汽车车门耐久试验台的设计

董天放，陈德立

(1.大连东软信息学院实验实训中心，辽宁大连 116000；2.大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁大连 116000)

汽车车门耐久试验台的设计

董天放1，陈德立2

(1.大连东软信息学院实验实训中心，辽宁大连 116000；2.大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁大连 116000)

汽车车门是汽车的重要组成部分，车门及其附件组成的车门总成的稳定性、可靠性、耐久性影响行驶过程中车辆与人身安全。针对当前汽车车门越来越严格的试验项目和精度要求，将动力源改造为伺服控制系统，设计一套以工控机为上位控制单元、PLC为下位控制单元的机电一体化试验台方案。该实验台能满足车门耐久试验要求，完全模拟乘员开关门的动作，为产品提供可靠的试验数据，提高汽车公司产品品质和竞争力。

车门；耐久；PLC；试验台

0 引言

随着汽车品牌的不断增多、产量的持续增长，消费者对汽车的安全性、可靠性格外重视。汽车车门是汽车主要组成部分，是日常生活中使用频率很高的零部件。车门的疲劳寿命关系到车内乘员和车外行人的生命安全[1]。汽车车门从广义上来讲，包括锁系统、密封系统、车门本体、铰链系统[2]。这些零部件组成的系统总成耐久性与汽车安全息息相关。而对汽车车门性能的评估是根据车门开闭耐久性试验得出的[3]。

国内大部分汽车公司使用的车门耐久试验台以压缩空气为动力源，执行机构为两个独立的气缸，这类设备在早期发挥了一定的作用[4-5]。但随着对汽车零部件的研发和对门系统研究的深入，早期的设备满足不了越来越严格的试验项目和精度需求，冲击力大，破坏车门外板[6]，过程力无法监控与判断，试验过程和试验结果不能很好地模拟实际开闭门过程中各种关门工况。而且不能根据试验需要，在原有台架基础上迅速增加和调整动力源，使用对象单一，不具有通用性。因此，开发新的侧门外开综合耐久试验台势在必行。为了解决上述缺陷，将动力源改造为伺服控制系统，设计了一套车门耐久试验台,该实验台能满足车门耐久试验要求，为产品提供可靠的试验数据。

1 车门耐久实验台的总体方案设计

根据试验方法与过程分析，设计了一套机电一体化方案。该方案可以兼容多种车型在白车身或整车上进行试验，可以做左前门、左后门、右前门、右后门试验，可实现远程控制，而且满足无线钥匙解锁和外拉把手解锁两种模式。该方案主要由机械执行部分、电气硬件部分(包括显示、操作)、程序部分以及检测部分等4个部分组成。

1.1 试验方法及分析

外开门试验动作过程要求如下：

(1)解锁，车门轻微弹开(监控门锁是否打开)；

(2)匀速开门，过了最后一级限位位置时松开车门(监测开门过程中的力值，监控开门某点的速度，检测车门是否到位)；

(3)暂停；

(4)关门，从最后一级限位位置处旋转至规定位置后放开，惯性关门(监测关门过程中的力值，监控关门距离铰链某点处的速度，车门是否关闭)；

(5)暂停，下一步循环步骤(1)—(4)动作。

汽车车门分为左前门、右前门、左后门、右后门，为了分析方便，以左前门为例进行分析。车门开闭的过程依据仿生学设计理念，完全模拟车门在正常情况下的开、关动作。左前门在闭锁器没有闭锁的情况下，通过外力拉动外把手解锁后，车门的开闭过程可以简化为运动机构原理图1。开门过程为AC→AD→AF。车门轻微地围绕铰链点A从起始处AC旋转角度α到AD处，之后另一外力再拉动车门，使车门以某一速度匀速地旋转角度β到最后限位AF处。车门旋转角度β开门过程中，保持外把手处于被拉的解锁状态，以保证车门能正常地从AD处顺时针旋转开启，车门锁扣脱离锁钩后，外把手被拉状态可在角度β任何位置处恢复常态。闭门过程为AF→AE→AC。外力从最后一级限位处AF,推车门围绕铰链A旋转角度γ到AE处，然后放开车门，使车门在自身运动惯性作用下关门。之后车门又进入另一个工作循环。

