ПНЕВМОПРИВОД ДВЕРЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ЭЛЕКТРОННЫМ УСТРОЙСТВОМ ЗАЩИТЫ ПАССАЖИРА ОТ ЗАЖИМА ЗАКРЫВАЮЩЕЙСЯ И ОТКРЫВАЮЩЕЙСЯ ДВЕРЬЮ
PNEUMATIC DRIVE OF VEHICLE DOORS WITH PASSENGER ELECTRONIC ANTI-SEIZURE PROTECTION

Изобретение относится к области пневматики и может быть использовано в качестве исполнительного устройства управления створками дверей автобусов и троллейбусов с защитой пассажиров от зажима створками дверей.
Известна система автоматического открытия и закрытия раздвижных дверей автомобиля патент (СА 2218946) [1]. В системе автоматического открытия и закрытия раздвижных дверей трос 4, жестко закрепленный на раздвижной двери, наматывается на барабан 10 для автоматического открытия или закрытия раздвижной двери, а между барабаном 10 и раздвижной дверью имеются натяжители 11а и 11b. Далее, на натяжителях имеются рейки 20 чувствительного элемента для определения скорости перемещения натяжителей 11а и 11b. Если скорость перемещения натяжителей 11а и 11b оказывается больше заданного значения, устанавливаемого заранее, то в случаях, когда положение раздвижной двери не является полностью открытым или полностью закрытым, делается вывод, что произошел зажим и он должен быть устранен.
Однако данная система защиты от зажима включает в себя сложные механические сопрягающиеся устройства - натяжители, подвижные шкивы, пружины натяжения, что неизбежно снижает ее надежность, требует тщательной регулировки при монтаже и приводит в эксплуатации к ряду других отрицательных свойств.
1. Контроль за положением двери и моментом зажима какого-либо объекта возложен на два полуавтоматических устройства: датчик Холла 16, установленный на выходном валу 9а электродвигателя 9, и рейку 20 чувствительного элемента, установленную на натяжителе 11а и перемещающуюся синхронно с ним, скорость перемещения которой обнаруживается датчиком 21. Причем для контроля процессов открывания и закрывания предусматриваются две рейки 20 чувствительного элемента и два датчика 21 отдельно на закрытие двери и отдельно на открытие двери. При этом каждая пара «рейка - датчик» должна иметь свой натяжитель 11а или 11b, фиксированный шкив 18а или 18b, подвижный шкив 12а или 12b, рычаг 19, пружины растяжения 13а или 13b.
При зажиме трос 4 со стороны намотки натягивается, и подвижный шкив 12а перемещается вверх, преодолевая при этом сопротивление пружины растяжения 13а. Соответственно при условии поломки пружины 13а произойдет остановка (фиксирование) натяжителя 11а и рейки 20 чувствительного элемента в верхнем положении посредством беспрепятственного воздействия на них троса 4, которая будет оцениваться системой как положение отсутствия зажима при открытии или закрытии, при фактическом зажиме пассажира дверью. То есть надежность системы слежения в данном случае зависит от фактора возможного выхода из строя пружины растяжения 13а подвижного шкива 12а. Если данная ситуация произойдет во время стоянки или движения автомобиля при нижнем положении натяжителя 11а и рейки 20 чувствительного элемента, то возможно, что дверь транспортного средства либо не откроется, либо не закроется, так как под действием троса 4 при отсутствии сопротивления сломавшейся пружины 13а натяжитель 11а и рейка 20 чувствительного элемента практически мгновенно отклонятся в крайнее верхнее положение, и электронное управляющее устройство 8, воспринимая сигнал с чувствительного элемента 20 и датчика 21, будет делать заключение, что сразу после начала открытия или сразу при закрытии произошел зажим. При условии, что дверь открыта, автомобиль не сможет продолжать движение с открытой дверью в целях безопасности, а при условии закрытой двери возникает проблема высадки и посадки пассажиров и т.д.
