手電動(dòng)汽車座椅調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)機(jī)的研制

孫偉東，吳剛，徐毅

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

隨著中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車座椅舒適性的關(guān)注也逐年升高，其中汽車座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的可靠性問(wèn)題尤為重要，所以國(guó)內(nèi)外汽車座椅廠商對(duì)汽車座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)耐久試驗(yàn)有巨大的試驗(yàn)需求[1-2]。

國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 740中涉及的汽車座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)耐久試驗(yàn)規(guī)范了縱向調(diào)節(jié)以及靠背調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)都有高低溫試驗(yàn)要求，而國(guó)內(nèi)大多數(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)均沒(méi)有通用可移動(dòng)式的試驗(yàn)臺(tái)架，出入環(huán)境箱較為不便。再加上相較于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外整車廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中不僅在試驗(yàn)程序步驟以及環(huán)境溫度的要求上更為復(fù)雜，而且還對(duì)高度疲勞耐久試驗(yàn)有相應(yīng)的要求。針對(duì)此類試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)座椅廠商基本購(gòu)買國(guó)外進(jìn)口成套設(shè)備，價(jià)格昂貴且二次開(kāi)發(fā)能力差，給國(guó)內(nèi)中小型企業(yè)帶了極大的負(fù)擔(dān)[3-5]。

整個(gè)手電動(dòng)汽車座椅調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)機(jī)難點(diǎn)在于要滿足各種標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜的循環(huán)耐久程序，更要將3種疲勞耐久試驗(yàn)的執(zhí)行動(dòng)作在同一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架上模擬出來(lái)，并且在-40～80 ℃的環(huán)境下都能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)動(dòng)作需求。

1 手電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)耐久控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1、圖2所示，此系統(tǒng)使用西門子S7-1200 1214C DC/DC/DC作為主控單元，采用博途V14軟件進(jìn)行模塊化編程，14路數(shù)字量輸入、10路晶體管輸出可以滿足此系統(tǒng)的需求[6-7]；系統(tǒng)設(shè)置了4路執(zhí)行器通道，可在一次試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)4個(gè)執(zhí)行器的聯(lián)合動(dòng)作；最大支持16步循環(huán)程序，在每一步循環(huán)程序中可以選擇具體的控制通道以及具體需實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行器動(dòng)作，基本滿足了大部分調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)的需求；對(duì)于手動(dòng)調(diào)節(jié)座椅，PLC根據(jù)16步循環(huán)程序中的設(shè)置，輸出相應(yīng)數(shù)字量控制固態(tài)繼電器通斷，固態(tài)繼電器再控制電磁換向閥從而控制氣缸，此系統(tǒng)采用8個(gè)固態(tài)繼電器和電磁換向閥控制4通道的雙作用氣缸動(dòng)作，在程序中還可以在每一步循環(huán)程序結(jié)束后進(jìn)行延時(shí)設(shè)置，每一路氣缸動(dòng)作都接有調(diào)速閥，可以對(duì)控制速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)的具體頻率都有明確要求；對(duì)于電動(dòng)調(diào)節(jié)座椅的控制過(guò)程，與手動(dòng)調(diào)節(jié)座椅不同的是固態(tài)繼電器得電后直接將穩(wěn)壓直流電源的直流電輸給座椅直流電機(jī)，使電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，控制方法上要比手動(dòng)調(diào)節(jié)座椅簡(jiǎn)單，電機(jī)速度也可以通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓直流電源的電壓來(lái)控制，一般標(biāo)準(zhǔn)要求輸出13.5 V的直流電源。

圖1 總體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 控制系統(tǒng)實(shí)物

1.2 觸摸屏操作面板設(shè)計(jì)

觸摸屏采用昆侖通態(tài)MGCS TPC1061Ti嵌入式一體化觸摸屏，與PLC之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[8]。如圖3、圖4所示：在觸摸屏的主界面可以設(shè)置循環(huán)測(cè)試次數(shù)以及每個(gè)動(dòng)作的間隔時(shí)間，并且可以切換手自動(dòng)控制模式；自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控與I/O監(jiān)控欄實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)情況，每個(gè)通道的延時(shí)時(shí)間也會(huì)以ms的數(shù)量級(jí)顯示在自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控欄中，而每個(gè)執(zhí)行器的動(dòng)作也會(huì)顯示在I/O監(jiān)控欄，這樣的設(shè)計(jì)好處在于當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以清楚地知道是哪路執(zhí)行器或者感應(yīng)開(kāi)關(guān)沒(méi)有接收到信號(hào)；手動(dòng)操作模式采用點(diǎn)動(dòng)操作。在觸摸屏可編程界面中為保證循環(huán)系統(tǒng)的可編程性，除了在主界面設(shè)置總循環(huán)次數(shù)之外，在每?jī)刹胶蠖伎梢栽O(shè)置每?jī)刹降难h(huán)次數(shù)，該設(shè)置在高度調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)中是必用功能。

