□ 王錫雄 □ 闞樹林 □ 曹召鋒

上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院 上海 200072

門鎖是轎車門系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，同時關(guān)系到轎車整體的可靠性、安全性和舒適性。行車中未關(guān)好車門是一種非常危險的情況，可能導(dǎo)致乘員飛出車門的嚴(yán)重后果。針對這一現(xiàn)象，現(xiàn)有的車門鎖大都只能用顯示燈提示未關(guān)好車門，無法采取有效應(yīng)對措施，因此急需設(shè)計一種能自動檢測并關(guān)門的裝置，解決安全隱患。

從目前國內(nèi)外汽車門鎖市場的發(fā)展特點來看，普通鎖供大于求，而中高檔鎖具有市場發(fā)展?jié)摿Γ?］。由于我國門鎖行業(yè)發(fā)展起步較晚，加上國外同行的技術(shù)封鎖，有關(guān)一體化關(guān)門系統(tǒng)的研究幾乎是空白，導(dǎo)致了我國本土企業(yè)生產(chǎn)的汽車門鎖還是以傳統(tǒng)的普通鎖為主，因此急需高檔鎖的相關(guān)技術(shù)來開拓市場。

針對目前技術(shù)和市場上的迫切需要，本文所介紹的一體化關(guān)門系統(tǒng)，是一種安全可靠、針對高級轎車開發(fā)的高檔門鎖配件，在轎車上安裝該系統(tǒng)，減小了關(guān)門需要的力，降低了閉門噪聲，具有很強的可靠性和魯棒性，經(jīng)實驗驗證，它能有效防止門鎖的損壞，大大增加了行車的安全性和舒適性。

1 系統(tǒng)工作原理

一體化關(guān)門系統(tǒng)是一項舒適安全配置，能自動檢測出車門未關(guān)好的情況，并自動吸合車門至完全關(guān)閉狀態(tài)。

該系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，關(guān)門系統(tǒng)通過檢測鎖體傳來的開關(guān)狀態(tài)信號，確定鎖體的鎖位狀態(tài)；若鎖體處于半鎖鎖位，則控制微電機收緊繩索，產(chǎn)生閉鎖動作，轉(zhuǎn)動鎖舌，將鎖體鎖入全鎖狀態(tài)。

▲圖2 車門鎖結(jié)構(gòu)與鎖位示意圖

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，汽車車門鎖一般設(shè)計為半鎖與全鎖兩種鎖位。如圖2所示，汽車門鎖主要由棘爪、鎖舌、鎖扣、若干個扭簧、鉚釘和軸等零件組成［2］。關(guān)門時，鎖扣平移推動鎖舌繞其軸轉(zhuǎn)動，至半鎖或全鎖鎖位時，棘爪在扭簧力的作用下復(fù)位卡入鎖舌中，完成關(guān)門動作。開門時，執(zhí)行機構(gòu)推動棘爪向上轉(zhuǎn)動，使其與鎖舌分離，車門會在密封力的作用下帶動鎖扣向右平移，轉(zhuǎn)動鎖舌直至與鎖扣分離，完成開門動作。

若關(guān)門的閉鎖力不足以克服車門密封力使車門完全關(guān)閉，門鎖進入半鎖鎖位，半鎖是一種安全鎖位，設(shè)計強度僅為全鎖的一半［3］，3種鎖緊位置的強度見表1。一體化關(guān)門系統(tǒng)能通過安裝在門鎖內(nèi)的微動開關(guān)，快速識別出半鎖狀態(tài)，并產(chǎn)生關(guān)門動作，防止車門未關(guān)閉的現(xiàn)象發(fā)生。此外，安裝了一體化關(guān)門系統(tǒng)后，關(guān)門時只需要輕輕帶上車門，觸發(fā)半鎖信號，控制器會自動將車門完全關(guān)好。這種關(guān)門方法可以將閉鎖力控制在合理的設(shè)計范圍內(nèi)，在保證完成關(guān)門的同時，減小了關(guān)門時鎖扣對鎖舌和棘爪的沖擊，間接增加了門鎖的使用壽命。

表1 鎖緊位置強度要求

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)實測，關(guān)門系統(tǒng)至少必須產(chǎn)生300N的拉力才能克服車門密封力，完成閉鎖動作?？紤]到安全系數(shù)，一體化關(guān)門系統(tǒng)的設(shè)計閉鎖力為500N，該傳動機構(gòu)示意如圖3所示，分別采用了蝸輪蝸桿傳動、一對外嚙合斜齒輪傳動和一個行星輪系。

蝸桿的頭數(shù)為1，它不但保證了較大的傳動比，還使機構(gòu)具有自鎖的特點。行星輪系的使用，在降低噪聲的同時，保證了較大的傳動比，使整體尺寸更加緊湊，節(jié)省了車門內(nèi)的安裝空間。

齒輪系的所有齒輪均采用了漸開線斜齒圓柱齒輪，能夠有效地減小傳動沖擊和噪聲，提高了齒輪的承載能力。其中雙聯(lián)斜齒輪設(shè)計為旋向相同，使軸向力相互抵消。

