轎車車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)研究

宮玉琳，景治新，文垠錁，宋強(qiáng)

（長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

轎車車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)研究

宮玉琳，景治新，文垠錁，宋強(qiáng)

（長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)也在不斷提高，開關(guān)車門的難易程度成為衡量汽車質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)可以為評(píng)價(jià)車門閉合力提供參考，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)車門性能以及車門和密封條結(jié)構(gòu)有限元理論分析和實(shí)驗(yàn)提供參考標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)車門閉合力測(cè)試方法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)于分析車門結(jié)構(gòu)、車門密封性和車內(nèi)噪聲等具有重要意義。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)試精度高等特點(diǎn)，可以為提高汽車車門關(guān)閉性能的測(cè)試提供重要的幫助。

車門；閉合力；霍爾傳感器

車門閉合力是衡量車門質(zhì)量的重要指標(biāo)，在汽車制造業(yè)采用車門閉合力表征車門的門軸系統(tǒng)與鎖系統(tǒng)的性能。車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)可以為評(píng)價(jià)車門閉合力提供參考，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)車門性能以及車門和密封條結(jié)構(gòu)有限元理論分析和實(shí)驗(yàn)提供參考標(biāo)準(zhǔn)。

美國(guó)、日本等國(guó)家的測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)，通常需要采用三角架來(lái)支撐測(cè)試儀器，使其與車門軸垂直并與車門邊緣距離為5～10mm，同時(shí)在車門相應(yīng)位置粘貼特殊標(biāo)記后才能進(jìn)行測(cè)量，且只能測(cè)試車門邊緣測(cè)試點(diǎn)的線速度，而不具有數(shù)據(jù)處理及阻力值測(cè)試功能，具有一定的局限性。本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)車門閉合速度測(cè)試的同時(shí)，可以對(duì)車門閉合力進(jìn)行測(cè)試，對(duì)分析車門結(jié)構(gòu)、車門密封性和車內(nèi)噪聲等具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景。

1 車門閉合力測(cè)量原理

用手關(guān)閉車門時(shí)，車門獲取一個(gè)繞門軸旋轉(zhuǎn)的初始角速度，然后在車門軸系統(tǒng)等阻力偶作用下產(chǎn)生一個(gè)反向角加速度，角速度逐漸降低。測(cè)量出該角加速度就可以間接側(cè)量出車門軸系統(tǒng)的阻力偶。如圖1所示，車門繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與車門邊緣點(diǎn)的線速度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，車門邊緣考察點(diǎn)的線速度和角加速度可以通過(guò)車門邊緣參考點(diǎn)依次通過(guò)三個(gè)霍爾傳感器（A1、A2和A3）的時(shí)間來(lái)計(jì)算。

圖1 車門閉合力測(cè)量原理

圖1中，α為車門轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度；ω0為角速度；O為轉(zhuǎn)軸；OA為車門初始位置；R為車門寬度。計(jì)算時(shí)，初始角度為φ0；當(dāng)車門轉(zhuǎn)到Ai（i=1，2，3）點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為φi，對(duì)應(yīng)時(shí)間為ti；A1至A2點(diǎn)角度變化為Δφ1，時(shí)間間隔為Δt1；A2至A3點(diǎn)角度變化為Δφ2，時(shí)間間隔為Δt2。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得：

由式（1）可得：

消去ω0得：

由于傳感器間距遠(yuǎn)小于車門寬度R，因此用傳感器間距代替車門轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)，即：

因此，由式（3）可計(jì)算得到車門角加速度α為：

車門可以看作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體，忽略門軸不鉛垂等影響，門軸阻力偶可看作常量，可得阻力偶M為：

式中，J0=mρ2為車門繞門軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為車門質(zhì)量；ρ為車門的回轉(zhuǎn)半徑。

車門閉合速度v可由式（7）計(jì)算得到：

2 車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)組成

車門閉合力測(cè)試儀組成如圖2所示，車門位置通過(guò)霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)，霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和調(diào)理電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，信號(hào)輸入到微控制器，觸發(fā)中斷并開始計(jì)時(shí)，微控制器根據(jù)定時(shí)器得到時(shí)間Δt1和Δt2，并根據(jù)傳感器間距d1和d2、車門寬度R及車門質(zhì)量m，根據(jù)式（6）和式（7）計(jì)算得到車門阻力偶M及車門閉合速度v，計(jì)算得到的結(jié)果通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)。為滿足不同測(cè)試車型的需要，測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)鍵盤設(shè)置車門質(zhì)量M和車門半徑R，測(cè)試結(jié)果可以存儲(chǔ)到EEPROM中并可隨時(shí)讀取出來(lái)。為了方便測(cè)試用戶分析數(shù)據(jù)，測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)通信，將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。

圖2 車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)組成

（1）硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用線性霍爾傳感器SS495A實(shí)現(xiàn)對(duì)車門位置的檢測(cè)，SS495A功能框圖和典型輸出特性如圖3所示，由霍爾電壓發(fā)生器，線性放大器和射極跟隨器組成，其輸入是磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是和輸入量成正比的電壓。SS495A的電源電壓為4.5～10.5V，線性輸出范圍-67～67mT，靜態(tài)輸出電壓2.5V，靈敏度3.125mV/G。

