孫偉東，吳剛，徐毅

(上海機動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車座椅舒適性的關(guān)注也逐年升高，其中汽車座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)的可靠性問題尤為重要，所以國內(nèi)外汽車座椅廠商對汽車座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)耐久試驗有巨大的試驗需求[1-2]。

國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 740中涉及的汽車座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)耐久試驗規(guī)范了縱向調(diào)節(jié)以及靠背調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗，兩種試驗都有高低溫試驗要求，而國內(nèi)大多數(shù)檢測機構(gòu)均沒有通用可移動式的試驗臺架，出入環(huán)境箱較為不便。再加上相較于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外整車廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中不僅在試驗程序步驟以及環(huán)境溫度的要求上更為復(fù)雜，而且還對高度疲勞耐久試驗有相應(yīng)的要求。針對此類試驗，國內(nèi)座椅廠商基本購買國外進口成套設(shè)備，價格昂貴且二次開發(fā)能力差，給國內(nèi)中小型企業(yè)帶了極大的負(fù)擔(dān)[3-5]。

整個手電動汽車座椅調(diào)節(jié)耐久試驗機難點在于要滿足各種標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜的循環(huán)耐久程序，更要將3種疲勞耐久試驗的執(zhí)行動作在同一個試驗臺架上模擬出來，并且在-40～80 ℃的環(huán)境下都能實現(xiàn)對應(yīng)動作需求。

1 手電動座椅調(diào)節(jié)耐久控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1、圖2所示，此系統(tǒng)使用西門子S7-1200 1214C DC/DC/DC作為主控單元，采用博途V14軟件進行模塊化編程，14路數(shù)字量輸入、10路晶體管輸出可以滿足此系統(tǒng)的需求[6-7]；系統(tǒng)設(shè)置了4路執(zhí)行器通道，可在一次試驗中實現(xiàn)4個執(zhí)行器的聯(lián)合動作；最大支持16步循環(huán)程序，在每一步循環(huán)程序中可以選擇具體的控制通道以及具體需實現(xiàn)的執(zhí)行器動作，基本滿足了大部分調(diào)節(jié)耐久試驗的需求；對于手動調(diào)節(jié)座椅，PLC根據(jù)16步循環(huán)程序中的設(shè)置，輸出相應(yīng)數(shù)字量控制固態(tài)繼電器通斷，固態(tài)繼電器再控制電磁換向閥從而控制氣缸，此系統(tǒng)采用8個固態(tài)繼電器和電磁換向閥控制4通道的雙作用氣缸動作，在程序中還可以在每一步循環(huán)程序結(jié)束后進行延時設(shè)置，每一路氣缸動作都接有調(diào)速閥，可以對控制速度進行調(diào)節(jié)，在各個標(biāo)準(zhǔn)中對試驗的具體頻率都有明確要求；對于電動調(diào)節(jié)座椅的控制過程，與手動調(diào)節(jié)座椅不同的是固態(tài)繼電器得電后直接將穩(wěn)壓直流電源的直流電輸給座椅直流電機，使電動座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，控制方法上要比手動調(diào)節(jié)座椅簡單，電機速度也可以通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓直流電源的電壓來控制，一般標(biāo)準(zhǔn)要求輸出13.5 V的直流電源。

圖1 總體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 控制系統(tǒng)實物

1.2 觸摸屏操作面板設(shè)計

觸摸屏采用昆侖通態(tài)MGCS TPC1061Ti嵌入式一體化觸摸屏，與PLC之間通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信[8]。如圖3、圖4所示：在觸摸屏的主界面可以設(shè)置循環(huán)測試次數(shù)以及每個動作的間隔時間，并且可以切換手自動控制模式；自動運行監(jiān)控與I/O監(jiān)控欄實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的循環(huán)情況，每個通道的延時時間也會以ms的數(shù)量級顯示在自動運行監(jiān)控欄中，而每個執(zhí)行器的動作也會顯示在I/O監(jiān)控欄，這樣的設(shè)計好處在于當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時可以清楚地知道是哪路執(zhí)行器或者感應(yīng)開關(guān)沒有接收到信號；手動操作模式采用點動操作。在觸摸屏可編程界面中為保證循環(huán)系統(tǒng)的可編程性，除了在主界面設(shè)置總循環(huán)次數(shù)之外，在每兩步后都可以設(shè)置每兩步的循環(huán)次數(shù)，該設(shè)置在高度調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗中是必用功能。

