汽車座椅耐久性測試系統設計及力載荷跟蹤控制

蔡博 檀廷軍 危大波

摘 要：汽車座椅坐墊、靠背、靠背骨架等強度及剛度等疲勞耐久性是汽車座椅總成檢測項目中的重點，但是普遍存在著由于受交變載荷、被測對象剛度及形狀影響而導致出現力載荷跟蹤不準確、延時時間長等問題，嚴重影響了汽車座椅耐久性檢測項目的檢測效率與測試準確性。基于此，搭建了一套以工控機為控制器，伺服電動缸為執行器的控制系統，采用PID算法解決了交變載荷下的力跟蹤誤差大、延時長等問題，取得了良好的試驗效果。

關鍵詞：汽車座椅;疲勞耐久;控制系統;力跟蹤;PID算法

1 前言

隨著人們對汽車乘坐要求的提高及汽車行業的快速發展，汽車座椅檢測的市場需求和應用前景越來越廣泛。汽車座椅是汽車被動保護中起決定性的組成部件，是汽車的重要安全部件。主機廠在汽車座椅采購前均需要進行性能檢測，其性能好壞直接關系到汽車座椅開發、乘員駕乘舒適性、安全性以及消費者使用印象[1-2]。

在汽車座椅總成檢測項目中，汽車座椅坐墊、靠背、靠背骨架等座椅部件的強度、剛度以及疲勞耐久性檢測是座椅總成測試中的重點。同時座椅靠背骨架總成剛度、座椅坐墊向下強度、靠背骨架總成耐久性等測試項目在交變載荷下普遍存在著測試系統搭建復雜，測試流程繁瑣，強度試驗中力跟蹤誤差太大、延時過長等問題，導致在汽車座椅坐墊、靠背、骨架等檢測項目耗時長、檢測不準確[3]。

基于此，本文針對汽車座椅坐墊強度、靠背骨架總成剛度、靠背骨架總成耐久性檢測試驗，搭建了一套通過USB采集卡采集力傳感器、位移傳感器得到的數據，以工控機為控制器、伺服電動缸為執行機構的控制系統;針對在座椅總成疲勞耐久測試中出現的力跟蹤不準確、誤差過大、延時長等問題，采用PID算法進行力跟蹤控制，在試驗中進行參數調節，最后通過試驗驗證，本文設計的控制系統效果良好，具有較強的實用價值與借鑒意義。

2 座椅耐久試驗測試臺控制系統設計與搭建

汽車座椅一般由頭枕、靠背、調節裝置、坐墊和座椅連接件組成。在汽車行駛中，汽車會經歷起步、加速、制動等復雜工況，座椅要承受復雜的載荷，因而必須有足夠的強度、壽命以及受沖擊、交變載荷時不會發生斷裂、嚴重變形等損壞現象[4-5]。對于汽車座椅總成的檢測，主要參考標準《QC/T 740 乘用車座椅總成》中的試驗方法，其中對座椅坐墊向下強度、靠背骨架總成剛度、靠背骨架總成耐久性等試驗的技術要求和試驗方法都有了明確規定，即將座椅（坐墊、骨架總成、靠背等）安裝到剛性夾具上，將試驗夾具固定在工作臺上，需要施加一個在標準中規定的循環交變載荷，經過一定次數的循環載荷，以此考察座椅坐墊、靠背、靠背骨架總成的強度、剛度、耐久性能。

考慮試驗中的重復性以及對被測物體施加載荷的穩定性，選擇伺服電動缸作為執行機構，伺服電動缸主要將電機的回轉運動轉化為直線運動，實現電動缸的加載[6];考慮到試驗測試車間工作環境的現場環境，選擇工控機作為控制系統的控制器，主要完成算法控制，分析并保存數據;力傳感器實時采集加載力的變化，并將數據上傳到工控機，搭建汽車座椅疲勞耐久性測試系統，硬件系統如圖1所示。

整個硬件系統主要由力傳感器、位移傳感器、伺服電動缸（伺服電機、驅動器以及傳動部件等）、工控機、USB采集卡、RS232通訊線纜等，將被測物體安裝以及力傳感器、位移傳感器安裝在伺服電動缸的輸出軸上，通過USB采集卡采集被檢測物體所受的壓力及位移量信息，工控機根據采集到的信息進行控制，伺服驅動器驅動伺服電動缸作用于被檢測物體，完成整個檢測測試試驗。