圖3 SS495A功能框圖和典型輸出特性

檢測(cè)原理如圖4所示。當(dāng)車門邊緣經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，通過(guò)霍爾傳感器的磁通量增大，霍爾傳感器的輸出電壓升高，通過(guò)檢測(cè)霍爾元件的輸出電壓即可實(shí)現(xiàn)對(duì)車門位置的檢測(cè)。

圖4 檢測(cè)原理

由于霍爾傳感器輸出電壓變化比較微弱，同時(shí)最大限度抑制噪聲干擾，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和降噪處理，信號(hào)處理電路如圖5所示，圖中為單獨(dú)一個(gè)霍爾傳感器信號(hào)處理電路，其余兩個(gè)傳感器的信號(hào)處理電路相同。圖中I1為霍爾傳感器的輸出，輸出信號(hào)通過(guò)三個(gè)集成運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成儀用放大器，放大倍數(shù)為30倍，放大后的信號(hào)輸入到LM339構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，整形后的信號(hào)輸入到微控制器，用以觸發(fā)中斷。

微控制器電路如圖6所示，微控制器采用Luminary Micro公司的32位ARM處理器LM3S1138，工作頻率達(dá)到50MHz，具有件除法和單周期乘法運(yùn)算單元以及32位定時(shí)器，可以滿足測(cè)試系統(tǒng)所需的高精度計(jì)時(shí)需求。

圖5 信號(hào)處理電路

圖6 LM3S1138微控制器電路

（2）軟件設(shè)計(jì)

軟件流程如圖7所示，當(dāng)車門經(jīng)過(guò)三個(gè)霍爾傳感器時(shí)，三路霍爾傳感器的信號(hào)處理電路依次產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的上升沿將觸發(fā)微控制器中斷，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，記錄下車門經(jīng)過(guò)霍爾傳感器之間的時(shí)間Δt1和Δt2，控制器進(jìn)一步根據(jù)傳感器間距d1和d2、車門寬度R及車門質(zhì)量m，通過(guò)式（6）和式（7）計(jì)算得到車門阻力偶M及車門閉合速度v，并將結(jié)果顯示在液晶屏上。

圖7 軟件流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的有效性，本文搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，如圖8所示，圖8（a）為實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)，測(cè)試過(guò)程中選用一金屬桿模擬車門邊緣，使金屬桿往復(fù)通過(guò)霍爾傳感器，霍爾傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化，輸出的電壓經(jīng)過(guò)放大和整形，得到最終的輸出信號(hào)，用以觸發(fā)微控制器中斷，輸出信號(hào)波形如圖8（b）所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)

由圖可見，當(dāng)金屬桿未通過(guò)霍爾傳感器時(shí)，信號(hào)處理電路輸出一高電平，當(dāng)金屬桿經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，信號(hào)處理電路輸出一個(gè)負(fù)脈沖波形，波形的下降沿即可觸發(fā)微控制器中斷。

為進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)性能，本文將設(shè)計(jì)的車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)與德國(guó)的TGM 4.6車門閉合速度測(cè)試儀進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)（德國(guó)的TGM 4.6車門閉合速度測(cè)試儀只能對(duì)車門閉合速度進(jìn)行測(cè)量），測(cè)量了某汽車車門的閉合速度，如表1所示。

表1 車門邊緣某點(diǎn)線速度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比（單位：m/s）

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)與德國(guó)TGM 4.6測(cè)試儀一致，滿足實(shí)際要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的車門閉合力測(cè)試儀，可以同時(shí)滿足車門閉合速度和閉合力的測(cè)試，精度與德國(guó)的TGM 4.6車門閉合速度測(cè)試儀一致，可以滿足國(guó)內(nèi)外汽車制造企業(yè)和汽車銷售與維修企業(yè)需求，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與國(guó)外昂貴的測(cè)試系統(tǒng)相比具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)且維護(hù)方便，使用成本低，具有廣泛的推廣前景。

［1］劉春雨.轎車車門閉合力測(cè)試系統(tǒng)研制［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2010.

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［4］趙建才，姚振強(qiáng).汽車車門關(guān)閉力測(cè)試裝置［P］.中國(guó)：200510026821.3，2005.

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Research on Closing Force Test System for Car Door

GONG Yulin，JING Zhixin，WEN Yinke，SONG Qiang
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

With the continuous development of automobile technology，the performance of the car is also increasing，the difficulty of opening and closing the door to become an important measure of the quality of one of the criteria.The door closing force test system can provide a reference for evaluating the door closing force，which can provide reference for the further evaluation of the door performance and the finite element theory analysis and experiment of the door and seal structure.In this paper，the test method of door closing force is studied，and the door closing force test system is designed，which is very important for the analysis of door structure，door sealing and interior noise.The simulation and experiment results show that the system has the advantages of simple structure，convenient use and high test precision，which can provide important help for improving the door closing performance test.

car door；closing force；hall sensor

TP23

A

1672-9870（2016）06-0044-04

2016-09-23

宮玉琳（1983-），男，博士，講師，E-mail：garrygong1983@126.com