圖3 觸摸屏界面

如圖4所示，在可編程界面中，可以對每個循環(huán)步驟的控制模式進行選擇，分別為感應(yīng)控制模式與時間控制模式。選擇感應(yīng)控制模式時系統(tǒng)只有檢測到接近開關(guān)信號才會執(zhí)行下一步驟；而選擇時間控制模式，就需在時間控制設(shè)定框中設(shè)置執(zhí)行時間，執(zhí)行完相對應(yīng)時間系統(tǒng)才會執(zhí)行下一步驟。

圖4 通道控制模式切換

2 試驗臺架及其附件機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于電動座椅調(diào)節(jié)方式的模擬實現(xiàn)較為簡單，不需要特殊的執(zhí)行器去代替人的操作，只需要給汽車座椅電機得電即可，所以所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)及其附件都針對手動座椅，電動座椅只需能固定在臺架上即可。

2.1 試驗臺架總體設(shè)計

設(shè)計的試驗臺架要求在使用同一個控制器的條件下在一種臺架上實現(xiàn)縱向調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗、靠背調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗以及高度調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗，并且由于不同座椅廠的座椅在大小、調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計上都有區(qū)別，所以要求臺架的前后高度以及執(zhí)行器的位置均可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)；再加上由于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中都含有帶溫度環(huán)境下的循環(huán)耐久試驗，為方便出入步進式環(huán)境箱，該試驗臺架必須在保證相應(yīng)功能要求的條件下更加輕便，便于工作人員移動。試驗臺架總體設(shè)計如圖5所示。

圖5 試驗臺架總體設(shè)計

整個試驗臺架主要由兩部分構(gòu)成：

(1)底座臺架。下方安裝4個腳輪以滿足臺架的可移動性要求；在底座臺架的最上方裝有2根安裝桿，安裝桿上可以放置汽車座椅夾具固定樣品，安裝桿下可以安裝直線氣缸(該氣缸配合滾輪可作為靠背調(diào)節(jié)的執(zhí)行器)。

(2)可動臺架?？蓜优_架通過兩邊直線導(dǎo)軌連接在底座臺架上，滿足了不同尺寸大小汽車座椅的安裝要求；可動臺架中間裝有兩根安裝桿，通過兩端調(diào)節(jié)機構(gòu)，這兩根安裝桿可以進行高度和角度調(diào)節(jié)(兩個自由度的可調(diào)是為了適應(yīng)不同座椅的縱向、靠背調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗要求)。

電動座椅的疲勞耐久試驗只需將座椅連其夾具安裝在底座臺架上即可；而手動座椅的疲勞耐久試驗需要配合可動臺架及其氣缸連接件才能完成其功能。

再加上購置了無熱吸干機，保證在低溫環(huán)境下氣體的絕對干燥，不會因為在低溫環(huán)境下壓縮空氣中的水分而導(dǎo)致各類執(zhí)行器件的結(jié)冰現(xiàn)象。

2.2 手動座椅調(diào)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

要將縱向調(diào)節(jié)疲勞試驗、靠背調(diào)節(jié)疲勞試驗以及高度調(diào)節(jié)疲勞試驗這3種調(diào)節(jié)方式在一個臺架上實現(xiàn)，就需要對3種調(diào)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)進行設(shè)計。試驗執(zhí)行器選擇情況如表1所示。

(1)縱向調(diào)節(jié)疲勞試驗。如圖6所示，根據(jù)表1中對執(zhí)行器的選擇，將直線氣缸1通過連接件固定在座墊骨架的最前端，這樣保證在座椅前后移動的過程中直線氣缸1與試驗座椅相對靜止，通過鋼絲繩將直線氣缸1與縱向解鎖裝置連接，再將直線氣缸2與試驗座椅靠背后部剛性位置緊固連接，保證在試驗過程中不會脫落。整個試驗需要安裝4個接近開關(guān)，縱向解鎖裝置的接近開關(guān)可安裝在連接件上，而前后位置的接近開關(guān)可隨意擺置，能滿足試驗規(guī)定的行程即可。

