王添 蘇贏 裴堯旺 段艷 楊萌萌

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和汽車(chē)保有量的增加，汽車(chē)的舒適性成為人們的最重要考量因素之一。然而受到氣候和地域條件的影響，在北方的冬季經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)汽車(chē)門(mén)鎖上凍的情況，浪費(fèi)了駕駛?cè)舜罅康臅r(shí)間。本文設(shè)計(jì)的一款基于紅外傳感技術(shù)與單片機(jī)控制的機(jī)械式凸輪檢測(cè)裝置，可根據(jù)駕駛?cè)说闹噶钭詣?dòng)檢測(cè)門(mén)鎖是否上凍，提前告知駕駛?cè)藴?zhǔn)備解凍工具，最大限度節(jié)省時(shí)間。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)檢測(cè);人機(jī)交互;車(chē)門(mén)解凍;紅外傳感技術(shù)

近年來(lái)，汽車(chē)保有量不斷增長(zhǎng)，汽車(chē)企業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車(chē)技術(shù)日趨完善[1]，但是北方地區(qū)冬季車(chē)門(mén)上凍問(wèn)題遲遲得不到解決。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以彌補(bǔ)這個(gè)空白，在已有的凸輪機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，避免了電機(jī)的卡滯以及剛性、柔性沖擊，得到了理想的效果。

1 引言

在我國(guó)的北方地區(qū)，尤其是東北地區(qū)，冬季氣溫極低，滴水成冰;遇到雨雪等惡劣天氣時(shí)，汽車(chē)車(chē)門(mén)很容易凍住而打不開(kāi)，這樣一來(lái)需要車(chē)主準(zhǔn)備相關(guān)解凍工具，浪費(fèi)了車(chē)主的寶貴時(shí)間，影響車(chē)主的正常出行。目前缺少一款自動(dòng)檢測(cè)裝置，使得駕駛?cè)祟A(yù)知車(chē)門(mén)能否正常開(kāi)啟，駕駛?cè)丝梢杂嗅槍?duì)性的準(zhǔn)備相關(guān)工具。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目的

當(dāng)車(chē)主對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)發(fā)出信息指令時(shí)，機(jī)構(gòu)判斷車(chē)門(mén)是否能順利開(kāi)啟并且及時(shí)反饋給車(chē)主。

2.2 適用對(duì)象的選取

汽車(chē)門(mén)鎖主要由兩部分組成：鎖體和操縱機(jī)構(gòu)[2]。鎖體部分是與門(mén)柱上的鎖扣（或擋塊）嚙合，以保持車(chē)門(mén)處于鎖緊位置的部件;操縱系統(tǒng)主要是通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將操作者對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)、外把手、鎖止開(kāi)關(guān)等的操作實(shí)現(xiàn)。對(duì)于操縱機(jī)構(gòu)，根據(jù)汽車(chē)上的使用情況，目前可以分為以下三種情況：內(nèi)外雙拉桿式、內(nèi)拉索外拉桿式、內(nèi)外雙拉索式。根據(jù)資料查閱和實(shí)地調(diào)研，目前內(nèi)拉索外拉桿式是當(dāng)今的主流型式，雙拉桿式在一些價(jià)格低廉、車(chē)型老舊的汽車(chē)上使用，而雙拉索式操縱機(jī)構(gòu)制作成本較高，目前只出現(xiàn)在一些高端新款車(chē)型上。因此，為了確保此檢測(cè)裝置有較高的車(chē)輛可適配性，機(jī)構(gòu)選取拉索拉桿式車(chē)鎖為主要研究對(duì)象。

2.3 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

對(duì)于汽車(chē)車(chē)門(mén)的解鎖，從其結(jié)構(gòu)上只需要拉動(dòng)門(mén)鎖系統(tǒng)外操縱機(jī)構(gòu)拉桿即可完成。因此所需的檢測(cè)裝置必須具備直線運(yùn)動(dòng)的能力，加上車(chē)門(mén)內(nèi)部空間狹長(zhǎng)，故所需裝置體積不易過(guò)大，對(duì)此我們采用凸輪機(jī)構(gòu)為檢測(cè)裝置。信號(hào)的傳遞和反饋，通過(guò)設(shè)計(jì)的一款安卓APP實(shí)現(xiàn)，其與整個(gè)機(jī)構(gòu)的控制模塊——單片機(jī)通過(guò)WiFi模塊連接，做到實(shí)時(shí)通信。除此之外，裝置還包括步進(jìn)電機(jī)、圓柱凸輪、頂桿、頂桿導(dǎo)管、彈簧、紅外線收發(fā)裝置等零部件。其裝置構(gòu)成如圖1所示：