2. Датчик скорости (система из рейки 20 и датчика 21) учитывает и различает только факт резкого снижения скорости двери, т.е. реагирует на «отрицательное ускорение» двери. При этом нет возможности ввести ограничение величины интервала времени от момента начала замедления двери до момента необходимого реверса двигателя, если это замедление происходит постепенно. Поэтому, в случае если в дверной проем попадает упругий элемент, имеющий свойство постепенно деформироваться под действием усилия со стороны двери, то нагрузка со стороны двери на трос 4 может оказаться недостаточной, чтобы произошло перемещение натяжителя 11а и рейки 20 со скоростью, превышающей заданное пороговое значение. При этом рейка 20 сравнительно медленно переместится в крайнее верхнее положение, из чего следует, что сигнал о зажиме не будет подан на управляющее устройство 8 и реверс двигателя 9 не будет включен, следовательно произойдет зажим.
3. Система из рейки 20 и датчика 21 не выдает информацию о крайних положениях двери. За это отвечает другая система (выходной вал 9а электродвигателя 9. установленный на выходном валу магнит 15 с десятью полюсами и датчик Холла 16), которая определяет крайние положения двери по числу оборотов двигателя, сделанных от момента подачи соответствующих сигналов на открывание или закрывание.
Так как в качестве рабочего органа для перемещения двери используется трос 4, закрепленный в устройствах натяжения, расположенных в блоках шкивов 6а и 6б, то существует возможность ослабления его натяжения. В этом случае может произойти увеличение числа оборотов шкива 10 до полного закрытия или открытия двери, что может вызвать неправильное определение положения двери датчиком Холла 16. При этом, если информация от системы слежения за положением двери о крайнем положении двери еще не прошла на устройство управления 8, а реально дверь уже закрылась, то сигнал с датчика 21 поступит, система будет воспринимать эту ситуацию как зажим и дверь будет невозможно закрыть. Аналогичная ситуация может иметь место при открывании двери.
4. Используемые в данном устройстве датчики Холла 16 установлены не на рабочем органе перемещения двери - троссе 4, что затрудняет возможность прямолинейного отслеживания скорости перемещения двери и ее положения, а также сравнивать изменения скорости перемещения двери на предыдущих циклах открытия или закрытия, вызванные внутренними сопротивлениями и износом механических частей.
Наиболее близкой системой, которая может быть взята за прототип, является пневмопривод дверей автотранспортных средств с щелевым магниточувствительным датчиком и электронным антиблокировочным устройством, патент RU 2313457 С2 [2].
В данном устройстве в зазоре магниточувствительного датчика свободно перемещается стальная рейка с отверстиями любой геометрической формы. Рейка закреплена на штоке пневмоцилиндра и вместе с ним совершает линейное возвратно-поступательное перемещение. Период сигнала (интервал между двумя фронтами соседних импульсов) равен интервалу времени прохода дискретного участка хода (l) штока пневмопривода управления дверью. Полный ход (L) условно разбит на n дискретных участков. Данное устройство защиты от зажима работает на принципе отслеживания и запоминания интервалов времени прохода каждого дискретного участка рейки в зазоре датчика и, на основании этих данных, определения факта «зажима» при уменьшении скорости штока пневмопривода ниже допуска. При этом указанный допуск может задаваться с помощью различных алгоритмов обработки данных о временных интервалах перемещения дискретных участков рейки.
В патенте RU 2313457 С2 [2] представлены два основных варианта алгоритма обработки данных об интервалах времени прохода дискретных участков рейки:
а)первый
измерение интервала времени прохода n-го дискретного участка, а потом сравнение сохраненного в памяти n-го интервала с последующими, при этом
n+1
n
с
t>K·t, но не более t - условие срабатывания защиты,
n+1
где t - текущее время таймера, отслеживаемое от момента поступления очередного фронта импульса с датчика (в ожидании следующего фронта);
n
t - интервал времени, измеренный при проходе предыдущего дискретного участка;
K - критерий, величину которого можно регулировать;
c
t - критическое время ограничения.
б) второй
при движении штока сохранение в памяти всех интервалов времени, за которые он проходит каждый дискретный участок хода и на следующем цикле движения сравнение каждого интервала текущего цикла с соответствующим интервалом предшествующего цикла. При этом
n
n
(m+1)
(m)
t >K·t  - условие срабатывания защиты,
n
(m+1)
где t  - интервал времени прохода n-го дискретного участка на (m+1)-м цикле движения;
n
(m)
t  - интервал времени прохода n-го дискретного участка на предшествующем m-м цикле движения;
К - критерий, численная величина которого может регулироваться.
