電動(dòng)車窗防夾力檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

牛夢(mèng)杰 趙陽(yáng) 武子涵

摘要：電動(dòng)車窗的防夾功能關(guān)乎車內(nèi)乘車人員的人身安全，為了提高電動(dòng)車窗防夾力測(cè)試精度和可靠性，在傳統(tǒng)測(cè)試儀器的基礎(chǔ)上對(duì)防夾力測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)實(shí)車在不同工況同一車窗的不同位置進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)證明：所設(shè)計(jì)的新型檢測(cè)裝置可以替代傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置，并且可以自動(dòng)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，形成測(cè)試曲線。該測(cè)試提高了車窗防夾力測(cè)試的效率，具有很高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車窗；防夾力；新型檢測(cè)裝置；自動(dòng)記錄

中圖分類號(hào)：U467.3? 收稿日期：2023-02-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.022

1 前言

電動(dòng)天窗是現(xiàn)代汽車發(fā)展中的關(guān)鍵零部件之一，電動(dòng)天窗帶給乘車人員便利的同時(shí)也帶來了潛在的安全隱患[1]，特別是安全意識(shí)薄弱的小孩子更容易被夾傷。據(jù)相關(guān)研究表明，電動(dòng)車窗在上升過程中的最大舉升力高達(dá)500 N，最小狀態(tài)也有170 N，容易對(duì)人體關(guān)鍵部位造成傷害[2]。

車窗防夾技術(shù)在電動(dòng)車窗上的應(yīng)用在一定程度上解決了人被電動(dòng)車窗夾傷的安全隱患。目前，關(guān)于車窗防夾控制的研究有很多，檢測(cè)方案也有很多種，如國(guó)外的Markus等[3]提出的基于電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的防夾方案、Ra等[4]提出的基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩檢測(cè)防夾等，國(guó)內(nèi)的杜延海[5]提出基于雙霍爾傳感器的防夾加測(cè)方案、唐希雯等[6]提出基礎(chǔ)電機(jī)霍爾脈沖信號(hào)檢測(cè)和機(jī)械功率計(jì)算相結(jié)合的防夾方案等。

但是，目前關(guān)于電動(dòng)車窗防夾力檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法的相關(guān)研究較少，無論采用哪種車窗防夾控制的策略及算法，最終關(guān)鍵的安全性指標(biāo)就是天窗的防夾力大小，因此在車輛出廠前需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，確保電動(dòng)天窗開關(guān)、各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此在車輛出廠前反復(fù)的測(cè)試試驗(yàn)是不可或缺的。天窗防夾力若超出設(shè)計(jì)指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用過程中所造成的結(jié)果是不可逆的。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的防夾力測(cè)試裝置在測(cè)試過程中往往需要人工輔助測(cè)量，其缺點(diǎn)是檢測(cè)效率低、檢測(cè)精度低、可靠性較差。

虛擬儀器隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，在實(shí)際檢測(cè)中的應(yīng)用越來越廣。針對(duì)上述問題，本文基于傳統(tǒng)防夾力檢測(cè)方法及裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)新型測(cè)試結(jié)構(gòu)替代人工輔助工作，引入虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將所測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并記錄保存。

2 防夾測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1 防夾車窗防夾研究

常見的車窗防夾區(qū)域設(shè)計(jì)是滿足歐盟的74/60EEC和74/60/EWG[7]，即4～200 mm，具體示意圖見圖1。但是由于采用的玻璃材質(zhì)、車窗邊框與玻璃運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力、行駛路況、電源穩(wěn)定等因素的影響，車窗在實(shí)際使用過程中的防夾區(qū)域會(huì)發(fā)生變化[8]，在實(shí)際檢測(cè)過程中傳統(tǒng)的吸盤式不能很好地適應(yīng)所有檢測(cè)工況，因此新設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置應(yīng)盡量避免與車窗玻璃產(chǎn)生聯(lián)系。

2.2 檢測(cè)裝置需求分析研究

車窗防夾檢測(cè)裝置以提高檢測(cè)精度、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高檢測(cè)過程的安全性為主要目標(biāo)，因此需要設(shè)計(jì)研發(fā)的檢測(cè)裝置應(yīng)具備以下功能：

a.在測(cè)試準(zhǔn)備過程中減少人員投入，在測(cè)試過程中不需要人員輔助，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。

b.檢測(cè)裝置應(yīng)操作簡(jiǎn)單、拆裝方便。

c.檢測(cè)系統(tǒng)具備自動(dòng)保存數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)功能。

d.檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)集成化，不再使用傳統(tǒng)的傳感器+放大器+數(shù)據(jù)采集+電腦。

e.檢測(cè)裝置可連續(xù)工作，有較高的可靠性。

2.3 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，根據(jù)2.2中所分析的檢測(cè)裝置需求，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)：檢測(cè)裝置包括檢測(cè)輔助工裝和檢測(cè)模塊兩個(gè)部分。

2.3.1 檢測(cè)裝置輔助工裝設(shè)計(jì)

