汽车车门防磕碰止动控制系统设计

孙凤婷 赵世浩 王靖淞 赵强

摘要：为避免乘客及驾驶员在车门开启时因车门磕碰而导致的经济损失及保养问题，以汽车车门门脚位置的超声波传感器测出的距离作为判别参数，以STC89C52单片机为核心设计了一种防汽车车门磕碰止动控制系统。以电磁铁为核心制作电磁夹持器，并进行有限元分析，选择夹持器合适结构。研究表明，该系统能有效防止因车门磕碰造成的经济损失以及汽车保养问题。

关键词：车门防磕碰;超声波测距;电磁夹持器;车门限位器;有限元分析

0  引言

近年来，随着我国汽车保有量的增长与停车位的日益紧张，汽车保养问题频发，其中因车门磕碰造成的经济损失占比较大。为避免汽车车门开启时的磕碰问题，国内许多学者设计了车门防磕碰装置：黄建明等设计了由减震块、卡槽、磁铁组成的一种防磕碰夹具[1];冯少婵等设计了一种车门防碰撞系统[2]。但因对硬件设备要求高、成本高、适用性低等原因，汽车车门防磕碰技术目前尚未得到广泛应用。经查找后了解，未有类似于本文的控制系统出现。

本文以汽车车门位置的超声波传感器作为判别参数，以STC89C52单片机为核心设计了一种汽车车门防磕碰止动控制系统。通过测试不同型号的电磁铁，选择最适合的型号并以其为核心制作电磁夹持器;并进行有限元分析，选择夹持器合适的结构。

1  汽车车门防磕碰止动控制系统

1.1 系统组成

此系统包括三个模块，包括信号采集模塊、中央处理模块、执行模块。

其中，由车门门脚位置处的超声波传感器组成信号采集模块，由信号处理电路、单片机和驱动执行电路组成中央处理模块，以及由电磁夹持器、LED灯条、蜂鸣器组成执行模块。系统模块如图1所示。

1.2 工作原理

基于此系统的总体方案设计为：在初始阶段，在单片机的屏幕上键入开启键，使得设备初始化，此时开始超声波传感器即实时测距，并实时把信号传递给中央控制单元;中央控制单元接受并处理信号，此时车内显示屏同步显示本车车门距其他车辆或前方障碍物的距离;同时中央处理模块判断障碍物的距离是否小于10cm，若不小于10cm，则汽车车门开启不受阻，车门可顺利开启;若距离小于10cm，单片机即向执行模块下达指令，一方面LED灯条通电并亮起、蜂鸣器发出警报以提醒使用者注意小心开门，谨防车门磕碰;另一方面电磁铁通电，电磁夹持器开启，使得托盘被吸住，软橡胶与限位器主臂之间摩擦力增大从而使车门开启受阻，避免车门磕碰;此后，按车内屏幕上的复位键，此系统复位，复位后电磁夹持器停止作用，使得车门能够顺利关闭再从其他车门出去或以一个较小的角度开启本侧车门，从本车门出车，60s后超声波传感器即立即开始实时测距。

2   机械执行部分设计

LED灯条位于车窗轮廓边缘外处，超声波传感器位车门门脚处;单片机的显示屏位于车门内侧，与蜂鸣器位置相同。超声波传感器于车门门脚位置处发出超声波，实时探测本车车门距其他车辆车门的距离。车门限位器位于车门内侧的门脚处。电磁夹持器由电磁铁、托盘和夹持器组成，电磁夹持器的安装位置与车门限位器的相对位置如图2所示。

对于电磁夹持器，电磁铁的选用有至关重要的作用。表1列举了六种不同型号的电磁铁在通电的情况下的六种磁力，软橡胶的动摩擦系数取0.7，电磁铁自身重力取25N，在通电的情况下电磁夹持器对限位器主臂的阻力不同。根据雷学明等对汽车车门限位器布置设计的研究中，汽车车门开启时最大限位器力为127N[3]，由表1可知，若选用300N的电磁铁，此时限位器主臂受阻力为192.5N，与127N相差不大。因此本文中电磁铁选用吸力400N的。

3  中央处理模块控制系统设计

核心代码用于单片机判断距离信号以及向执行模块发出指令。

if（（Size>0）&&（Size<101）&&（F_Start==0））//距离在范围之内

{

Beep  = 1;       //蜂鸣器处于高电平，发出警报

LED   = 0;       //LED处于低电平，LED灯条放光

Relay = 0;        //继电器处于低电平，继电器吸合，电磁铁通电并产生磁吸力

}

Else

{

Beep  = 0;      //蜂鸣器处于低电平，不响应

LED   = 1;      //LED处于高电平，LED灯条不响应

Relay = 1;       //继电器处于高电平，继电器不响应

}

}

4  电磁夹持器有限元模型分析

为了选择合适夹持器的结构，本文对夹持器进行有限元分析。通过UG.NX12.0建立三维模型，再直接导入NX Nastran进行网格划分，并施加荷载和边界条件。

应力分布云图见图3，从应力分析结果可知，电磁夹持器最大Von Mises应力值为180.846MPa，本文采用的材料为45号钢，其屈服极限为355MPa，位于施加固定约束的圆柱下端边缘处，本文安全系数取1.5，通过计算355/1.5=236.67>180.846，因此满足强度要求。

5  结论

汽车车门防磕碰止动控制系统合理利用超声波传感器来采集信号，用单片机作中央处理，并把电磁夹持器、LED灯条、蜂鸣器作为执行机构，对原车改造少、可靠性高、成本低、适用性高。研究表明，该系统能准确判断本车门距其他车辆车门的距离是否为危险距离，并及时做出止动，有效避免了因车门磕碰造成的经济损失和汽车保养的一系列问题。

参考文献：

[1]黄建明，黄强，岳玉鹏.车门防磕碰夹具[P].CN207889871U，2018-09-21.

[2]冯少婵，王东生，孙灿，张进明.一种车门防撞系统及汽车[P].CN207029006U，2018-02-23.

[3]雷学明，班正逸，周利民.车门限位器布置设计[J].汽车实用技术，2014（01）：29-32.