完成整個硬件系統設計后，需要對相關的硬件設備進行選型，分別對工控機、USB采集卡、伺服電動缸等部件進行選型，如表1所示。

3 座椅耐久試驗測試臺軟件系統搭建

控制系統是汽車座椅試驗測試臺的核心部分，通過控制系統將實現試驗臺機械結構系統與電氣控制部分的自動化控制，實現試驗臺控制系統的軟件有很多種，但是考慮軟件控制系統搭建的便捷性與易操作性，基于Labview軟件利用與實際儀器相似的各種控件進行可視化編程，可大大簡化、降低軟件的開發周期[7]。

在利用Labview中的控件以及各種函數模塊搭建汽車座椅耐久性測試系統之前，采用PID算法進行電動伺服力閉環系統控制建模，由于座椅坐墊、靠背骨架等在強度、剛度耐久性測試中處于交變載荷的試驗環境，需要保證力載荷的實時性、準確性、低時延，建立如圖2所示的電動伺服力閉環控制系統。

在工業控制系統中，PID控制結構簡單、魯棒性好、適應性強，在工業控制中有廣泛的應用[6]，在汽車座椅坐墊、靠背骨架、靠背骨架總成強度、剛度、耐久性測試中，考慮現場作業環境以及試驗的操作便捷性，試驗測試臺的控制算法選擇PID算法模型，針對汽車座椅頭枕、坐墊、靠背、靠背骨架等不同剛性的剛柔性被檢測物體，只需要在Labview中調整P、I、D這三個參數即可，調整方便、快捷、易于實現[8]。

Labview程序框圖控制面板中有封裝好的PID模塊，因而可以直接調用，嵌入到控制系統程序框圖中，在Labview中搭建汽車座椅耐久性測試系統，如圖3所示。由于工作現場環境的干擾，導致力、位移傳感器實時采集得到的數據會受到干擾而導致數據跳躍，采用數據濾波等方法消除系統中的干擾因素，且在PID控制中需要進行輸出范圍限制防止控制算法無法進行收斂。

4 試驗結果分析

完成汽車座椅耐久性測試硬件系統搭建與Labview軟件控制程序撰寫后，進行硬件連接與軟件調試，參照GB/T 740 乘用車座椅總成中對座椅坐墊、靠背骨架等的技術要求和試驗方法，基于汽車座椅坐墊進行加載試驗，得到的試驗結果如圖4所示。

Labview中已封裝好PID模塊，可以在線設置P、I、D三個參數并進行在線調整，按照試驗步驟進行試驗，以30N/s的速度進行座椅坐墊力加載至400N，保持2s，得到力加載曲線圖，從試驗結果中可以看出，力加載實時曲線與所設定的目標力曲線基本重合，力誤差范圍在±10N以內，力跟蹤效果良好，滿足座椅坐墊、靠背、骨架總成等部件測試的強度、剛度的耐久檢測要求。

5 結論

針對汽車座椅坐墊、靠背骨架總成剛度、靠背骨架總成耐久性等疲勞耐久性試驗，本文設計了一套以工控機為控制核心，伺服電動缸為執行機構的控制系統;針對不同材料、剛度等物理特性不同的座椅坐墊、靠背骨架在強度、剛度耐久性檢測試驗出現的力跟蹤誤差過大、延時時間長的問題，采用PID算法解決了力載荷跟蹤過程中誤差大、精度不夠的問題，對汽車座椅坐墊、靠背骨架的疲勞耐久性檢測試驗提供了參考與借鑒，有較強的實用價值。

參考文獻：

[1]杜長江，田澤洋，從云鵬，et al. 座椅模擬人體進出耐久測試的評價參數研究[J]. 汽車零部件，2020（2）：64-69.

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[3]馬浩松. 座椅骨架疲勞強度試驗的開發與研究[D]. 上海交通大學，2007.

[4]王志明，鄧明亮，蔡慶楠. 基于汽車座椅的多功能加載試驗機[J]. 機械工程，2009（11）：94-97.

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[6]華明亞，王志明，方征. 基于模糊PID控制的汽車座椅測試系統的設計[J]. 計量與測試技術，2017（9）：109-112.

[7]李會明，姜濤，張桂林. 基于LabVIEW的座椅試驗臺控制系統設計[J]. 機械工程師，2016（2）：107-110.

[8]暢妍妍，王志明，周舟，方征. 基于神經網絡PID的汽車座椅強度測試控制[J]. 計量與測試技術.2018，45（1）：1-4.