轿车车门闭合力测试系统研究

宫玉琳，景治新，文垠锞，宋强

（长春理工大学电子信息工程学院，长春 130022）

轿车车门闭合力测试系统研究

宫玉琳，景治新，文垠锞，宋强

（长春理工大学电子信息工程学院，长春 130022）

随着汽车技术的不断发展，汽车的各项性能指标也在不断提高，开关车门的难易程度成为衡量汽车质量的重要标准之一。车门闭合力测试系统可以为评价车门闭合力提供参考，为进一步评价车门性能以及车门和密封条结构有限元理论分析和实验提供参考标准。对车门闭合力测试方法进行了研究，设计了车门闭合力测试系统，对于分析车门结构、车门密封性和车内噪声等具有重要意义。仿真和实验表明，系统具有结构简单、使用方便、测试精度高等特点，可以为提高汽车车门关闭性能的测试提供重要的帮助。

车门；闭合力；霍尔传感器

车门闭合力是衡量车门质量的重要指标，在汽车制造业采用车门闭合力表征车门的门轴系统与锁系统的性能。车门闭合力测试系统可以为评价车门闭合力提供参考，为进一步评价车门性能以及车门和密封条结构有限元理论分析和实验提供参考标准。

美国、日本等国家的测试系统在测试时，通常需要采用三角架来支撑测试仪器，使其与车门轴垂直并与车门边缘距离为5～10mm，同时在车门相应位置粘贴特殊标记后才能进行测量，且只能测试车门边缘测试点的线速度，而不具有数据处理及阻力值测试功能，具有一定的局限性。本系统在实现车门闭合速度测试的同时，可以对车门闭合力进行测试，对分析车门结构、车门密封性和车内噪声等具有重要意义和广泛的应用前景。

1 车门闭合力测量原理

用手关闭车门时，车门获取一个绕门轴旋转的初始角速度，然后在车门轴系统等阻力偶作用下产生一个反向角加速度，角速度逐渐降低。测量出该角加速度就可以间接侧量出车门轴系统的阻力偶。如图1所示，车门绕轴转动的角速度与车门边缘点的线速度有对应关系，车门边缘考察点的线速度和角加速度可以通过车门边缘参考点依次通过三个霍尔传感器（A1、A2和A3）的时间来计算。

图1 车门闭合力测量原理

图1中，α为车门转动角加速度；ω0为角速度；O为转轴；OA为车门初始位置；R为车门宽度。计算时，初始角度为φ0；当车门转到Ai（i=1，2，3）点时转过的角度为φi，对应时间为ti；A1至A2点角度变化为Δφ1，时间间隔为Δt1；A2至A3点角度变化为Δφ2，时间间隔为Δt2。

由运动学方程得：

由式（1）可得：

消去ω0得：

由于传感器间距远小于车门宽度R，因此用传感器间距代替车门转过的弧长，即：

因此，由式（3）可计算得到车门角加速度α为：

车门可以看作定轴转动刚体，忽略门轴不铅垂等影响，门轴阻力偶可看作常量，可得阻力偶M为：

式中，J0=mρ2为车门绕门轴的转动惯量；m为车门质量；ρ为车门的回转半径。

车门闭合速度v可由式（7）计算得到：

2 车门闭合力测试系统组成

车门闭合力测试仪组成如图2所示，车门位置通过霍尔传感器进行检测，霍尔传感器产生的信号经过放大和调理电路产生脉冲信号，信号输入到微控制器，触发中断并开始计时，微控制器根据定时器得到时间Δt1和Δt2，并根据传感器间距d1和d2、车门宽度R及车门质量m，根据式（6）和式（7）计算得到车门阻力偶M及车门闭合速度v，计算得到的结果通过液晶屏显示出来。为满足不同测试车型的需要，测试系统可以通过键盘设置车门质量M和车门半径R，测试结果可以存储到EEPROM中并可随时读取出来。为了方便测试用户分析数据，测试系统可以通过串口与计算机通信，将数据上传至计算机。

图2 车门闭合力测试系统组成

（1）硬件电路设计

系统采用线性霍尔传感器SS495A实现对车门位置的检测，SS495A功能框图和典型输出特性如图3所示，由霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器组成，其输入是磁感应强度，输出是和输入量成正比的电压。SS495A的电源电压为4.5～10.5V，线性输出范围-67～67mT，静态输出电压2.5V，灵敏度3.125mV/G。

图3 SS495A功能框图和典型输出特性

检测原理如图4所示。当车门边缘经过霍尔传感器时，通过霍尔传感器的磁通量增大，霍尔传感器的输出电压升高，通过检测霍尔元件的输出电压即可实现对车门位置的检测。

图4 检测原理

由于霍尔传感器输出电压变化比较微弱，同时最大限度抑制噪声干扰，因此需要对信号进行放大和降噪处理，信号处理电路如图5所示，图中为单独一个霍尔传感器信号处理电路，其余两个传感器的信号处理电路相同。图中I1为霍尔传感器的输出，输出信号通过三个集成运算放大器LM358构成仪用放大器，放大倍数为30倍，放大后的信号输入到LM339构成的施密特触发器，对信号进行整形，整形后的信号输入到微控制器，用以触发中断。

微控制器电路如图6所示，微控制器采用Luminary Micro公司的32位ARM处理器LM3S1138，工作频率达到50MHz，具有件除法和单周期乘法运算单元以及32位定时器，可以满足测试系统所需的高精度计时需求。

图5 信号处理电路

图6 LM3S1138微控制器电路

（2）软件设计

软件流程如图7所示，当车门经过三个霍尔传感器时，三路霍尔传感器的信号处理电路依次产生一个脉冲信号，脉冲信号的上升沿将触发微控制器中断，定时器开始计时，记录下车门经过霍尔传感器之间的时间Δt1和Δt2，控制器进一步根据传感器间距d1和d2、车门宽度R及车门质量m，通过式（6）和式（7）计算得到车门阻力偶M及车门闭合速度v，并将结果显示在液晶屏上。

图7 软件流程图

3 系统实验

为验证设计电路的有效性，本文搭建了实验测试平台，如图8所示，图8（a）为实验硬件系统，测试过程中选用一金属杆模拟车门边缘，使金属杆往复通过霍尔传感器，霍尔传感器产生相应的电压变化，输出的电压经过放大和整形，得到最终的输出信号，用以触发微控制器中断，输出信号波形如图8（b）所示。

图8 实验硬件系统

由图可见，当金属杆未通过霍尔传感器时，信号处理电路输出一高电平，当金属杆经过霍尔传感器时，信号处理电路输出一个负脉冲波形，波形的下降沿即可触发微控制器中断。

为进一步测试系统性能，本文将设计的车门闭合力测试系统与德国的TGM 4.6车门闭合速度测试仪进行对比实验（德国的TGM 4.6车门闭合速度测试仪只能对车门闭合速度进行测量），测量了某汽车车门的闭合速度，如表1所示。

表1 车门边缘某点线速度测量数据对比（单位：m/s）

由实验结果可见，本文设计的测试系统与德国TGM 4.6测试仪一致，满足实际要求。

4 结论

本文设计的车门闭合力测试仪，可以同时满足车门闭合速度和闭合力的测试，精度与德国的TGM 4.6车门闭合速度测试仪一致，可以满足国内外汽车制造企业和汽车销售与维修企业需求，且系统结构简单，与国外昂贵的测试系统相比具有明显的价格优势且维护方便，使用成本低，具有广泛的推广前景。

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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

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