图1 运动机构原理图

1.2 试验台主体结构

为满足试验要求，台架结构需要满足以下功能：解锁、执行同步旋转、样品准确安装、样品检测[7]。该方案采取了电控柜与执行机构部分一体化的结构。试验台主体结构如图2所示。

图2 试验台主体结构示意图

试验台主体结构是整个台架的最主要组成部分，包括底座,X向移动总成,主体框架,Z向移动总成,控制盒总成,工控机,Y向移动总成,可移动X、Y、Z向控制盒，伺服减速机总成，对位激光头，摆臂，错位补偿机构，真空吸盘等。

1.3 试验台设计参数

在整体开关门的动作过程中，对三向调节单元、开关门的速度等都有着严格要求。试验台的参数如表1所示。

表1 试验台参数

2 车门耐久实验台的机械设计

2.1 外把手解锁结构

外把手解锁结构框架如图3所示。外把手解锁机构主要包括双作用行程可调节气缸、气缸固定板、气缸固定板锁紧U形螺栓。

图3 外把手解锁结构示意图

解锁时，气缸活塞杆在压缩空气作用下，向前顶起，使外把手藏在车门里的锁扣和锁钩分离，达到解锁目的。当解锁结束时，气缸缩回，外把手恢复原始状态。

2.2 执行同步旋转

执行同步旋转主要由中惯量安川伺服减速机准确实现，图2中的摆臂11、错位补偿机构12、真空吸盘13辅助伺服减速机完成对车门开闭运动。拉压压力传感器安装在补偿机构前面。真空吸盘13模拟人手，利用真空发生器产生真空，牢牢抓住车门外缘，实现伺服减速机与门同步旋转动作过程。此处真空吸盘采取了多级缓冲结构的吸盘，配合错位补偿机构12，弥补安装样品时出现错位的风险，可以有效地避免伺服电机由于被卡滞而烧坏、破坏执行机构、样品位置跑位等问题。伺服减速机的旋转由伺服电机驱动器发出脉冲驱动实现，进而车门要旋转的角度位置得到实现。气缸通过电磁阀得电、失电而产生前进、后退运动，由此实现解锁功能。真空吸盘通过真空发生器的真空发生与破坏而吸住或松开车门。开门过程中，当解锁成功后，吸盘开始吸住车门，在吸盘的作用下，图2中摆臂11、错位补偿机构12、真空吸盘13等与伺服减速机连到一起，实现了车门与伺服减速机旋转的同步。闭门过程中，吸盘在车门最后一级限位处吸住车门，之后在规定位置处松开，伺服减速机加速，推动车门获得更大动能，保证车门能正常闭门。

2.3 样品的准确安装

对于样品准确安装问题，整个台架中，采用了X、Y、Z向调节结构。X、Y、Z3向可以立体调节。主要结构包括X向移动总成，Y向移动总成，Z向移动总成，X、Y、Z向控制盒。X、Z向移动总成由普通丝杠、直线导轨、轴承安装座、普通三相异步电动减速机组成，为了安全可靠考虑，Y向移动总成中普通丝杠被换成具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速机。X、Y、Z向控制盒总成设计成类似天车的可移动遥控器，方便控制调整目标点在空间上的位置，以达到样品准确安装的目的。试验前，先把白车身或整车放到试验台工作范围内，然后在触摸屏上打开激光，利用可移动X、Y、Z向控制盒调整对位激光头10投射光在如图2中所示车门铰链旋转副中心线处，使车门铰链中心线和伺服减速机中心线重合。手动调试电机动作，观察是否运动正常。反复调整后试机。试机成功后就可以设定实验次数，正常试验了。

2.4 样品的检测

样品检测分为极限位置检测、车门速度检测、车闭门过程

力检测、开门关门状态检测等。进行极限位置检测时，X、Y、Z向设置行程开关的极限位置保护。伺服电机方面，各主要监测点安装了接近开关。伺服电机自带的增量式光电旋转编码器和拉压压力传感器准确采集车门旋转运动过程中的力与位移角度信息。气缸末端到位信号采用磁环监控解锁开闭信息。考虑到白车身和整车共用试验台需要，通过在车身上安装接近开关来判断车门是否到位[8]。开闭门速度由编码器信号转换获得。真空检测通过本身自带的真空压力器监控。

