汽車車門防磕碰止動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫鳳婷 趙世浩 王靖淞 趙強(qiáng)

摘要：為避免乘客及駕駛員在車門開啟時(shí)因車門磕碰而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失及保養(yǎng)問題，以汽車車門門腳位置的超聲波傳感器測(cè)出的距離作為判別參數(shù)，以STC89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一種防汽車車門磕碰止動(dòng)控制系統(tǒng)。以電磁鐵為核心制作電磁夾持器，并進(jìn)行有限元分析，選擇夾持器合適結(jié)構(gòu)。研究表明，該系統(tǒng)能有效防止因車門磕碰造成的經(jīng)濟(jì)損失以及汽車保養(yǎng)問題。

關(guān)鍵詞：車門防磕碰;超聲波測(cè)距;電磁夾持器;車門限位器;有限元分析

0? 引言

近年來，隨著我國(guó)汽車保有量的增長(zhǎng)與停車位的日益緊張，汽車保養(yǎng)問題頻發(fā)，其中因車門磕碰造成的經(jīng)濟(jì)損失占比較大。為避免汽車車門開啟時(shí)的磕碰問題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者設(shè)計(jì)了車門防磕碰裝置：黃建明等設(shè)計(jì)了由減震塊、卡槽、磁鐵組成的一種防磕碰夾具[1];馮少嬋等設(shè)計(jì)了一種車門防碰撞系統(tǒng)[2]。但因?qū)τ布O(shè)備要求高、成本高、適用性低等原因，汽車車門防磕碰技術(shù)目前尚未得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)查找后了解，未有類似于本文的控制系統(tǒng)出現(xiàn)。

本文以汽車車門位置的超聲波傳感器作為判別參數(shù)，以STC89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一種汽車車門防磕碰止動(dòng)控制系統(tǒng)。通過測(cè)試不同型號(hào)的電磁鐵，選擇最適合的型號(hào)并以其為核心制作電磁夾持器;并進(jìn)行有限元分析，選擇夾持器合適的結(jié)構(gòu)。

1? 汽車車門防磕碰止動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

此系統(tǒng)包括三個(gè)模塊，包括信號(hào)采集模塊、中央處理模塊、執(zhí)行模塊。

其中，由車門門腳位置處的超聲波傳感器組成信號(hào)采集模塊，由信號(hào)處理電路、單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路組成中央處理模塊，以及由電磁夾持器、LED燈條、蜂鳴器組成執(zhí)行模塊。系統(tǒng)模塊如圖1所示。

1.2 工作原理

基于此系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)為：在初始階段，在單片機(jī)的屏幕上鍵入開啟鍵，使得設(shè)備初始化，此時(shí)開始超聲波傳感器即實(shí)時(shí)測(cè)距，并實(shí)時(shí)把信號(hào)傳遞給中央控制單元;中央控制單元接受并處理信號(hào)，此時(shí)車內(nèi)顯示屏同步顯示本車車門距其他車輛或前方障礙物的距離;同時(shí)中央處理模塊判斷障礙物的距離是否小于10cm，若不小于10cm，則汽車車門開啟不受阻，車門可順利開啟;若距離小于10cm，單片機(jī)即向執(zhí)行模塊下達(dá)指令，一方面LED燈條通電并亮起、蜂鳴器發(fā)出警報(bào)以提醒使用者注意小心開門，謹(jǐn)防車門磕碰;另一方面電磁鐵通電，電磁夾持器開啟，使得托盤被吸住，軟橡膠與限位器主臂之間摩擦力增大從而使車門開啟受阻，避免車門磕碰;此后，按車內(nèi)屏幕上的復(fù)位鍵，此系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位后電磁夾持器停止作用，使得車門能夠順利關(guān)閉再?gòu)钠渌囬T出去或以一個(gè)較小的角度開啟本側(cè)車門，從本車門出車，60s后超聲波傳感器即立即開始實(shí)時(shí)測(cè)距。