Однако данная система защиты от зажима имеет следующие недостатки.
1. Несмотря на то, что по сравнению с патентом (СА 2218946) [1] исключены сложные механические устройства, остается скользящая в зазоре магниточувствительного датчика стальная рейка, а для пневмопривода двустворчатой двери необходимо применение двух магниточувствительных датчиков и две стальные рейки (на штоках каждого пневмоцилиндра) по количеству створок двери. При этом во время открывания или закрывания двери под действием осевой и радиальной вибрации, возникающей во время движения автобуса, ослабления крепежных элементов, не исключена возможность смещения (перекоса) оси крепления стальной рейки к штоку пневмоцилиндра относительно оси симметрии зазора(щели) магниточувствительного датчика, что может привести к заклиниванию стальной рейки в зазоре(щели) магниточувствительного датчика, ее излому и в конечном счете к отказу всей системы закрытия открытия дверей, отвечающей за безопасность пассажиров.
2. Алгоритмы обработки данных, предусмотренные патентом RU 2313457 С2 [2], также имеют недостатки.
Первый вариант алгоритма обработки данных об интервалах времени прохода дискретных участков рейки предусматривает необходимость обеспечения отсутствия резких изменений скорости двери во время условно нормального (без внешних препятствий) движения двери, иначе возможно ложное срабатывание защиты.
c
Кроме того, для обеспечения достаточно полного соответствия между зафиксированным падением скорости и реальным увеличением усилия на штоке необходимо как можно большее число отверстий рейки (строгое соответствие, описанное формулами патента RU 2313457 С2, справедливо только в пределе, при бесконечно малом дискрете). Если же число дискретных участков рейки (то есть число отверстий) небольшое, то при плавном торможении штока усилие возрастает вплоть до полной остановки движения и критерием срабатывания защиты делается только параметр времени ограничения t, а не усилие на штоке.
Изготовление датчика и рейки, работающих с большим числом отверстий, а значит с малой их величиной и большой частотой следования импульсов, связано с техническими трудностями и дороговизной датчиков.
Второй вариант алгоритма обработки данных об интервалах времени прохода дискретных участков рейки предусматривает
либо строгое соответствие количества отверстий в рейке с длиной хода штока (при этом следует учитывать, что при установке в реальный дверной проем полный ход может быть не строго постоянным даже для однотипных автобусов и пневмоприводов), либо применение сложного алгоритма самонастройки системы на реальное число дискретных участков рейки, участвующий при полном проходе штока, а также для начальной установки при первом включении питания. Для обеспечения достаточно близкого соответствия между зафиксированным падением скорости и реальным увеличением усилия на штоке (по отношению к предыдущему циклу закрывания), также как в первом случае, необходимо как можно большее число отверстий рейки.
3. Кроме того, данная система эффективна, в основном, в пневмоприводах линейного типа, там, где количество передаточных звеньев между штоком пневмоцилиндра и створкой двери минимально.
Технический результат настоящего изобретения заключается в упрощении конструкции, за счет этого - в повышении надежности и снижении стоимости системы защиты от зажима без ухудшения эксплуатационных свойств применительно к реальным конструкциям и параметрам дверных механизмов, расширении области применения устройства и обеспечивается за счет следующего.
1. Щелевые магниточувствительные датчики исключаются. Стальная рейка с отверстиями любой формы исключается. Для обеспечения защиты от зажима закрывающейся дверью обязательно наличие только датчиков конечного закрытого положения, в качестве которых используются стандартные автомобильные микропереключатели (возможно использование и бесконтактных магниточувствительных датчиков приближения более простой конструкции, чем предложено в RU 2313457 С2). Если конструкция пневмопривода допускает установку дополнительно аналогичных датчиков конечного открытого положения, свойства функции защиты от зажима несколько улучшаются и, при необходимости, имеется возможность введения защиты пассажиров от зажима как при закрывании двери закрывающейся створкой, так и при открывании двери открывающейся створкой.
