汽车电动天窗的防夹功能失效模式与应对措施

赵建才，褚建东，汪志，王静冬

(建新赵氏集团有限公司，浙江宁波 315615)

0 引言

电动天窗是一个车内部件，它的正常使用关乎车内人员的安全。电动天窗的功能失效时常造成车内人员特别是小孩的误夹伤。随着电动天窗使用的普遍性，电动天窗的防夹研究逐渐成为科研人员的研究热点。周易[1]研发一种霍尔信号加上电机电流检测的防夹系统，该系统在电动天窗关闭遇到障碍物时能自动识别并使摇窗电机反转。张志敏等[2]采用嵌入式系统设计了基于PIC18F2480微控制器及自动代码生成器的智能电动天窗控制系统，该系统采用霍尔传感器测定天窗玻璃开关的实时位置，选择永磁电机负载转矩变化率作为障碍物检测判断指标。李岳林等[3]基于MATLAB对轿车电动天窗防夹系统进行了建模与仿真。黄启海等[4]基于静态防夹基本原理，提出了ATS算法的防夹原理，在控制过程中能够实时更新数据，补偿外界环境因素对防夹力的影响。史敏杰[5]研究了如何通过模糊控制算法和跟随防夹策略来实现汽车电动天窗的防夹功能。

电动天窗在正常使用时的防夹功能是指天窗玻璃在自动关闭过程中遇到人体，当夹紧力达到一定值后天窗会停止关闭并立即退回一定距离，避免人体受到损伤。本文作者根据天窗电机控制原理，分析了电动天窗的防夹功能原理和防夹失效模式，提出了失效模式应对措施，防止产生防夹误判或防夹失效。

1 防夹功能原理

天窗电机是由驱动电机与控制器组成(如图1所示)，驱动电机的电枢上装有磁环，控制器相对应的位置上装有两个霍尔转速感应器。

当电机在运行过程中磁环的磁信号被霍尔转速感应器捕捉，由此控制器可以接收到霍尔脉冲信号。当天窗在关闭过程中夹到物体时，天窗会受到该物体的反馈力使天窗移动速度下降，同时电机的旋转速度也会下降。此时控制器接收到霍尔信号的脉宽会增大，通过前后两段固定时间内的霍尔脉宽的对比分析，可以模拟计算出天窗在该位置的转速突变值ΔK。给这个转速突变值ΔK设置一个门限值KA，当控制器监测到ΔK≥KA时，就会启动天窗的反转程序，即实现防夹功能。天窗电机控制原理图如图2所示。

图2 天窗电机控制原理

2 防夹失效模式

防夹失效体现为两个方面：(1)天窗防夹力过小，表现为天窗在自动关闭过程中过于敏感，稍有振动便会反转后退，甚至天窗自身的运行阻力变化都会导致天窗反转后退，此类未夹到物体就触发的反转后退现象称之为误防夹。出现误防夹问题的天窗不能满足天窗正常关闭功能，属于功能失效。(2)防夹力过大或防夹功能不能触发，此现象是有可能出现的，因为防夹反转的触发是由天窗受到阻力后通过控制器计算得到转速突变值ΔK，再判断ΔK是否超过设定值KA决定的。假如天窗受到阻力是缓慢增大的，那么ΔK就一直小于KA，天窗的夹紧力就会慢慢变大，只有当监测到ΔK≥KA，天窗才会反转。此时夹紧力有可能已经大于100 N，甚至防夹功能没有被触发而发生卡死现象。出现防夹力过大问题的天窗不能满足标准，属于功能违规。

表1为天窗防夹国际标准对比。

表1 天窗防夹国际标准对比

对于上文中提及的防夹力过大或防夹功能不能触发问题，在实际设计中，此效果是被需要的，例如天窗在外界环境中长期暴露，轨道进灰或者枝叶掉入其中造成阻力变大，或者在寒冷地区天窗轨道中有结冰现象，此时就需要天窗能够克服缓慢增大的阻力来关闭天窗。由以上设计需求可以看出，天窗防夹的设定无法兼顾所有的状况，需要统一的标准来平衡此需求。在国际标准中就形成了对防夹测试方式、测试弹簧系数、防夹范围、防夹力要求的约定，以此来统一防夹力的设计及测试标准。天窗防夹国际标准为欧标(74/60/EEC、2000/4/EC)、ECE R21及美标(FMVSS118)，国标GB 11552-2009修改采用的是ECE R21。

3 失效模式应对措施

对于防夹力过大或过小的问题，通过对门限值KA(见图3)进行合理取值可以解决，该取值过程称之为静态防夹力标定。根据防夹法规所允许的设计要求，对天窗防夹力参数进行调整测试，使天窗在各种条件下其防夹力均能达到法规要求而又不出现误防夹现象的参数设定。它需要标定的静态环境包括环境温度-35～85 ℃，以及电压环境9～16 V。

实际上仅仅标定门限值KA是不够的，因为天窗还有可能出现失效模式中所提及的振动导致的反转后退问题，对于该问题的解决方案同样是从霍尔信号的脉宽分析入手。天窗在受到振动与受到障碍物阻挡时所表现出的脉宽变化是不一样的：实车的振动对于天窗来说是一种低频的阻力变化，所表现出的脉宽特征为间断性出现较大脉宽，数量少，不连续；而受到障碍物阻挡时阻力变化是连续的，所表现出的脉宽特征为连续的递增性的变大。据此控制器可识别出天窗处于振动状态还是障碍物夹紧状态。所以天窗防夹力标定还需要调整控制器对振动识别的灵敏度，这就需要天窗装于整车上进行坏路测试标定，以确保天窗能克服一般坏路的颠簸振动。

对于天窗在极限条件下可能出现的防夹功能不能触发问题，天窗设计有堵转保护功能。当天窗遇到障碍物卡死时，控制器收到霍尔信号不再变化，则判断为堵转。如该事件发生时间超过一个设定时间，如120 ms，则控制器会中断供电，再立即反向供电，使天窗退回到一个设定的距离，确保被夹物体可以被松开。

图3 天窗防夹分析系统

4 结论

根据天窗电机控制原理，分析了电动天窗的防夹失效模式，提出了失效模式的应对措施，以防止产生防夹误判或防夹失效。

通过实践证明，采取的失效模式的应对措施能够确保天窗在防夹功能方面安全可靠。随着天窗防夹技术的不断发展，还有更为精细的控制策略正在被不断开发出来，天窗的防夹安全性能也随之持续提高。