輔助工裝設(shè)計(jì)需要滿足拆裝簡(jiǎn)便、操作容易和自動(dòng)化三大功能。傳統(tǒng)的防夾力檢測(cè)裝置在測(cè)試過程中通過吸盤粘貼在被測(cè)的車窗玻璃上，存在著較大的安全隱患。因此，本次設(shè)計(jì)的輔助工裝通過設(shè)計(jì)吸盤和氣缸，解決了檢測(cè)模塊與車窗玻璃直接相互粘貼的問題，通過將輔助工作固定在汽車玻璃上，檢測(cè)模塊固定在輔助工裝上實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)過程。

吸盤吸力的選擇關(guān)乎試驗(yàn)的成敗，因此以防夾力最大100 N，加上檢測(cè)裝置自身重力25 N，取2.5倍的安全系數(shù)選擇吸盤。吸盤在工作狀態(tài)時(shí)要垂直狀態(tài)，簡(jiǎn)化示意圖如圖3所示。

吸盤屬橡膠材質(zhì)，與車窗玻璃的摩擦因數(shù)取0.6，即手泵需提供真空壓力為：

式中，[μ]為摩擦因數(shù)；[A]為吸盤吸附面積；[Fmax]為最大吸力。

2.3.2 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)主要是通過四個(gè)滑柱與彈簧的配合，探頭安裝固定在壓力傳感器上，傳感器安裝在彈簧底座的上部。在設(shè)計(jì)選擇彈簧時(shí)，其主要參數(shù)剛度和壓縮量需要根據(jù)被測(cè)車窗的防夾力來進(jìn)行合適的選擇，合適剛度的彈簧不僅會(huì)保護(hù)所測(cè)車窗的玻璃，也會(huì)保護(hù)檢測(cè)裝置不被損壞。主要依據(jù)以下公式：

2.3.3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，針對(duì)電動(dòng)車窗防夾力分析需求，采用模塊化的數(shù)據(jù)采集與顯示裝置[9]，主要處理過程如下。

2.4 檢測(cè)裝置工作原理

檢測(cè)輔助工裝固定完成后，將檢測(cè)模塊安裝固定在輔助工裝上。當(dāng)車輛通電后，電動(dòng)車窗開啟升起開關(guān)，當(dāng)探頭觸及升起的車玻璃后，會(huì)壓縮彈簧，同時(shí)探頭也會(huì)對(duì)玻璃施加一個(gè)方向相反的反力，阻礙其向上運(yùn)動(dòng)［10］。此時(shí)壓力傳感器開始工作，采集所測(cè)數(shù)據(jù)，彈簧壓縮到一定量后，防夾力達(dá)到廠家設(shè)計(jì)的閾值后，車窗玻璃開始下降，此時(shí)一個(gè)點(diǎn)位防夾力測(cè)試完成，檢測(cè)系統(tǒng)在整個(gè)過程中會(huì)對(duì)采集到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理傳輸至顯示屏上，并且將數(shù)據(jù)緩存至后臺(tái)。

3 試驗(yàn)方法研究

檢測(cè)裝置的主要參數(shù)如表1所示。

3.1 試驗(yàn)流程

a.調(diào)試檢測(cè)裝置，歸零處理。

b.檢查被檢車窗是否具備防夾功能。

c.安裝檢測(cè)裝置至待測(cè)車窗，保證車窗玻璃與探頭中部對(duì)齊。

3.2 試驗(yàn)點(diǎn)位及工況分析

本次測(cè)試選取一輛配備有車窗防夾功能的汽車，選取主駕駛位的車窗進(jìn)行測(cè)試，將車窗上部均勻分成五份，選取a、b、c三點(diǎn)作為此次防夾力測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行三次測(cè)試，測(cè)量結(jié)果顯示的峰值作為此次測(cè)試的目標(biāo)值，實(shí)際測(cè)試點(diǎn)選取如圖5所示。

工況分別按照靜止、低速和高速行駛?cè)N進(jìn)行，每種工況的每個(gè)點(diǎn)位測(cè)試三次，并記錄相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 檢測(cè)裝置參數(shù)設(shè)置

本測(cè)試裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇常用的力測(cè)試裝置D920力值測(cè)控儀，該測(cè)試裝置可單獨(dú)使用或連接電腦使用相應(yīng)測(cè)試軟件。在電腦端可進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，記錄頻率設(shè)置為20，即每秒記錄20個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)車窗防夾力最大值來調(diào)整上下量程數(shù)值，具體設(shè)置如圖6所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果研究分析

4.1 汽車靜止工況防夾力測(cè)試

當(dāng)汽車靜止時(shí)，對(duì)電動(dòng)車窗實(shí)施兩個(gè)動(dòng)作：a.開啟一鍵升起操作；b.手動(dòng)開關(guān)間斷性升起，每個(gè)動(dòng)作重復(fù)三次，統(tǒng)計(jì)電動(dòng)車窗防夾情況，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