2. Алгоритм функции защиты от зажима, обеспечиваемый микропроцессорным электронным блоком, работает по принципу таймера с самонастройкой на реальное время движения данной двери между крайними положениями. Алгоритм может быть общим как для систем с двумя датчиками (для конечных открытого и закрытого положений), так и для системы с одним датчиком (только для конечного закрытого положения). Электронный блок может быть универсальным для обоих применений. В общем случае алгоритм выполняется следующим образом.
а) Фиксируется полностью открытое положение.
При отсутствии датчика конечного открытого положения фиксирование происходит по заданному максимально допустимому интервалу времени, прошедшему от момента подачи водителем сигнала на открывание до момента следующего сигнала на закрывание (на каждом цикле открывания-закрывания). Если до истечения этого интервала поступает сигнал с датчика конечного открытого положения, то микроконтроллер распознает наличие этого датчика, и конечное открытое положение фиксируется по данному сигналу. Кроме того, запоминается интервал времени полного открывания двери от момента подачи водителем сигнала на открывание до момента выдачи сигнала датчиком конечного открытого положения (на каждом цикле открывания-закрывания). Запоминание происходит только в том случае, если сигнал на открывание подается при наличии сигнала конечного закрытого положения, в противном случае в памяти остается значение интервала времени открывания от предыдущего цикла (память не обновляется).
б) Запоминается интервал времени полного закрывания двери от момента подачи водителем сигнала на закрывание до момента выдачи сигнала датчиком конечного закрытого положения (на каждом цикле открывания-закрывания). Если имеются датчики как конечного закрытого, так и конечного открытого положений, то запоминание происходит только в том случае, если сигнал на закрывание подается при наличии сигнала конечного открытого положения. Если же датчик конечного открытого положении отсутствует, то запоминание происходит в том случае, если предшествующее открытое положение зафиксировано по заданному допуску согласно пункту 2а. В противном случае в памяти остается значение интервала времени закрывания от предыдущего цикла (память не обновляется).
в) По двум значениям интервалов времени нормального закрывания на двух предыдущих циклах (открывание-закрывание) вычисляется допуск на время полного закрывания на следующем (текущем) цикле.
При наличии датчика конечного открытого положения:
по двум значениям интервалов времени нормального открывания на двух предыдущих циклах (открывание-закрывание) вычисляется допуск на время полного открывания на следующем (текущем) цикле.
Если на очередном цикле время, прошедшее с момента подачи сигнала на закрывание, превышает допуск, ранее вычисленный по двум предыдущим циклам, а сигнала с датчика конечного закрытого положения нет, то электронным блоком выдается сигнал на открывание (срабатывает защита от зажима закрывающейся дверью).
При наличии датчика конечного открытого положения:
если на очередном цикле время, прошедшее с момента подачи сигнала на открывание, превышает допуск, ранее вычисленный по двум предыдущим циклам, а сигнала с датчика конечного открытого положения нет, то электронным блоком выдается сигнал на закрывание (срабатывает защита от зажима открывающейся дверью).
г) Для первого закрывания или первого открывания, которое происходит сразу после включения питания (и загрузки микроконтроллера электронного блока), допуск на время полного хода строго задан и составляет некоторый достаточно большой интервал времени (с запасом). В дальнейшем система настраивается на реальный для данной двери интервал времени закрывания.
д) Для исключения ложных срабатываний защиты в различных ситуациях, связанных с нарушением цикличности открывания-закрывания или со случайным резким изменением скорости движения двери, в программе микроконтроллера приняты дополнительные меры, смысл которых виден из нижеследующего формального описания алгоритма. Формулы даны для случая одностворчатой двери, когда датчик конечного открытого положения отсутствует и обеспечивается только защита от зажима при закрывании. Численные значения временных констант даны условно (для примера).
