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配，并有類型多樣、玻璃尺寸和開啟面積不斷擴大的發展趨勢。

電動天窗的基本功能包括兩方面：(1)天窗玻璃在完全關閉時須與車頂完全密實，防止雨水進入車內；(2)實現水平打開和起翹運動。這些不同的工況都是由電子控制模塊控制天窗電機帶動機械組運動實現的。

根據相關法規，如美國FMVSS118安全規范、歐洲74/60/EEC以及中國標準，為了防止天窗在自動關閉時發生夾傷乘客的事故，帶有一鍵關閉功能的天窗必須具備一定的防夾功能，在4～200 mm的區域內滿足防夾力小于100 N的安全要求。即當天窗玻璃運行在防夾區域內，霍爾傳感器采集電機轉子的轉速信號并反饋給控制器，控制器根據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，發出停止或重新開啟指令，實現對車內人員生命財產安全的有效保護[1]。

盡管相關安全法規已經頒布并執行了相當長的一段時間，各廠商也嚴格遵守，但天窗防夾力過大造成的安全事故仍時有發生，這是由于天窗防夾力過大這類失效問題的現象不如誤防夾明顯，難以在天窗產線上甄別；同時，天窗誤防夾回彈導致無法正常關閉的現象也普遍存在，為此，主機廠經常接到車主的抱怨。

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，會設置一個防夾力檢測工位，防夾力測試設備如圖1所示。裝配完成后，將天窗固定在工裝上模擬實車狀態，使用力傳感器檢測天窗防夾區內某一點的防夾力大小，這個檢測點一般設置在天窗打開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 天窗產線防夾力測試設備示意

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變片產生形變，電阻值改變，引起輸出的電壓信號變化；變送器把傳感器發出的電壓信號轉換為PLC可以識別的信號；PLC模塊將模擬量信號轉換為數字量信號(防夾力值)在顯示屏上顯示。

這類力學傳感器設備的量程為0～200 N，精度可達±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內任一點防夾力的需求，但使用這種物理方法顯然無法檢測整個天窗防夾區所有位置的防夾力大小。

由此可見，現行的防夾力檢測方法無法探測到天窗在整個防夾區的所有位置是否都能滿足防夾力小于100 N的法規要求，不合格的天窗有流入售后市場的風險，引發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)以某項目內藏式天窗為例，天窗從完全打開位置到關閉位置的總行程約為400 mm，霍爾傳感器每0.2 mm采集一個天窗電機轉速信號，即在整個過程中可采集2 000多個電機轉速信號，這些信號采集點稱為軟件計數值，與天窗物理各個位置對應；

(2)為了避免軟件算法中出現負數，定義天窗起翹最高點為零位，天窗完全打開位置為計數位最大值，天窗的關閉位置約為2 200計數值處；

(3)天窗電機轉子的轉速較高，但通過蝸輪-蝸桿和齒輪-驅動鏈條傳動，天窗機械組的速度下降到90 mm/s左右；

(4)每臺天窗在主機廠裝配到車身上之后，都需要進行自學習，將整個運動過程中所有位置的電機轉速記錄到天窗ECU的EEPROM中，這些數據稱為學習值；

(5)軟件中設定特殊的算法，根據學習值計算得到每個位置的防夾閾值，使得天窗正常運行時，一旦防夾區內的某個位置的電機轉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，天窗正常運動速度及閾值曲線。

圖3 天窗正常運動速度及閾值曲線

3 軟件檢測汽車天窗防夾力原理

電機轉速取決于外部負載，負載轉矩與電機轉速之間的穩態關系[2-3]為：

(1)

式中：TL為天窗機械組所受阻力在電機軸上產生的負載轉矩;Cm為轉矩系數;U為電機兩端電壓;Ce為反電動勢系數;n為電機轉速;Ra為電樞繞組內阻。

由此可知：

(1)天窗自學習過程中，學習值反映了運動執行機構受到的環境作用力大小；

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

Δv=v正常運行-v閾值

(2)