斜齒輪、蝸桿與殼體的材料選用了聚甲醛（POM），該材料具有較高的拉伸強度和抗疲勞強度，同時還具有良好的耐磨性和一定的自潤性［4］。整個機構(gòu)的設(shè)計在保證強度的同時，大大減小了機構(gòu)的質(zhì)量，齒輪潤滑方式選用了脂潤滑，省去了油液潤滑循環(huán)系統(tǒng)。

齒輪軸同時承受徑向的剪切，以及軸向和周向的摩擦，對其強度、韌性以及表面耐磨性都有較高的要求。為此齒輪軸材料選用了20CrMnMo，該材料經(jīng)過滲碳淬火處理后，具有較高的表面硬度和抗彎強度，低溫回火后具有良好的綜合力學(xué)性能。

殼體為復(fù)雜塑件，按照等壁厚原則設(shè)計，保證了注塑后較小的殘余應(yīng)力和變形，整體設(shè)計效果如圖4所示。

3 控制器硬件設(shè)計

3．1 微控制器及其外圍模塊

如圖5所示，該部分的子電路主要包括：三路中斷開關(guān)信號輸入，反相器信號矯正模塊，BDM（BackgroundDebugMode）背景調(diào)試模塊，外部晶振電路［5-6］。 圖中，S1、S2為半鎖、全鎖狀態(tài)的開關(guān)量輸入；S3為拉鎖位置行程開關(guān)，反映了閉鎖動作是否完成；U2反相器作為信號調(diào)理，將上升沿信號轉(zhuǎn)換為下降沿；BDM模塊用作仿真和燒寫FLASH程序使用。

系統(tǒng)時鐘采用了外部時鐘與鎖相環(huán)倍頻（FLL EngagedExternal，F(xiàn)EE）模式。外部時鐘選用8MHz無源晶振，設(shè)計的系統(tǒng)時鐘主頻為：

fICGOUT=fEXTPNR=8×1× 41=32MHz

其中：fICGOUT為總線頻率；fEXT為外部時鐘參考頻率；P由外接的晶振頻率決定，頻率低于2MHz時取64，頻率在2MHz至10MHz之間時取1；N為倍頻因子；R為分頻因子，可由寄存器配置。

▲圖3 傳動機構(gòu)示意圖

▲圖4 一體化關(guān)門系統(tǒng)三視圖

▲圖5 微控制器及外圍電路原理圖

MC9S08AW32的內(nèi)部時鐘最高頻率為8MHz，F(xiàn)EE倍頻之后控制器的主頻提高4倍，達到了32 MHz。總線周期僅有62．5ns，大大提升了控制器的反應(yīng)速度和靈敏度。

3．2 電源模塊

如圖6所示，采用AMS1117線性穩(wěn)壓芯片對車身提供的12V直流電源進行電源分配，輸入和輸出端分別采用0．1μF的去耦電容C1和C3濾波，12V輸入設(shè)計了一個肖特基二極管DS1，防止關(guān)電時電流倒流，C2為100μF的大容量鉭電容，為輸出的5V電源起保壓作用。

3．3 電壓抬升與調(diào)速模塊

如圖7所示，選用集成芯片MC33886作為電壓提升和使能控制，該器件與主芯片MC9S08AW32同為Freescale公司產(chǎn)品，兼容性較好，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和集成度。

MC33886的OUT1與OUT2分別由IN1和IN2控制，5V的輸入抬升到12V輸出，D2為使能引腳，低電平時，輸出OUT1=OUT2=0V。MCU通過芯片內(nèi)置的定時計數(shù)器模塊（TPM，Time/Pulse-WidthModular），發(fā)送不同占空比的PWM信號，該信號通過D2來控制輸出電壓進行電機調(diào)速［7］。

3．4 驅(qū)動模塊

由于MC33886的驅(qū)動能力較弱，最大驅(qū)動電流為5A，遠遠小于電機的堵轉(zhuǎn)電流14A，因此在設(shè)計中引入了大電流的MOSFET橋式電路作為功率放大單元（如圖8所示），引入后的連續(xù)驅(qū)動電流可達26A，可滿足電機要求。

圖8中R3為電機保護電阻，防止電機堵轉(zhuǎn)時燒壞電機繞組，R3的阻值選取原則如下。

（1）電機正常工作時，R3的阻值遠遠小于額定阻抗，R3的分壓能力很弱，電機的工作電壓接近總電壓。

（2）電機堵轉(zhuǎn)時，R3阻值大于等于堵轉(zhuǎn)阻抗，能有效地分擔(dān)堵轉(zhuǎn)電壓，減少堵轉(zhuǎn)電流，保護電機繞組不被燒壞。

由于MOSFET橋式電路可能存在柵極輸入振蕩，容易引起單臂直通，導(dǎo)致器件發(fā)熱［8］。根據(jù)阻抗匹配原則，設(shè)計R4與R5匹配阻抗以抑制電路振蕩。實測得到的MOSFET內(nèi)阻R為35Ω，分布電感L為16μH，柵極結(jié)電容C值為0．3nF。

