一種基于功能安全的座椅系統防夾方案*

伍伊軍，張小波，張 強，劉 欽

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

座椅系統是汽車的重要組成部分，但在使用過程中，乘客在調整座椅時可能會發生夾傷事故，給乘客帶來傷害和不便。因此，如何設計一種基于功能安全的座椅系統防夾方案，已成為汽車制造商和設計師們亟需解決的問題。近年來，隨著ISO 26262標準的出臺，座椅系統的安全性得到了更高的重視?；诠δ馨踩淖蜗到y防夾方案應該考慮如何在座椅調節時避免夾傷，如何在發生夾傷時及時停止調節，以及在設計座椅時充分考慮乘客的安全和舒適度等因素。本文將探討基于功能安全的座椅系統防夾方案的設計思路和實現方法。

1 座椅系統基本設計

汽車座椅調節系統是汽車座椅的一個重要部分，用于調整座椅的高度、角度和前后位置等，以適應不同身高和體型的乘客，提高乘坐舒適度和安全性。下文將對汽車座椅調節系統的主要調節方式進行介紹。如圖1所示。

圖1 座椅調節系統主要調節方式

1）前后調節：前后調節是汽車座椅最基本的調節方式，用于調整座椅與踏板之間的距離。

2）高度調節：高度調節是調節座椅高度的一種方式，用于適應不同身高的乘客。

3）角度調節：角度調節是調節座椅傾斜角度的一種方式，用于適應不同乘客的坐姿需求。

4）腰部支撐調節：腰部支撐調節是調節座椅腰部支撐的一種方式，用于提高乘客的舒適度和健康性?？紤]到乘客的身體特征和座椅調節方式等因素，腰部支撐調節通過機械手動手柄來實現，機械手動手柄位于座椅側面。

5）頭枕高度調節：頭枕高度調節是調節座椅頭枕高度的一種方式，用于適應不同身高的乘客?？紤]到乘客的身體特征和座椅調節方式等因素，頭枕高度調節采用機械手動手柄來實現，機械手動手柄位于頭枕后面。

6）座椅加熱、通風和按摩等功能：一些高端汽車座椅還可能配備加熱、通風和按摩等功能，以提高乘客的舒適度和健康性。這些功能通常通過按鍵或中控臺上的控制面板來實現。

前后調節、高度調節和角度調節通常通過手柄或按鍵來實現，手柄通常位于座椅下方或側面，按鍵則位于座椅側面或中控臺上。本項目采用按鍵方案。

總之，汽車座椅調節系統是現代汽車中不可或缺的一個部分，通過多種調節方式來適應不同的乘客需求，提高乘坐舒適度和安全性。限于篇幅，本文選取座椅角度調節功能做進一步闡述。

2 座椅安全分析

2.1 座椅安全風險分析

通過對座椅系統進行風險評估，確定潛在的安全風險和可能的危害是當務之急。HAZOP（危險與操作性分析）和HARA（危害分析和風險評估）都是針對系統安全的分析方法，但它們的重點和應用場景有所不同。

HAZOP分析通過引導詞，如過大、反向、缺失和鎖死等引導風險識別的過程，以系統功能為分析對象，旨在盡可能全地覆蓋功能故障或失效狀態下的危害場景，以提供系統安全性能改進基礎條件。

HARA分析將基于系統具體運行條件和HAZOP分析的結果，推導出可能導致的危害事件，并基于標準規范內對暴露度、危害度和可控度的定義，通過參考實測數據、理論模型仿真數據和經驗值等，對危害事件進行打分，由此判斷系統功能應達到的安全完整度等級，進一步分析對應的安全狀態和故障容錯時間，從而為后續系統安全設計提供數據。

通過對座椅系統安全性能進行分析（HAZOP分析、HARA分析），可輸出SG（安全目標），進而確定系統的SR（安全性要求）。

2.2 座椅安全需求目標分解

按照ISO 26262流程，座椅的功能安全目標（SR）進一步地分解成FSR、TSR和HSR。如圖2所示。

圖2 安全目標分解

1）FSR（Functional Safety Requirements，功能安全要求）：主要關注系統的功能安全要求，確保系統在功能異常情況下能夠維持相應等級的安全性能。FSR的目標是確保系統在設計、開發、測試和驗證過程中滿足功能安全要求。

2）TSR（Technical Safety Requirements，技術安全要求）：主要關注系統的技術安全要求，包括硬件、軟件和通信等技術方面的要求。TSR的目標是確保系統的技術安全性能達到要求，以滿足FSR的要求。

3）HSR（Hardware Safety Requirements，硬件安全要求）：主要關注系統的硬件安全要求，包括硬件設計、硬件測試和硬件驗證等方面。HSR的目標是確保系統的硬件安全性能達到要求，以滿足FSR和TSR的要求。

2.3 系統功能安全要求FSR

ANSYS medini analyze可以有效地幫助汽車OEM廠商在系統的全產品生命周期中進行功能安全分析和驗證，從而確保系統的安全性能達到要求。

結合ANSYS medini analyze軟件從4個方面分析功能安全要求(FSR)：①輸入系統座椅角度調節異常的功能安全要求（檢測，判定和確認異常)；②處理計算系統座椅角度調節異常的功能安全要求（檢測，判定和確認異常)；③輸出系統座椅角度調節異常功能安全要求（檢測，判定和確認異常)；④當出現違背安全的異常時的處理方式(處理異常)。

