汽车防落水电动车窗装置的设计与实现

俞海红，张立

（浙江经贸职业技术学院，浙江 杭州 310018）

汽车防落水电动车窗装置的设计与实现

俞海红，张立

（浙江经贸职业技术学院，浙江 杭州 310018）

本文针对汽车的电动车窗控制电路进行了优化设计，旨在解决该控制电路在一旦汽车落水的情况下普遍突然失灵的尴尬。其优化设计思路是寻求绕开损坏的电动车窗元器件，另外启动一条抗震且密封性良好的回路，由电瓶直接驱动电动车窗升降器电机，一键降落电动车窗玻璃。新的回路由多个传感器、ECU、备用充电电源以及紧急按钮开关等组成，具有良好的抗震性和密封性。本设计在几家汽车改装店对多款中低端汽车进行了测试安装，并将汽车的电动车窗从不同高度投入水中进行实验调试，试验效果良好。

汽车；电动车窗；优化设计；控制电路；紧急按钮

CLC NO.:U463.8Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-55-04

引言

随着汽车电子技术的发展，汽车车窗操作的便利和操作稳定性越来越受到重视，传统的手动车窗将逐步淡出历史舞台。汽车上配置电动车窗已非司空见惯的事，有了电动车窗，驾驶员可从容对车窗进行控制而无需用手动方式操作，在日常行驶中可大大提升驾驶的便捷性[1]。但是电动车窗也存在一些安全隐患，比如会夹手、电路故障时会打不开，所以说任何事物都有两面性，已经有许多案例说明电动车窗在汽车落水或被淹后导致车窗无法开启而引发的悲剧。2012年7月21日，北京遭遇特大暴雨袭击，全城交通瘫痪，37人遇难，水淹车辆更是数以千计。34岁的某幼儿杂志编辑部主任丁志健，在驾车回家途中被困在广渠门的滔滔大水中，由于车门车窗都无法打开最终溺水身亡，丢下遗孀和3岁女儿，酿成人间惨剧[2]。2013年8月30日，深圳暴雨，在这场大暴雨中，一名女司机童许仙开车去接儿子时经过一涵洞，涵洞中积水迅速上升，女司机受困于车中并溺亡，遇险途中她拨了4个求救电话，但终未赢得生机，她的丈夫黄森田接受不了突然失去妻子的现实，好端端的一个三口之家被暴雨拆散[3]。

实例表明：多数车辆在浸入水后，由于电器电路故障，会导致电动车窗无法开启，从而使司乘人员殒命。因此，设计一种在汽车落水时能紧急逃生的电动车窗控制电路，可保证短时间内司乘人员逃出车外，无疑具有强烈的现实意义和应用推广价值。

1、现有电动车窗控制电路

1.1 电动车窗控制电路的组成

电动车窗系统主要由车窗、电动机、升降器、保险丝、继电器、电子模块、开关等组成。以左前电动车窗（摇窗机）为例，其电路图如图1所示。该系统通过20安培的断路器来为驾驶员的车门输送电能。电能进入车门上的车窗开关控制板，然后分配到每一个车窗（共四个）开关中心的触点。 两个触点（分别位于电动触点的两侧，用于控制电动车窗的上升和下降）分别与车辆接地端及电机相连。电能还将经过锁定开关到达其他车门上的车窗开关。

驾驶人或乘员操纵控制开关接通车窗升降电动机的电路，电动机产生动力通过一系列的机械传动，使车窗玻璃按要求进行升降。电动车窗的作用有：手动升降、自动升降、车窗锁止、防夹保护、延时操作、门锁联动关闭等。

1.2 电动车窗控制电路的结构原理

车窗电动机采用永磁式直流电动机，通过改变电动机的电流方向可以实现车窗玻璃的上升和下降。车窗玻璃升降器采用绳轮式（如图2所示），当电动机电路接通后，电动机转轴输出转矩，经蜗轮蜗杆减速后，再由缓冲联轴器传递到转丝筒，带动转丝筒旋转，使钢丝绳拉动安装在玻璃支架上的滑动支架在导轨中上下运动，达到车窗玻璃升降的目的。