1) Правила для определения факта наличия полностью открытого положения (при отсутствии датчика открытого положения)
Открывание считается полным в следующих случаях:
- если внешний сигнал открывания подается при наличии сигнала конечного закрытого положения (створка полностью закрыта), потом происходит отключение сигнала конечного закрытого положения и после этого проходит время не менее 2-х секунд до момента последующей подачи сигнала закрывания;
- если сигнал открывания подается при отсутствии сигнала конечного закрытого положения (створка не полностью закрыта) и после этого проходит не менее 2-х секунд до момента последующей подачи сигнала закрывания. При этом сигнал открывания может быть подан извне или в результате срабатывания защиты;
- если питание блока подано, после чего сразу установлено отсутствие сигнала конечного закрытого положения (включение питания при открытой створке), и после этого проходит не менее 2-х секунд до момента последующей подачи сигнала закрывания.
доп
2) Правила определения допусков на время закрывания τ
При 1-м цикле открывания-закрывания (после подачи питания)
1доп
τ=7±0,1 с (константа);
При 2-м цикле открывания-закрывания
1
2доп
1дoп
если τ<0,5 с, то τ=τ=7±0,1 с (пропуск помехи),
1
зап
2доп
зап
если τ+t<2 с, то τ=(2+t) с (пропуск случайного рывка),
1
зап
2доп
1
зап
если τ+t≥2 с, то τ=(τ+t) с, но не более 7 с
1
где τ - реальное время полного закрывания на первом цикле,
зап
t - запас, регулируемый в пределах (0,4-0,8)±0,1 секунды с помощью подстроечного резистора блока.
При n-м цикле закрывания (в общем случае, при n≥3)
n-1
n доп
n-1
доп
если τ<0,5 с, то τ=τ (пропуск помехи),
n-1
зап
n-2
n доп
n-2
зап
если τ+t<τ, то τ=(τ+t) с, но не более 7 с (пропуск случайного рывка)
n-1
зап
n-2
n дoп
n-1
зaп
если τ+t≥τ, то τ=(τ+t)c, но не более 7 с,
n-1
где τ - реальное время полного закрывания на предыдущем (n-1)-м цикле;
n-2
τ - реальное время полного закрывания на «перед-предыдущем» (n-2)-м цикле;
n-1 доп
τ - реальный (окончательно выбранный, при необходимости - с учетом пропуска случайного рывка и с учетом ограничения 4 с) допуск для предыдущего (n-1)-го цикла;
n доп
τ - допуск, вычисленный для n-го цикла;
зап
-
t запас, регулируемый в пределах (0,4-0,8)±0,1 секунды с помощью подстроечного резистора блока.
0
Примечание: формула для n-го цикла справедлива при n≥2, если принять τ=2±0,1 с.
При наличии датчика конечного открытого положения, используя правила, аналогичные приведенным выше для защиты от зажима закрывающейся дверью, можно организовать и защиту от зажима открывающейся дверью.
Во всех современных пневмоприводах дверей транспортных средств управление происходит посредством кратковременной подачи сигналов на открывание и закрывание. Эти сигналы проходят на электромагниты пневмораспределителя и, параллельно, на входы электронного блока управления защитой от зажима. В то же время водитель имеет возможность подать непрерывные сигналы управления. Поэтому для обеспечения возможности исправления ошибки при записи в память времени полного закрывания (если такая ошибка все же произойдет, несмотря на меры, принятые в правилах записи, например, при неоднократном закрывании из заведомо не полностью открытого положения), в алгоритме заложен следующий принцип.
Для общего случая, когда имеются датчики закрытого и открытого положений и осуществляется защита от зажима как закрывающейся, так и открывающейся дверью:
при наличии непрерывного сигнала закрывания или открывании защита от зажима не должна срабатывать (режим осознанно принудительного закрывания или открывания двери водителем). При этом микроконтроллер электронного блока запоминает время, прошедшее от начала (фронта) сигнала управления до сигнала конечного положения, то есть водитель имеет возможность вручную настроить это время, закрывая дверь непрерывным сигналом из заведомо полностью открытого положения или открывая ее из заведомо полностью закрытого положения.
На чертеже показан описываемый пневмопривод (пневмопривод одностворчатой двери с электронным устройством защиты от зажима закрывающейся дверью).
Пневмопривод содержит пневмораспределитель 1, рабочий пневмоцилиндр 2, шток рабочего пневмоцилиндра 3, электронный блок 4, датчик конечного закрытого положения 5 и электрическую часть 6 управления пневмораспределителем (электромагниты пневмораспределителя).