2.5 错位补偿机构

在试验过程中，伺服减速机中心线与车门铰链旋转副中心线不重合会造成伺服减速机的运动不顺畅，会对设备本身和样品造成伤害[9]。错位补偿机构12可防止此类伤害出现。错位补偿机构示意图如图4所示。起重要作用的是竖直方向移动的拉簧、导轨以及左、右方向移动的压缩弹簧以及直线导轨。当伺服减速机中心线和车门铰链旋转副中心线不重合时，此机构的弹簧在允许范围内自动调整位置，使旋转运动能根据样品实际安装状态调整，适应运动柔性要求。

图4 错位补偿机构示意图

3 车门耐久试验台的控制系统

3.1 硬件设计

硬件方面，该方案采用研华工控机为上位机、欧姆龙 PLC为下位机的控制方式。电气控制原理图如图5所示。该控制系统中，主控制系统为PLC，控制和监控试验台各执行机构的运动逻辑情况，力值设置最大值保护，设备异常及时报警，并停止试验[10]。工控机通过通信串口RS232连接通信，远程监控控制设备运行情况，与触摸屏同步显示试验过程中采集到的车门力的信息；PLC定时向工控机上传图形信息，保存试验数据，自动追溯试验数据。试验参数的设定与显示可以通过触摸屏和工控机修改，实现对试验的监控和控制同步。

图5 电气控制原理图

3.2 软件设计

试验原理流程如图6所示。上电前，要确定台架各部分正常工作，控制柜的接线准确无误，无接线松动、短路等现象；上电后设备初始化，开始自检；调整设备位置使整车准确安装到位，输入试验参数；摁下启动按钮，控制车门外开锁的气缸伸出，将外开手柄向外拉，车门锁开启；接着利用伺服减速机和真空吸盘实现车门开启的动作，在车门开启过程中控制门锁气缸收缩，外把手复原，以准备下一个循环；车门开启到设定角度之后，停止n秒，吸盘在车门到达规定位置之后松开，伺服减速机加速保证车门正常闭门，车门关闭后，停止n秒。这样就完成了一个试验的循环，利用PLC实现试验的计数和自动循环功能，完成规定次数的耐久性试验。

4 台架方案优化升级

该方案中的试验台主要涉及到了外把手解锁与车门运动的实现，适合绝大多数小轿车车门的耐久试验。功能平台化和模块化，使试验台在后期随时可优化升级、扩展试验功能。比如在此台架上增加对闭锁器开闭锁耐久试验、无线钥匙解锁闭锁耐久试验、整车车门试验信号开闭信号的采集、玻璃升降器性能测试实验，以及其他与车门有关的、需要配合车门一起做耐久试验的零部件等，都可以在此台架基础上，通过增加相应工装和电气元件，实现台架功能的升级。

图6 试验原理流程图

5 结论

对车门耐久试验台设计方案进行了分析，完成了车门耐久试验台的机械设计。运用机电一体化技术设计的伺服控制系统，能够满足侧门外开门耐久试验要求，提高了车门耐久检测的精度，更好地保护了车身不受损坏。为汽车公司产品工程师提供试验依据，保证了汽车车门质量；并为未来台架复杂试验预留了升级可能，减少试验装备成本支出。

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DesignofaNewEnduranceTestMachineforVehicleDoors

DONG Tianfang1,CHEN Deli2

(1.Research & Training Center, Dalian Neusoft University of Information, Dalian Liaoning 116000, China;2.School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian Liaoning 116000, China)

Vehicle door is an important part of automobile.The stability, reliability and durability of the door assembly, which is composed of the door and its accessories, affect the safety of the vehicle and the person in the process of driving. Aiming at the increasingly stringent test items and precision requirements, the power source was transformed into servo control system, a new mechatronic test machine based on PLC and IPC was developed and it was put into practical use. The new device can meet the demand of endurance test for vehicle doors. And it can simulate the action of the door, supply reliable test data,so the product quality and rivalrousness will be improved.

Vehicle doors;Endurance;PLC;Test machine

2017-06-21

董天放(1991—)，男，硕士，研究方向为控制科学与工程。E-mail：568734634@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.003

U463.82+1

B

1674-1986(2017)10-010-05