其工作原理如下：車(chē)主通過(guò)手機(jī)APP向機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，單片機(jī)收到信號(hào)驅(qū)動(dòng)步，進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制圓柱凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，圓柱凸輪每旋轉(zhuǎn)一圈，控制頂桿上下運(yùn)動(dòng)一次。當(dāng)車(chē)門(mén)未被凍住時(shí)，頂桿壓縮彈簧L1長(zhǎng)度達(dá)到頂起內(nèi)拉桿的力，再整體上升L2長(zhǎng)度（解鎖時(shí)的外操縱機(jī)構(gòu)拉桿垂直方向運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度）將車(chē)鎖解鎖（圓柱凸輪升程h=L1+L2），此時(shí)紅外線收發(fā)裝置接收到信號(hào)，將車(chē)鎖順利解鎖信息反饋給駕駛?cè)恕?/p>

當(dāng)車(chē)門(mén)被凍住時(shí)，頂桿壓縮彈簧壓縮到L1長(zhǎng)度時(shí)，車(chē)鎖不能被解鎖，為了避免電機(jī)卡滯，彈簧將繼續(xù)被壓縮，直到通過(guò)遠(yuǎn)休止點(diǎn)再下降，同時(shí)將車(chē)門(mén)上凍信息反饋至車(chē)主手機(jī)。

2.4 圓柱凸輪的改進(jìn)

圓柱凸輪屬于空間凸輪，但由于圓柱凸輪可看成是平面移動(dòng)凸輪繞在圓柱體上而形成的，而平面移動(dòng)凸輪又可看作轉(zhuǎn)動(dòng)中心趨于無(wú)窮遠(yuǎn)處的盤(pán)形凸輪的特例，因此可以用盤(pán)形凸輪廓線設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出圓柱凸輪廓線的展開(kāi)圖即移動(dòng)凸輪廓線。[3]

對(duì)于圓柱凸輪輪廓的設(shè)計(jì)，初定三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)輪廓與一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)輪廓，如圖2、圖3所示：

頂桿力：，結(jié)合式子可以看出三角函數(shù)的大于一次多項(xiàng)式的，相較而言一次多項(xiàng)式對(duì)步進(jìn)電機(jī)的扭矩利用更充分，而且更有利于避免電機(jī)卡滯，因此我們初步選擇一次多項(xiàng)式輪廓。

進(jìn)一步分析一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)特征如圖5所示（Φ對(duì)應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角），我們發(fā)現(xiàn)，一次多項(xiàng)式輪廓即等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)存在較大的剛性沖擊，對(duì)裝置的壽命會(huì)產(chǎn)生較大影響。查閱相關(guān)資料我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪不存在剛性和柔性沖擊[4]，因此我們對(duì)進(jìn)行改進(jìn)，將正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律與等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律結(jié)合，其既可以滿足工藝要求又可以避免剛性和柔性沖擊。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用單片機(jī)和紅外傳感器技術(shù)，對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行精確控制，完成上凍檢測(cè)，提前告知駕駛?cè)塑?chē)門(mén)上凍情況，極大節(jié)約了車(chē)主的寶貴時(shí)間。對(duì)圓柱凸輪的改進(jìn)即采用正弦改進(jìn)等速運(yùn)動(dòng)的凸輪使得整個(gè)檢測(cè)裝置運(yùn)行更加平穩(wěn)，減小了裝置的剛性、柔性沖擊，延長(zhǎng)了裝置使用壽命。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，易于加工，操作簡(jiǎn)單，安裝方便，適用于汽車(chē)門(mén)鎖的上凍檢測(cè)需要，提高汽車(chē)的智能化。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳偉程，吉喆，肖寒，王宏麗.全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量分析——《中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)環(huán)境管理年報(bào)（2017）》第Ⅰ部分[J].環(huán)境保護(hù)，2017，45（12）：33-34.

[2]史金榮，袁永杰，史可朝.淺析汽車(chē)門(mén)鎖設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（20）：3-4.

[3]崔可維，熊健.機(jī)械原理[M].第二版.北京：高等教育出版社，2012 ：76-77.

[4]雷蔓，劉毅，孟泰，張濤，張玉平.正弦曲線圓柱凸輪的建模及其四軸數(shù)控加工[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2017，44（07）：74-76.