圖3 觸摸屏界面

如圖4所示，在可編程界面中，可以對(duì)每個(gè)循環(huán)步驟的控制模式進(jìn)行選擇，分別為感應(yīng)控制模式與時(shí)間控制模式。選擇感應(yīng)控制模式時(shí)系統(tǒng)只有檢測(cè)到接近開(kāi)關(guān)信號(hào)才會(huì)執(zhí)行下一步驟；而選擇時(shí)間控制模式，就需在時(shí)間控制設(shè)定框中設(shè)置執(zhí)行時(shí)間，執(zhí)行完相對(duì)應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)才會(huì)執(zhí)行下一步驟。

圖4 通道控制模式切換

2 試驗(yàn)臺(tái)架及其附件機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)方式的模擬實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，不需要特殊的執(zhí)行器去代替人的操作，只需要給汽車座椅電機(jī)得電即可，所以所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其附件都針對(duì)手動(dòng)座椅，電動(dòng)座椅只需能固定在臺(tái)架上即可。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)架要求在使用同一個(gè)控制器的條件下在一種臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)縱向調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)、靠背調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)以及高度調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)，并且由于不同座椅廠的座椅在大小、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上都有區(qū)別，所以要求臺(tái)架的前后高度以及執(zhí)行器的位置均可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；再加上由于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中都含有帶溫度環(huán)境下的循環(huán)耐久試驗(yàn)，為方便出入步進(jìn)式環(huán)境箱，該試驗(yàn)臺(tái)架必須在保證相應(yīng)功能要求的條件下更加輕便，便于工作人員移動(dòng)。試驗(yàn)臺(tái)架總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架總體設(shè)計(jì)

整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架主要由兩部分構(gòu)成：

(1)底座臺(tái)架。下方安裝4個(gè)腳輪以滿足臺(tái)架的可移動(dòng)性要求；在底座臺(tái)架的最上方裝有2根安裝桿，安裝桿上可以放置汽車座椅夾具固定樣品，安裝桿下可以安裝直線氣缸(該氣缸配合滾輪可作為靠背調(diào)節(jié)的執(zhí)行器)。

(2)可動(dòng)臺(tái)架。可動(dòng)臺(tái)架通過(guò)兩邊直線導(dǎo)軌連接在底座臺(tái)架上，滿足了不同尺寸大小汽車座椅的安裝要求；可動(dòng)臺(tái)架中間裝有兩根安裝桿，通過(guò)兩端調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這兩根安裝桿可以進(jìn)行高度和角度調(diào)節(jié)(兩個(gè)自由度的可調(diào)是為了適應(yīng)不同座椅的縱向、靠背調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)要求)。

電動(dòng)座椅的疲勞耐久試驗(yàn)只需將座椅連其夾具安裝在底座臺(tái)架上即可；而手動(dòng)座椅的疲勞耐久試驗(yàn)需要配合可動(dòng)臺(tái)架及其氣缸連接件才能完成其功能。

再加上購(gòu)置了無(wú)熱吸干機(jī)，保證在低溫環(huán)境下氣體的絕對(duì)干燥，不會(huì)因?yàn)樵诘蜏丨h(huán)境下壓縮空氣中的水分而導(dǎo)致各類執(zhí)行器件的結(jié)冰現(xiàn)象。

2.2 手動(dòng)座椅調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

要將縱向調(diào)節(jié)疲勞試驗(yàn)、靠背調(diào)節(jié)疲勞試驗(yàn)以及高度調(diào)節(jié)疲勞試驗(yàn)這3種調(diào)節(jié)方式在一個(gè)臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)，就需要對(duì)3種調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)執(zhí)行器選擇情況如表1所示。

(1)縱向調(diào)節(jié)疲勞試驗(yàn)。如圖6所示，根據(jù)表1中對(duì)執(zhí)行器的選擇，將直線氣缸1通過(guò)連接件固定在座墊骨架的最前端，這樣保證在座椅前后移動(dòng)的過(guò)程中直線氣缸1與試驗(yàn)座椅相對(duì)靜止，通過(guò)鋼絲繩將直線氣缸1與縱向解鎖裝置連接，再將直線氣缸2與試驗(yàn)座椅靠背后部剛性位置緊固連接，保證在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)脫落。整個(gè)試驗(yàn)需要安裝4個(gè)接近開(kāi)關(guān)，縱向解鎖裝置的接近開(kāi)關(guān)可安裝在連接件上，而前后位置的接近開(kāi)關(guān)可隨意擺置，能滿足試驗(yàn)規(guī)定的行程即可。