汽車靜止?fàn)顟B(tài)下，從測(cè)試結(jié)果上可以得出：防夾力最大測(cè)試值在C點(diǎn)，達(dá)到73.6 N<100 N，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。所測(cè)9組數(shù)據(jù)的均值在72.92 N，方差為0.4353，整體波動(dòng)較小，說明該汽車在靜止?fàn)顟B(tài)下車窗的防夾效果良好，同時(shí)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的車窗防夾檢測(cè)裝置功能正常，可以正常進(jìn)行防夾力檢測(cè)。

4.2 汽車怠速工況防夾力測(cè)試

當(dāng)汽車怠速在正常道路上行駛時(shí)，對(duì)電動(dòng)車窗實(shí)施兩個(gè)動(dòng)作：a.開啟一鍵升起操作；b.手動(dòng)開關(guān)間斷性升起。每個(gè)動(dòng)作重復(fù)三次，統(tǒng)計(jì)電動(dòng)車窗防夾情況，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

汽車怠速狀態(tài)下，從測(cè)試結(jié)果上可以得出：防夾力最大測(cè)試值在C點(diǎn)，達(dá)到73.4 N<100 N，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。所測(cè)9組數(shù)據(jù)的均值在72.63 N，方差為0.4873，波動(dòng)比汽車靜止?fàn)顟B(tài)下略大，說明該汽車車窗的防夾檢測(cè)裝置可能受車速變化或其他因素影響。

4.3 汽車中高速工況防夾力測(cè)試

當(dāng)汽車以60 km/h在正常道路上行駛時(shí)，對(duì)電動(dòng)車窗實(shí)施兩個(gè)動(dòng)作：a.開啟一鍵升起操作；b.手動(dòng)開關(guān)間斷性升起。每個(gè)動(dòng)作重復(fù)三次，統(tǒng)計(jì)電動(dòng)車窗防夾情況，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

汽車中高速狀態(tài)下，從測(cè)試結(jié)果上可以得出：防夾力最大測(cè)試值在C點(diǎn)，達(dá)到74.5 N<100 N，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。所測(cè)9組數(shù)據(jù)的均值在73.47 N，方差為0.5657，波動(dòng)比汽車怠速狀態(tài)下大，說明該汽車車窗的防夾檢測(cè)裝置效果可能受車速變化影響產(chǎn)生變化，但是均未發(fā)生誤夾，整體可靠性較為良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有汽車的電動(dòng)車窗防夾力檢測(cè)裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在借鑒傳統(tǒng)檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上做了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)，該檢測(cè)裝置所具備的功能比較全面，操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)時(shí)顯示和保存所測(cè)數(shù)據(jù)，提高了測(cè)試精度和可靠性。同時(shí)通過對(duì)車窗不同車速狀態(tài)下的防夾力測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果精度高、試驗(yàn)效率顯著提升、檢測(cè)裝置的功能性和可靠性較好。

后期可針對(duì)以下兩個(gè)方向進(jìn)行深層次研究：

a.后續(xù)研究可設(shè)置高低溫工作環(huán)境下汽車防夾測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，與現(xiàn)有防夾檢測(cè)裝置在同一工況的同一測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

b.通過在不同路況下，研究不同車速下車窗防夾力大小及是否發(fā)生誤夾現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭剛，張朝陽(yáng)，侯志龍，等基于虛擬儀器的電動(dòng)車窗防夾力自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2020，36（2）：133-136

[2]辛豐強(qiáng)，王東生，崔書超，等基于雙霍爾傳感器的汽車電動(dòng)車窗防夾算法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]車輛與動(dòng)力技術(shù)，2019（2）：48-52

[3]MarkusG，Kliffken，Henck B，et alObstacle detection for power operated window-lift and sunroof actuation systems[J]SAE 2015 World Congress，2015，1（26）：466.

[4]Ra W，Lee H，Yoon T，et alReal-time robust pinch detection algorithm for automobile applications[C]//IEEE Intelligent Transportation Systems Conference Rio de Janeiro：IEEE Press，2016：325-330

[5]杜延海應(yīng)用雙霍爾傳感器的防夾電動(dòng)車窗設(shè)計(jì)[D]上海：東華大學(xué)，2014

[6]唐希雯，吳世龍，董瑞，等基于霍爾脈沖和機(jī)械功率的電動(dòng)車窗防夾控制[J]計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2016，26（8）：119-124+128

[7]惠賢電動(dòng)車窗防夾力測(cè)試裝置[J]汽車零部件，2012（6）：73-76

[8]琚裕強(qiáng)，鐘宛余防夾電動(dòng)車窗控制器自動(dòng)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J]機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（7）：52-54

[9]吳新華虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J]萍鄉(xiāng)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011，28（6）：33-35

[10]田璐，武志杰，陳虹汽車車窗防夾數(shù)據(jù)的試驗(yàn)獲取與分析[J]控制工程，2011，18（3）：479-482

作者簡(jiǎn)介：

牛夢(mèng)杰，男，1993年生，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚢踩夹g(shù)。