等效二階系統(tǒng)的阻尼比為：

式中：ζ為阻尼比；R為內(nèi)阻；C為MOSFET的結(jié)電容；L為電路分布電感。

取臨界阻尼時阻尼比ξ=1，得：

其中：Rx為未知的臨界阻尼電阻。

實際需要的阻抗Rs=Rx-R=426．88Ω，取電阻標(biāo)準(zhǔn)值，得到R4=R5=470Ω。經(jīng)測定，優(yōu)化設(shè)計后加入R4與R5的電路大約處于臨界阻尼位置，電路振蕩得到有效抑制。

4 控制程序設(shè)計

4．1 控制流程

▲圖6 電源電路原理圖

▲圖7 MC33886電路原理圖

▲圖8 MOSFET橋式驅(qū)動電路原理圖

▲圖9 控制流程圖

▲圖10 關(guān)門模式識別模塊流程圖

如圖9所示，半鎖開關(guān)觸發(fā)后，微控制器MCU通過半鎖開關(guān)閉合作出響應(yīng)，驅(qū)動直流電機正轉(zhuǎn)，產(chǎn)生閉鎖動作；車門至完全關(guān)閉，全鎖開關(guān)被觸發(fā)，電機反轉(zhuǎn)，放松拉鎖，為下一次閉鎖動作預(yù)留空間；當(dāng)電機反轉(zhuǎn)至行星架觸碰電路板上的行程開關(guān)后，達到初始位置，電機停轉(zhuǎn)。

4.2 關(guān)門模式識別模塊

引入一體化關(guān)門系統(tǒng)后，若直接用力關(guān)門，將會在短時間先后觸發(fā)半鎖和全鎖信號開關(guān)。為此，一體化關(guān)門系統(tǒng)設(shè)計了專門的模塊來區(qū)分軟關(guān)門和直接關(guān)門，以便直接關(guān)門時系統(tǒng)不觸發(fā)關(guān)門動作。

如圖10所示，關(guān)門模式的識別主要通過延時函數(shù)和開關(guān)信號檢測來實現(xiàn)。

4.3 魯棒性增長模塊

在初始化函數(shù)中加入了上電復(fù)位功能，控制器在通電時能通過3個開關(guān)的真值表產(chǎn)生動作復(fù)位。

在圖9的控制流程中，采用了2000ms的TPM作為控制保護。若執(zhí)行中有開關(guān)因故障未被觸發(fā)，關(guān)門系統(tǒng)依然能根據(jù)計數(shù)器中斷執(zhí)行一個關(guān)門并復(fù)位的動作，以保證故障時依然能完成關(guān)門動作。

軟件消抖，中斷觸發(fā)前增加20ms的延時，防止按鍵時因為信號抖動而誤觸發(fā)或重復(fù)觸發(fā)［9］。

引入了看門狗 （Computer Operating Properly，COP），大大增加了程序持續(xù)運行的時間。

5 試驗樣機與功能驗證

采用圖11所示試驗樣機，測定了PWM占空比為100%時5次模擬關(guān)門過程的系統(tǒng)響應(yīng)時間和閉鎖力，見表2。

表2 模擬關(guān)門試驗數(shù)據(jù)

分析表2可知，關(guān)門系統(tǒng)的開關(guān)響應(yīng)時間始終在200 ms以內(nèi)，平均完成關(guān)門動作的時間為1.146s。最大關(guān)門時間為1.30s，小于設(shè)計要求的1.50s。一體化關(guān)門系統(tǒng)的平均閉鎖力為477.08 N，遠遠小于直接關(guān)門的閉鎖力，起到了減小關(guān)門沖擊，提高門鎖壽命的作用。最小閉鎖力為442.3N，大于完全關(guān)門所需的300N。實驗結(jié)果表明，一體化關(guān)門系統(tǒng)的各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，能夠快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠地完成關(guān)門動作，實現(xiàn)了自動檢測并閉鎖的功能。

▲圖11 實驗樣機實物圖

6 結(jié)論

一體化關(guān)門系統(tǒng)以MC9S08AW32為主控制芯片，采用機電一體化設(shè)計，設(shè)計的驅(qū)動電路最大承受電流達到26A，能為關(guān)門動作提供足夠的功率。傳動機構(gòu)采用了塑料斜齒輪和行星輪系設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小，傳動平穩(wěn)，精度高?？刂瞥绦蛟O(shè)計中，綜合考慮了所有的異常輸入并采取了各種應(yīng)對措施，提高了軟件可靠性和魯棒性。通過實驗結(jié)果可知，該機構(gòu)響應(yīng)速度塊，響應(yīng)時間在200ms以內(nèi)，能夠快速識別門鎖狀態(tài)并實施動作；閉鎖力符合設(shè)計要求，能夠確保完全關(guān)閉車門。該系統(tǒng)實現(xiàn)的自動閉鎖功能，不但減小了閉門噪聲，提高了轎車的舒適性，而且杜絕了車門未關(guān)好的現(xiàn)象發(fā)生，大大增加了行車安全。

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