1.3 实物模拟现有电动车窗控制电路

为了便于与优化后的电路进行对比，且节省成本，特对现有电动车窗控制电路用实物进行了模拟。该左前车窗系统模型的组成包括：点火开关、摇窗机下降继电器、摇窗机延时继电器、左前摇窗机开关、保险丝、左前摇窗机马达、左前窗玻璃和起落架，蓄电池，如图3所示。此系统模型与原电动车窗工作原理一致，接通蓄电池（电路的电源）的正负极后，电路通电，拨动左前摇窗机开关，通过两个继电器和保险丝后，电能传输到左前摇窗机马达，驱使车窗玻璃上升或下降。试验证明，该电动车窗模型可正常工作。

2、电动车窗控制电路的优化设计

2.1 优化设计的思路

现有车窗控制电路组成中遇水易损坏的元器件有摇窗机下降继电器、摇窗机延时继电器、点火开关等。一旦汽车落水，将直接导致汽车车窗控制电路的损坏。大量的汽车制造厂商实验数据显示：车辆在遭受突然外力(如涉水冲击)以及水淹等情况下，蓄电池一般不太不容易出现短路等故障、电动车窗以及所驱动的电机也不太可能在短时间内受到冲击和影响。这就为本作品的优化设计提供了一种可能性——绕开原有控制电路，在满足一定条件下启动另外一条回路，直接快速驱动电机，即可实现电动门窗的快速下降。

2.2 电动车窗控制电路新增的回路

如图4所示，在现有控制车窗下降的电机处引出新增的回路，并串联一只熔断器和一个可一键降落车窗的紧急开关按钮。新增的回路主要由多个传感器、ECU以及备用电源组成。传感器主要由碰撞传感器、湿度传感器以及压力传感器组成，传感器之间采集的数据进行冗余处理的融合方法。多传感器融合的目的是为了保证向ECU传递可靠的信号，以保证ECU能够根据传感器信号做出汽车是否处于落水状态的

正确判断。从而迅速启动备用电源，并入蓄电池，以加快电动车窗的下降。

电动车窗控制电路新增回路的实物模拟如图5所示。

图6为多传感器融合处理的示意图。判断是否处于汽车落水状态的碰撞传感器的型号为美国恩德福克公司产生的7703A型压电加速度传感器；湿度传感器的产品型号为德国阿尔邦露点温度传感器，型号为FHA696M。压力传感器采用深圳德骏公司产生的3100压力传感器。针对三个不同类型传感器采集的数据，采用基于NP准则的数据融合策略。如图7所示。

在图中，蓝色表示漏探率红色表示虚警率，虚线左侧无判决，虚线右侧有判决，第一个正态分布有目标，第二个正态分布无目标。试验证明采用该控制策略有效。

3、试验过程及结果

优化设计后的电动车窗电路系统模型如图8所示。右侧为原有电动车窗电路系统模型，左侧为新增电动车窗控制电路模型。试验分以下步骤进行：

（1）首先，右侧电路接通电源，打开点火开关，摇窗机下降继电器和摇窗机延时继电器工作完好，拨动左前摇窗机开关，左前车窗玻璃可上升或下降，原电动车窗系统工作正常。

（2）然后，右侧电路仍接通电源，模拟汽车在水中浸泡易出现的几种故障，即电路中点火开关、摇窗机下降继电器、摇窗机延时继电器这三个元器件，其中有一者或二者，甚至三者有损坏，此时拨动左前摇窗机开关，左前车窗玻璃不动。这说明原电动车窗此时工作不正常。

（3）最后，将左侧装置连同蓄电池都浸没在水中10分钟，模拟汽车被水浸泡的10分钟，取出后，按下新增电动车窗控制电路模型中的紧急下降按钮，左前车窗玻璃下降。这说明新增的一路控制电路在水中浸泡10分钟后仍能正常工作，可控制车窗玻璃下降，而一般逃生的黄金时间也就在这段时间内。

