差值及防夾力大小表

如圖5所示，圖中的菱形“◇ ”即為防夾力-速度差值的分布點(diǎn)，通過擬合的手段可以得到防夾力與速度差值的函數(shù)，文中使用的是線性擬合和冪函數(shù)擬合[4]。

圖5 防夾力-速度差值曲線及其擬合曲線

其中，線性擬合曲線的表達(dá)式為

y=0.35x+46

(3)

冪函數(shù)擬合曲線的表達(dá)式為

y=16.7x0.34

(4)

分析圖5及式(3)、(4)，可得：

(1)在原點(diǎn)附近冪函數(shù)擬合的結(jié)果比線性擬合結(jié)果更為可信，因?yàn)楫?dāng)速度差值為0時(shí)，防夾力大小顯然為0；

(2)文中定義的防夾區(qū)內(nèi)各個(gè)位置的防夾力大小為(75±10)N，即公差帶為65～85 N，根據(jù)線性函數(shù)和冪函數(shù)，其對應(yīng)的速度差值范圍分別為54.3～111.4 mm/s和54.4～119.8 mm/s。

由此可見，不論是線性函數(shù)還是冪函數(shù)，都能較準(zhǔn)確地反映出滿足防夾力公差定義的速度差值范圍：即整個(gè)防夾區(qū)中，速度差值小于54 mm/s的位置，其防夾力超差，小于65 N；而速度差值大于120 mm/s的位置，防夾力太大，超過了85 N。

此外，由于防夾力過小易發(fā)生天窗誤防夾回彈，無法正常關(guān)閉的失效模式；而防夾力過大有可能超過100 N的法規(guī)要求。顯然找出防夾區(qū)內(nèi)速度差值的最大、最小值可以有效甄別這兩種失效模式的風(fēng)險(xiǎn)，例如：此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的速度差值最大值為112 mm/s(出現(xiàn)在天窗打開50 mm處)，最小值為12 mm/s(出現(xiàn)在天窗打開2、3 mm處)，使用式(3)計(jì)算，可求得對應(yīng)的防夾力最大值為83.1 N，最小值為38.9 N。分析這兩組數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，整個(gè)防夾區(qū)內(nèi)，各個(gè)位置的天窗防夾力小于85 N，滿足100 N的法規(guī)要求，且在防夾力公差帶范圍內(nèi)；同時(shí)，防夾力最小的位置出現(xiàn)在防夾區(qū)外，故不影響天窗功能。

如圖5所示，在防夾區(qū)內(nèi)的諸多其他位置，防夾力小于65 N時(shí)，如：計(jì)數(shù)值3 920位置(天窗打開380 mm)處，速度差值為22 mm/s，對應(yīng)的防夾力為47.8 N。雖然根據(jù)制造商的工程經(jīng)驗(yàn)可知，47.8 N的防夾力不容易導(dǎo)致誤防夾，但卻也不滿足防夾力公差帶的定義。

因此，對于這臺天窗而言，防夾區(qū)內(nèi)所有位置的防夾力都小于85 N，滿足法規(guī)要求；但某些位置的防夾力小于65 N的防夾力公差定義，最小值為47.8 N，誤防夾風(fēng)險(xiǎn)較小，卻不能完全排除，軟件算法仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。

需要進(jìn)一步說明的是，盡管在原點(diǎn)附近線性函數(shù)的擬合結(jié)果不如冪函數(shù)擬合結(jié)果準(zhǔn)確可靠，但如果只需要通過擬合函數(shù)找到防夾力公差帶所對應(yīng)的速度差值范圍，使用線性擬合的方法已經(jīng)足夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

4 天窗防夾力軟件檢測方法的實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)防夾檢測軟件的邏輯以及防夾原理，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的具體步驟：

(1)在天窗研發(fā)階段，使用力傳感器等物理檢測方法測出天窗防夾區(qū)內(nèi)部分位置的防夾力大小，并通過軟件算法計(jì)算出相應(yīng)位置的防夾力學(xué)習(xí)值和天窗正常運(yùn)行速度之間的速度差值，借助函數(shù)擬合的方法繪制出防夾力-速度差值曲線，再參考項(xiàng)目定義的防夾力公差帶，得到該型號天窗所允許的速度差值范圍；

(2)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，在天窗生產(chǎn)線末段，每臺天窗完成自學(xué)習(xí)后，重新運(yùn)行一次，計(jì)算機(jī)自動記錄下正常運(yùn)行速度，并與學(xué)習(xí)值進(jìn)行比較，得出速度差值，如果天窗防夾區(qū)內(nèi)所有位置的速度差值滿足實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的結(jié)果，則判定天窗的防夾力合格，反之，則判定防夾力超差;

(3)每臺天窗各個(gè)位置的防夾力大小都能夠記錄在生產(chǎn)線電腦中，質(zhì)量工程師可以隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)檢測產(chǎn)品防夾力水平。

5 結(jié)論

文中提出的天窗防夾力軟件檢測方法能通過速度差值(從軟件計(jì)算求得)，有效檢測出天窗防夾區(qū)內(nèi)各個(gè)位置的防夾力大小，并判斷是否滿足防夾力公差的定義。

該檢測方法的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)天窗量產(chǎn)過程中，能檢測天窗整個(gè)防夾區(qū)的防夾力大小，解決了傳統(tǒng)的物理手段只能檢測某一位置防夾力大小的缺陷；

(2)能夠有效甄別出天窗誤防夾或防夾力太大的風(fēng)險(xiǎn)，解決了以往防夾力太大現(xiàn)象不明顯，難以甄別的問題；

(3)節(jié)省流水線上防夾力檢測設(shè)備的成本投入；

(4)操作工人只需在天窗自學(xué)習(xí)后運(yùn)行天窗一次，加快了生產(chǎn)節(jié)拍，提高了產(chǎn)能。

綜上，本文作者提出的利用速度差值檢測天窗防夾力的軟件檢測方法可行性高，易于在實(shí)際生產(chǎn)中使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。