2? ?機(jī)械執(zhí)行部分設(shè)計(jì)

LED燈條位于車窗輪廓邊緣外處，超聲波傳感器位車門門腳處;單片機(jī)的顯示屏位于車門內(nèi)側(cè)，與蜂鳴器位置相同。超聲波傳感器于車門門腳位置處發(fā)出超聲波，實(shí)時(shí)探測(cè)本車車門距其他車輛車門的距離。車門限位器位于車門內(nèi)側(cè)的門腳處。電磁夾持器由電磁鐵、托盤和夾持器組成，電磁夾持器的安裝位置與車門限位器的相對(duì)位置如圖2所示。

對(duì)于電磁夾持器，電磁鐵的選用有至關(guān)重要的作用。表1列舉了六種不同型號(hào)的電磁鐵在通電的情況下的六種磁力，軟橡膠的動(dòng)摩擦系數(shù)取0.7，電磁鐵自身重力取25N，在通電的情況下電磁夾持器對(duì)限位器主臂的阻力不同。根據(jù)雷學(xué)明等對(duì)汽車車門限位器布置設(shè)計(jì)的研究中，汽車車門開啟時(shí)最大限位器力為127N[3]，由表1可知，若選用300N的電磁鐵，此時(shí)限位器主臂受阻力為192.5N，與127N相差不大。因此本文中電磁鐵選用吸力400N的。

3? 中央處理模塊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

核心代碼用于單片機(jī)判斷距離信號(hào)以及向執(zhí)行模塊發(fā)出指令。

if（（Size>0）&&（Size<101）&&（F_Start==0））//距離在范圍之內(nèi)

{

Beep? = 1;? ? ? ?//蜂鳴器處于高電平，發(fā)出警報(bào)

LED? ?= 0;? ? ? ?//LED處于低電平，LED燈條放光

Relay = 0;? ? ? ? //繼電器處于低電平，繼電器吸合，電磁鐵通電并產(chǎn)生磁吸力

}

Else

{

Beep? = 0;? ? ? //蜂鳴器處于低電平，不響應(yīng)

LED? ?= 1;? ? ? //LED處于高電平，LED燈條不響應(yīng)

Relay = 1;? ? ? ?//繼電器處于高電平，繼電器不響應(yīng)

}

}

4? 電磁夾持器有限元模型分析

為了選擇合適夾持器的結(jié)構(gòu)，本文對(duì)夾持器進(jìn)行有限元分析。通過UG.NX12.0建立三維模型，再直接導(dǎo)入NX Nastran進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加荷載和邊界條件。

應(yīng)力分布云圖見圖3，從應(yīng)力分析結(jié)果可知，電磁夾持器最大Von Mises應(yīng)力值為180.846MPa，本文采用的材料為45號(hào)鋼，其屈服極限為355MPa，位于施加固定約束的圓柱下端邊緣處，本文安全系數(shù)取1.5，通過計(jì)算355/1.5=236.67>180.846，因此滿足強(qiáng)度要求。

5? 結(jié)論

汽車車門防磕碰止動(dòng)控制系統(tǒng)合理利用超聲波傳感器來采集信號(hào)，用單片機(jī)作中央處理，并把電磁夾持器、LED燈條、蜂鳴器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)原車改造少、可靠性高、成本低、適用性高。研究表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷本車門距其他車輛車門的距離是否為危險(xiǎn)距離，并及時(shí)做出止動(dòng)，有效避免了因車門磕碰造成的經(jīng)濟(jì)損失和汽車保養(yǎng)的一系列問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃建明，黃強(qiáng)，岳玉鵬.車門防磕碰夾具[P].CN207889871U，2018-09-21.

[2]馮少嬋，王東生，孫燦，張進(jìn)明.一種車門防撞系統(tǒng)及汽車[P].CN207029006U，2018-02-23.

[3]雷學(xué)明，班正逸，周利民.車門限位器布置設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2014（01）：29-32.