当然，在试验过程中，我们还存在考虑不周到的地方。如没有考虑到车窗玻璃在水中车内外受力不均衡的因素，今后可作进一步改进，如可用吸盘将其中一边玻璃吸住，用弹簧秤模拟水的压力，再试验车窗玻璃在该种情况下是否能下降。

4、模型的应用与推广

当汽车被水淹没，原有的电动车窗升降电子模块进水短路，电动车窗失灵。本设计不改变原有的电动车窗电路，只是绕开原有回路中遇水易损坏的元器件，如摇窗机下降继电器、摇窗机延时继电器、点火开关等，在控制车窗下降的电机处引出新的回路，串联一只熔断器和一个可一键降落车窗的紧急开关按钮。在农用运输车辆落水无法开启电动车窗时，按下紧急按钮，使新的控制电路导通，设计好回路的电流方向，使电机带动玻璃下降，开启车窗，发挥拯救生命的作用，从最大程度上降低人身伤害。

目前在市面上有不少车辆被淹时用来抢救的产品，但很多是破坏车窗的物理工具，像本设计这样从电动车窗控制电路改装的还属于独家。本设计在几家汽车改装店对多款中低端汽车进行了测试安装，并将汽车的电动车窗从不同高度投入水中进行实验调试，试验效果良好。由于本产品几乎不需要改动现有的汽车内部结构以及布线，且成本价格低廉（目前市场上还很少见到同类型的产品，本作品的成本价为180元左右，市场售价可以控制在300元-400元之间），将具有很强的市场竞争力，是现有电动车窗控制电路的有益补充。本设计若在不久的将来能够在汽车上得到安装，将可以有效地避免大量与之有关的伤亡事故的发生，该设计的应用前景将非常广阔。

[1] 高培伟,张肖.重型汽车电动车窗的工作原理及故障排查[J].汽车实用技术. 2013(7)：102-105.

[2] 于澄.“7·21”北京广渠门遇难车主遗孀首次面对媒体[N].羊城晚报, 2012.07.27.

[3] 黄纪.深圳暴雨积水严重 女司机车内被淹身亡[N].广州日报, 2013.08.31.

4、结论

通过以上分析我们得知：该多连杆悬架托臂在4中典型工况下整体应力值都偏高，特别是转弯和过垂直工况时，制动器支架、制动器支架和托臂本体的焊接区域应力值过高与试验开裂区域接近，并对其提出改进建议，实践表明有限元分析方法对提高汽车结构件前期预研工作具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 王霄锋.汽车底盘设计[M].北京∶清华大学出版社.2010.47-53, 272-273,282-294.

[2] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社.2013.226-276.

[3] 胡玉梅,邓兆祥,王欣,等.汽车后悬架的非线性有限元分析[J].重庆大学学报,2003(Vol.26)∶38-41.

[4] 李成.基于OptiStruct的麦弗逊悬架下控制臂优化[J].计算机辅助工程,2012(Vol.22 No.5).

[5] 黄向东.汽车悬架系统的有限元分析法及其应用[J] .中国机械工程, 1994, 5( 1) ∶ 44- 45.

The Design and Realization of Anti-water Power Window Device in Automobile

Yu Haihong, Zhang Li
（Zhejiang Economic and Trade Vocational and Technical College, Zhejiang Hangzhou 310018）

In this paper, power windows control circuit of the car is optimized in order to solve the problem of the control circuit may be out of work when the car drowned. The optimization design idea is to find a way to circumvent the power window components that are easily damaged, and use a new circuit with good performance of anti-seismic and sealing, in which loop the power window lifter motor is driven directly by battery and the power window could fall down by an emergency button. The new circuit is composed of a plurality of sensors, ECU, backup power supply and emergency button etc, and has good seismic performance and sealing performance. This design was installed and tested on a variety of low-end cars in several car modification shops, and it was showed good experimental effects when the car door with power window was throw from different height into the water.

Automobile; Power windows; Optimization design; Control circuit; Emergency button

U463.8

A

1671-7988(2014)12-55-04

俞海红，硕士，讲师，就职于浙江经贸职业技术学院应用工程系，主要从事汽车技术服务、营销推广方面的研究。