Пневмопривод дверей автотранспортного средства с электронным устройством защиты пассажира от зажима закрывающейся дверью работает следующим образом. При открывании и закрывании створок дверей автотранспортного средства шток 3 рабочего пневмоцилиндра 2 перемещается в крайние положения, соответствующие закрытому при втянутом состоянии штока и открытому при выдвинутом состоянии штока положению двери.
Электронный блок 4 воспринимает электрические сигналы управления открыванием ЭСУО 1 и закрыванием ЭСУЗ, которые подаются водителем в виде импульсов постоянного тока (параллельно на обмотки электромагнитов пневмораспределителя 6 и на входы электронного блока 4), а также сигнал закрытого положения с датчика конечного закрытого положения 5 (параллельно на вход электронного блока и на внешнюю цепь сигнализации ЭСВЦС). Электронный блок обрабатывает информацию о поступающих сигналах и временных интервалах между ними по приведенным выше правилам и вырабатывает допуск на интервал времени полного закрывания створки.
Если на очередном цикле открывания-закрывания возникает препятствие движению створки при закрывании, то время закрывания (интервал между подачей сигнала закрывания и выдачей сигнала с микропереключателя 5) превышает сохраненный в памяти электронного блока допуск данного цикла, при этом электронный блок выдает силовой сигнал ЭСУО 2 на обмотку «открывающего» магнита пневмораспределителя - створка открывается.
зап
При этом время, проходящее от момента остановки створки во время движения до момента срабатывания защиты, зависит от положения створки в момент остановки, однако, учитывая, что реальный зажим пассажира происходит в самом конце хода при почти закрытом положении двери, это время будет минимальным и практически равным величине t.
При нормальном закрывании двери сигнал с датчика конечного закрытого положения 5 проходит на электронный блок в виде отключения силового сигнала напряжения питания, поэтому кроме блокировки функции защиты в соответствии с алгоритмом, заложенным в микропроцессор, происходит также обесточивание выходного ключа электронной схемы, что полностью исключает возможность самопроизвольного открывания двери во время движения.
Необходимый эффект повышения надежности системы достигается за счет исключения деталей и узлов - щелевых магниточувствительных датчиков движения и подвижных стальных реек с отверстиями, а также специальных крепежных деталей.
Кроме того, данное устройство может быть применено не только в пневмоприводах линейного типа, но и в пневмоприводах поворотного типа, где шток пневмоцилиндра связан с дверью через несколько сложных передаточных звеньев.
В данной системе контроль за моментом зажима какого-либо объекта возложен только на электронный блок и на стандартный автомобильный микропереключатель, выполняющий роль датчика конечного закрытого положения
Предлагаемое изобретение является полностью электронным устройством без пружин, механизмов натяжения, подшипников, механических передач, роликов и их блоков и т.д., а также без скользящих и трущихся деталей. Вся информация поступает со штатных кнопок открывания и закрывания из кабины водителя и с микропереключателей конечных положений (в общем случае - как закрытого, так и открытого положений), при этом микропереключатель конечного закрытого положения одновременно служит для сигнализации. Если не использовать функцию зашиты при открывании (что не требуется правилами безопасности), то строгая фиксация открытого положения необязательна, и дополнительным устройством для обеспечения защиты от зажима при закрывании является только электронный блок. Поэтому можно гарантированно судить о более надежной работе данного устройства и простоте обработки информации.
Если в системе защиты от зажима кроме датчика (микропереключателя) закрытого положения применить дополнительно датчик (микропереключатель) открытого положения, то по правилам, аналогичным описанным для процесса закрывания, можно организовать защиту пассажира от зажима открывающейся дверью, что актуально для некоторых конструкций дверей транспортных средств, хотя и не требуется правилами безопасности.
На чертеже изображено:
ЭСВЦC - электрический сигнал на внешнюю цепь сигнализации;
ЭСУО 1 - электрический сигнал управления открытием (подается водителем в виде импульсов);
ЭСУО 2 - электрический сигнал управления открытием (при защите от зажима) - генерируется электронным блоком;
ЭСУЗ - электрический сигнал управления закрытием (подается водителем в виде импульсов).
Источники информации
1. СА 2218946.
2. RU 2313457 С2.