一种具有汽车门锁上冻检测功能的装置

王添 苏赢 裴尧旺 段艳 杨萌萌

摘 要：随着经济的发展和汽车保有量的增加，汽车的舒适性成为人们的最重要考量因素之一。然而受到气候和地域条件的影响，在北方的冬季经常会出现汽车门锁上冻的情况，浪费了驾驶人大量的时间。本文设计的一款基于红外传感技术与单片机控制的机械式凸轮检测装置，可根据驾驶人的指令自动检测门锁是否上冻，提前告知驾驶人准备解冻工具，最大限度节省时间。

关键词：自动检测;人机交互;车门解冻;红外传感技术

近年来，汽车保有量不断增长，汽车企业蓬勃发展，汽车技术日趋完善[1]，但是北方地区冬季车门上冻问题迟迟得不到解决。本文设计的检测机构可以弥补这个空白，在已有的凸轮机构的基础上改进，避免了电机的卡滞以及刚性、柔性冲击，得到了理想的效果。

1 引言

在我国的北方地区，尤其是东北地区，冬季气温极低，滴水成冰;遇到雨雪等恶劣天气时，汽车车门很容易冻住而打不开，这样一来需要车主准备相关解冻工具，浪费了车主的宝贵时间，影响车主的正常出行。目前缺少一款自动检测装置，使得驾驶人预知车门能否正常开启，驾驶人可以有针对性的准备相关工具。

2 机构设计

2.1 设计目的

当车主对检测机构发出信息指令时，机构判断车门是否能顺利开启并且及时反馈给车主。

2.2 适用对象的选取

汽车门锁主要由两部分组成：锁体和操纵机构[2]。锁体部分是与门柱上的锁扣（或挡块）啮合，以保持车门处于锁紧位置的部件;操纵系统主要是通过传动机构将操作者对车门内、外把手、锁止开关等的操作实现。对于操纵机构，根据汽车上的使用情况，目前可以分为以下三种情况：内外双拉杆式、内拉索外拉杆式、内外双拉索式。根据资料查阅和实地调研，目前内拉索外拉杆式是当今的主流型式，双拉杆式在一些价格低廉、车型老旧的汽车上使用，而双拉索式操纵机构制作成本较高，目前只出现在一些高端新款车型上。因此，为了确保此检测装置有较高的车辆可适配性，机构选取拉索拉杆式车锁为主要研究对象。

2.3 检测装置设计

对于汽车车门的解锁，从其结构上只需要拉动门锁系统外操纵机构拉杆即可完成。因此所需的检测装置必须具备直线运动的能力，加上车门内部空间狭长，故所需装置体积不易过大，对此我们采用凸轮机构为检测装置。信号的传递和反馈，通过设计的一款安卓APP实现，其与整个机构的控制模块——单片机通过WiFi模块连接，做到实时通信。除此之外，装置还包括步进电机、圆柱凸轮、顶杆、顶杆导管、弹簧、红外线收发装置等零部件。其装置构成如图1所示：

其工作原理如下：车主通过手机APP向机构发送指令，单片机收到信号驱动步，进电机开始工作。步进电机转动控制圆柱凸轮转动，圆柱凸轮每旋转一圈，控制顶杆上下运动一次。当车门未被冻住时，顶杆压缩弹簧L1长度达到顶起内拉杆的力，再整体上升L2长度（解锁时的外操纵机构拉杆垂直方向运动长度）将车锁解锁（圆柱凸轮升程h=L1+L2），此时红外线收发装置接收到信号，将车锁顺利解锁信息反馈给驾驶人。

当车门被冻住时，顶杆压缩弹簧压缩到L1长度时，车锁不能被解锁，为了避免电机卡滞，弹簧将继续被压缩，直到通过远休止点再下降，同时将车门上冻信息反馈至车主手机。

2.4 圆柱凸轮的改进

圆柱凸轮属于空间凸轮，但由于圆柱凸轮可看成是平面移动凸轮绕在圆柱体上而形成的，而平面移动凸轮又可看作转动中心趋于无穷远处的盘形凸轮的特例，因此可以用盘形凸轮廓线设计方法设计出圆柱凸轮廓线的展开图即移动凸轮廓线。[3]

对于圆柱凸轮轮廓的设计，初定三角函数运动轮廓与一次多项式运动轮廓，如图2、图3所示：

顶杆力：，结合式子可以看出三角函数的大于一次多项式的，相较而言一次多项式对步进电机的扭矩利用更充分，而且更有利于避免电机卡滞，因此我们初步选择一次多项式轮廓。

进一步分析一次多项式运动特征如图5所示（Φ对应凸轮转角），我们发现，一次多项式轮廓即等速运动规律会存在较大的刚性冲击，对装置的寿命会产生较大影响。查阅相关资料我们发现，对于正弦加速度运动规律的凸轮不存在刚性和柔性冲击[4]，因此我们对进行改进，将正弦运动规律与等速运动规律结合，其既可以满足工艺要求又可以避免刚性和柔性冲击。

3 结语

本系统利用单片机和红外传感器技术，对检测装置进行精确控制，完成上冻检测，提前告知驾驶人车门上冻情况，极大节约了车主的宝贵时间。对圆柱凸轮的改进即采用正弦改进等速運动的凸轮使得整个检测装置运行更加平稳，减小了装置的刚性、柔性冲击，延长了装置使用寿命。整套系统结构简单，生产成本低，易于加工，操作简单，安装方便，适用于汽车门锁的上冻检测需要，提高汽车的智能化。

参考文献：

[1]陈伟程，吉喆，肖寒，王宏丽.全国机动车保有量分析——《中国机动车环境管理年报（2017）》第Ⅰ部分[J].环境保护，2017，45（12）：33-34.

[2]史金荣，袁永杰，史可朝.浅析汽车门锁设计[J].内燃机与配件，2018（20）：3-4.

[3]崔可维，熊健.机械原理[M].第二版.北京：高等教育出版社，2012 ：76-77.

[4]雷蔓，刘毅，孟泰，张涛，张玉平.正弦曲线圆柱凸轮的建模及其四轴数控加工[J].时代农机，2017，44（07）：74-76.