將各個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際防夾力之間的關系，使用防夾力檢測設備測出天窗防夾區部分位置的防夾力大小，每個位置測量3次。同時，在圖4中找到與測量天窗防夾力位置相對應的軟件計數值，并將相應的速度差值填入表1。

表1 天窗防夾區內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，通過擬合的手段可以得到防夾力與速度差值的函數，文中使用的是線性擬合和冪函數擬合[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式為

y=0.35x+46

(3)

冪函數擬合曲線的表達式為

y=16.7x0.34

(4)

分析圖5及式(3)、(4)，可得：

(1)在原點附近冪函數擬合的結果比線性擬合結果更為可信，因為當速度差值為0時，防夾力大小顯然為0；

(2)文中定義的防夾區內各個位置的防夾力大小為(75±10)N，即公差帶為65～85 N，根據線性函數和冪函數，其對應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，不論是線性函數還是冪函數，都能較準確地反映出滿足防夾力公差定義的速度差值范圍：即整個防夾區中，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生天窗誤防夾回彈，無法正常關閉的失效模式；而防夾力過大有可能超過100 N的法規要求。顯然找出防夾區內速度差值的最大、最小值可以有效甄別這兩種失效模式的風險，例如：此次實驗數據中的速度差值最大值為112 mm/s(出現在天窗打開50 mm處)，最小值為12 mm/s(出現在天窗打開2、3 mm處)，使用式(3)計算，可求得對應的防夾力最大值為83.1 N，最小值為38.9 N。分析這兩組數據不難發現，整個防夾區內，各個位置的天窗防夾力小于85 N，滿足100 N的法規要求，且在防夾力公差帶范圍內；同時，防夾力最小的位置出現在防夾區外，故不影響天窗功能。

如圖5所示，在防夾區內的諸多其他位置，防夾力小于65 N時，如：計數值3 920位置(天窗打開380 mm)處，速度差值為22 mm/s，對應的防夾力為47.8 N。雖然根據制造商的工程經驗可知，47.8 N的防夾力不容易導致誤防夾，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，防夾區內所有位置的防夾力都小于85 N，滿足法規要求；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，誤防夾風險較小，卻不能完全排除，軟件算法仍有待進一步優化。

需要進一步說明的是，盡管在原點附近線性函數的擬合結果不如冪函數擬合結果準確可靠，但如果只需要通過擬合函數找到防夾力公差帶所對應的速度差值范圍，使用線性擬合的方法已經足夠滿足實際應用的需要。

4 天窗防夾力軟件檢測方法的實際應用

根據防夾檢測軟件的邏輯以及防夾原理，在實際生產中應用的具體步驟：

(1)在天窗研發階段，使用力傳感器等物理檢測方法測出天窗防夾區內部分位置的防夾力大小，并通過軟件算法計算出相應位置的防夾力學習值和天窗正常運行速度之間的速度差值，借助函數擬合的方法繪制出防夾力-速度差值曲線，再參考項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)實際生產時，在天窗生產線末段，每臺天窗完成自學習后，重新運行一次，計算機自動記錄下正常運行速度，并與學習值進行比較，得出速度差值，如果天窗防夾區內所有位置的速度差值滿足實驗室標定的結果，則判定天窗的防夾力合格，反之，則判定防夾力超差;

(3)每臺天窗各個位置的防夾力大小都能夠記錄在生產線電腦中，質量工程師可以隨時調取數據檢測產品防夾力水平。

5 結論

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

該檢測方法的優點如下：

(1)天窗量產過程中，能檢測天窗整個防夾區的防夾力大小，解決了傳統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險，解決了以往防夾力太大現象不明顯，難以甄別的問題；

(3)節省流水線上防夾力檢測設備的成本投入；

(4)操作工人只需在天窗自學習后運行天窗一次，加快了生產節拍，提高了產能。

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，易于在實際生產中使用，具有廣泛的應用前景。