表1 手動(dòng)座椅疲勞耐久試驗(yàn)執(zhí)行器匯總

縱向調(diào)節(jié)疲勞試驗(yàn)的程序如下所示：初始位置為最前位置，此時(shí)直線氣缸1、2均在伸出狀態(tài)，①直線氣缸1收回(座椅解鎖) ，②直線氣缸2收回(座椅移動(dòng)到最后位置)，③直線氣缸1伸出(座椅上鎖) ，④直線氣缸2伸出(保證座椅處于上鎖狀態(tài))，⑤直線氣缸1收回(座椅解鎖)，⑥直線氣缸2伸出(座椅移動(dòng)到最前位置)，⑦直線氣缸1伸出(座椅上鎖)，⑧直線氣缸2收回(保證座椅處于上鎖狀態(tài))。

其中①、②、③、⑤、⑥、⑦均采用感應(yīng)控制模式，即達(dá)到接近開(kāi)關(guān)所在位置執(zhí)行下一步；而④、⑧采用時(shí)間控制模式，由于通常座椅的最前及最后位置并不是鎖止位置，所以為了在試驗(yàn)過(guò)程中保證解鎖時(shí)座椅處于鎖止?fàn)顟B(tài)，需要在座椅達(dá)到最前或最后位置后再進(jìn)入鎖止位置，設(shè)置一個(gè)短促的動(dòng)作時(shí)間，使座椅達(dá)到鎖止?fàn)顟B(tài)。

(2)靠背調(diào)節(jié)疲勞試驗(yàn)。如圖6所示，將可動(dòng)臺(tái)架上的兩橫桿調(diào)節(jié)相應(yīng)位置，直線氣缸3通過(guò)導(dǎo)輪與座椅靠背骨架頂部鋼絲繩連接，由于在座椅靠背調(diào)節(jié)試驗(yàn)中，靠背解鎖裝置處于解鎖狀態(tài)時(shí)，靠背會(huì)自動(dòng)返回最前位置，所以直線氣缸3只需實(shí)現(xiàn)拉的動(dòng)作即可；靠背解鎖動(dòng)作由旋轉(zhuǎn)氣缸完成，此系統(tǒng)選用的是最大旋轉(zhuǎn)角度180°的可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)氣缸，根據(jù)試驗(yàn)座椅靠背解鎖機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)氣缸角度，在試驗(yàn)中保持旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)中心與試驗(yàn)座椅解鎖機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心一致即可。

圖6 手動(dòng)座椅縱向及靠背調(diào)節(jié)疲勞耐久示意

(3)高度調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)。

如圖7所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)直線氣缸4、5背靠背相互連接形成雙頭氣缸，并且使原來(lái)只有伸出收回兩種狀態(tài)的兩個(gè)氣缸形成了有中位、最高位、最低位3種狀態(tài)的雙頭氣缸。在試驗(yàn)過(guò)程中，該裝置剛性連接在試驗(yàn)座椅上，并且通過(guò)連接件以及軸承固定，使氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬人坐在座椅上旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)把手的動(dòng)作。

在試驗(yàn)過(guò)程中，高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具體動(dòng)作如圖8所示：當(dāng)雙頭氣缸一個(gè)伸出一個(gè)收回時(shí)，雙頭氣缸處于中間位置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)處于中間狀態(tài)；當(dāng)雙頭氣缸兩個(gè)都伸出時(shí)，雙頭氣缸處于最高位置，座椅高度變高；當(dāng)雙頭氣缸兩個(gè)都收回時(shí)，雙頭氣缸處于最低位置，座椅高度變低。初始位置為座椅最低處，循環(huán)程序設(shè)置：①中間位置到最高位置，座椅升高；②最高位置到中間位置(注：①、②為一個(gè)小循環(huán)動(dòng)作，每實(shí)現(xiàn)一個(gè)小循環(huán)座椅高度上升一檔，高度下降時(shí)同理，程序中設(shè)置小循環(huán)次數(shù)，可使座椅達(dá)到最高位置)；③中間位置到最低位置，座椅降低；④最低位置到最高位置。

圖7 手動(dòng)座椅高度調(diào)節(jié)疲勞耐久示意

圖8 高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具體動(dòng)作示意

3 系統(tǒng)運(yùn)行

分別在常溫以及高低溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(見(jiàn)圖9)，按照QC/T 740以及國(guó)內(nèi)某整車廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行3種調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)任何異常。

圖9 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套完整的手電動(dòng)汽車座椅調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)系統(tǒng)，可在該系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)縱向，靠背以及高度3種調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗(yàn)；感應(yīng)控制與時(shí)間控制模式的切換使得原本標(biāo)準(zhǔn)中模糊不清的耐久試驗(yàn)步驟能以更符合實(shí)際情況的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)了3種試驗(yàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，特別是覆蓋了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中高度調(diào)節(jié)疲勞耐久的試驗(yàn)?zāi)芰Γ蝗藱C(jī)界面可以隨時(shí)開(kāi)始、暫停以及終止試驗(yàn)，并能監(jiān)測(cè)各傳感器及執(zhí)行器的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，使整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)交互能力水平大大提高。該系統(tǒng)已經(jīng)為各大中小汽車座椅廠商完成耐久試驗(yàn)，得到了企業(yè)的高度評(píng)價(jià)。