3 座椅系統安全設計

座椅系統角度調節安全設計是汽車安全設計中的一個重要組成部分。座椅系統角度調節的安全設計需要考慮乘客在發生碰撞事故時的安全，以及乘客在長時間乘坐時的舒適度。

角度調節機構指可以調節物體角度的機構，例如座椅的角度調節機構可以調節座椅的前后傾斜角度。角度調節機構的工作原理通常是通過杠桿原理或齒輪傳動實現，通過操作手柄或按鈕來控制機構的運動，從而達到調節角度的目的。在使用角度調節機構時，需要注意機構的穩定性和可靠性，避免因機構失效而導致的安全隱患。同時，需要根據機構的使用環境和使用目的進行調節，以確保機構的調節角度符合使用要求。

3.1 座椅角度調節功能安全架構（圖3）

圖3 座椅角度調節功能架構

座椅角度調節結合霍爾信號和電流信號進行夾持判斷。具體來說，使用霍爾信號的脈沖個數來描述車窗的位置，以此確定座椅是否處于夾持區域內，同時，比較當前電機電流與設定的電流閾值的大小，來判斷座椅是否受到過大的力，最終完成夾持識別。

具體為建立座椅角 度調節電機的位置坐標系，以座椅角度調節電機向下運動所能達到的極限位置作為位置的零點，即座椅角度調節電機底部。相應的，上止點為座椅角度調節電機高度，即座椅角度調節電機頂部，以Ha表示。座椅角度調節電機每轉一圈，霍爾傳感器會輸出固定個數的霍爾脈沖，可以以座椅角度調節電機處于下止點時為變量p的零點。當座椅角度調節電機上升時，傳感器發出的脈沖高電平個數增大p；當座椅角度調節電機下降時，類似地減小p。因此，p的數值可以衡量座椅角度調節電機相對于下止點的距離，將其定義為座椅角度調節電機的位置。如果座椅角度調節電機由下止點無中斷到達上止點，則此時的脈沖個數可以代表座椅角度調節電機的最大行程，將其賦給Ha并記錄下來。通過比較實時的p值與Ha，可以判斷座椅角度調節電機是否處于防夾區。Ha即為防夾參數中的位置參數。

3.2 座椅控制器狀態遷移

座椅角度調節電機狀態遷移過程指座椅角度調節電機從一種狀態轉變為另一種狀態的過程。在功能安全方面，座椅角度調節電機狀態遷移是一個重要的問題，因為座椅角度調節電機狀態的變化可能會導致潛在的危險或故障。因此，需要對座椅角度調節電機狀態遷移過程進行設計，如圖4所示，以確保電機在狀態轉移過程中的安全性和可靠性。其狀態說明如下。

圖4 座椅控制器狀態遷移

1）停止模式是指電機控制器處于無電源輸出狀態，所有功能都停止運行，只有當控制器接收到開啟信號ON時，才會啟動并進入初始化模式。

2）初始化模式是電機控制器在接收到開啟信號ON后進入的自檢模式，主要包括軟件運行環境準備和檢測、硬件檢測、電壓檢測等。在這個模式下，電機控制器會檢查自身的各項參數和功能是否正常，以確保在操作模式下能夠正常工作。

3）操作模式是電機控制器的工作模式之一，此時轉矩輸出處于激活狀態。電機控制器會根據輸入的轉矩或轉速要求，計算電機所需的電流并輸出相應的轉矩或轉速。在操作模式下，電機控制器會持續監測電機的運行狀態，并根據需要調整輸出的轉矩或轉速，以滿足系統的要求。

4）執行后模式是電機控制器的一種工作模式，此時轉矩輸出功能處于不激活狀態，控制器會保存相關的參數，并反饋執行結果等。在執行后模式下，電機控制器不會輸出轉矩或轉速信號，但會記錄相關的參數，以便后續的分析和處理。此模式常用于測試、校準和調試等場合。

5）關閉模式是電機控制器的一種安全模式，此時轉矩輸出和通信等都不激活。在經過一定的延時后，控制器會進入停止模式。關閉模式常用于緊急情況下的安全停機，或者在電機控制器長時間不使用時的自動關機。這種模式可以保證電機控制器在不需要工作時能夠停止運行，避免不必要的電源消耗和潛在的安全隱患。

6）錯誤模式是電機控制器的一種工作模式，此時轉矩輸出不被激活。當處理完成后或收到控制器OFF信號時，電機控制器會進入執行后模式。錯誤模式常出現在電機控制器故障或異常情況時，為了保護電機和系統安全而采取的措施。在錯誤模式下，電機控制器會停止輸出轉矩或轉速信號，以避免進一步的損壞。

7）縮退模式是電機控制器的另一種工作模式，當出現某些不理想的環境條件時，比如回采的電壓偏低或偏高，電機控制器會進入縮退模式。在縮退模式下，轉矩輸出仍處于激活狀態，但輸出會受到限制。當不理想的環境條件移除或消失時，電機控制器會遷移到操作模式?？s退模式常用于保護電機和系統安全，以避免在不良環境下夾傷后排人體。

4 結論

基于功能安全的座椅調節設計是汽車座椅設計中的一個重要方面。經過多年的研究和實踐，得出了以下結論。

1）座椅調節功能應符合ISO 26262標準中的安全要求，以確保在發生故障時能夠保證乘客的安全。

2）座椅調節功能具備故障檢測和故障處理等功能，以確保在發生故障時能夠及時采取措施。

總之，基于功能安全的座椅調節設計是汽車座椅設計中不可或缺的一個組成部分，通過符合ISO 26262標準中的安全要求，以及與其它系統相互協調，具備穩定性和耐久性等多種措施，可以提高乘客的安全性和舒適度，保障乘客的生命安全。