表1 手動座椅疲勞耐久試驗執(zhí)行器匯總

縱向調(diào)節(jié)疲勞試驗的程序如下所示：初始位置為最前位置，此時直線氣缸1、2均在伸出狀態(tài)，①直線氣缸1收回(座椅解鎖) ，②直線氣缸2收回(座椅移動到最后位置)，③直線氣缸1伸出(座椅上鎖) ，④直線氣缸2伸出(保證座椅處于上鎖狀態(tài))，⑤直線氣缸1收回(座椅解鎖)，⑥直線氣缸2伸出(座椅移動到最前位置)，⑦直線氣缸1伸出(座椅上鎖)，⑧直線氣缸2收回(保證座椅處于上鎖狀態(tài))。

其中①、②、③、⑤、⑥、⑦均采用感應(yīng)控制模式，即達到接近開關(guān)所在位置執(zhí)行下一步；而④、⑧采用時間控制模式，由于通常座椅的最前及最后位置并不是鎖止位置，所以為了在試驗過程中保證解鎖時座椅處于鎖止?fàn)顟B(tài)，需要在座椅達到最前或最后位置后再進入鎖止位置，設(shè)置一個短促的動作時間，使座椅達到鎖止?fàn)顟B(tài)。

(2)靠背調(diào)節(jié)疲勞試驗。如圖6所示，將可動臺架上的兩橫桿調(diào)節(jié)相應(yīng)位置，直線氣缸3通過導(dǎo)輪與座椅靠背骨架頂部鋼絲繩連接，由于在座椅靠背調(diào)節(jié)試驗中，靠背解鎖裝置處于解鎖狀態(tài)時，靠背會自動返回最前位置，所以直線氣缸3只需實現(xiàn)拉的動作即可；靠背解鎖動作由旋轉(zhuǎn)氣缸完成，此系統(tǒng)選用的是最大旋轉(zhuǎn)角度180°的可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)氣缸，根據(jù)試驗座椅靠背解鎖機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)氣缸角度，在試驗中保持旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)中心與試驗座椅解鎖機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心一致即可。

圖6 手動座椅縱向及靠背調(diào)節(jié)疲勞耐久示意

(3)高度調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗。

如圖7所示，設(shè)計了一個高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過直線氣缸4、5背靠背相互連接形成雙頭氣缸，并且使原來只有伸出收回兩種狀態(tài)的兩個氣缸形成了有中位、最高位、最低位3種狀態(tài)的雙頭氣缸。在試驗過程中，該裝置剛性連接在試驗座椅上，并且通過連接件以及軸承固定，使氣缸的直線運動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動，模擬人坐在座椅上旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)把手的動作。

在試驗過程中，高度調(diào)節(jié)機構(gòu)具體動作如圖8所示：當(dāng)雙頭氣缸一個伸出一個收回時，雙頭氣缸處于中間位置，調(diào)節(jié)機構(gòu)處于中間狀態(tài)；當(dāng)雙頭氣缸兩個都伸出時，雙頭氣缸處于最高位置，座椅高度變高；當(dāng)雙頭氣缸兩個都收回時，雙頭氣缸處于最低位置，座椅高度變低。初始位置為座椅最低處，循環(huán)程序設(shè)置：①中間位置到最高位置，座椅升高；②最高位置到中間位置(注：①、②為一個小循環(huán)動作，每實現(xiàn)一個小循環(huán)座椅高度上升一檔，高度下降時同理，程序中設(shè)置小循環(huán)次數(shù)，可使座椅達到最高位置)；③中間位置到最低位置，座椅降低；④最低位置到最高位置。

圖7 手動座椅高度調(diào)節(jié)疲勞耐久示意

圖8 高度調(diào)節(jié)機構(gòu)具體動作示意

3 系統(tǒng)運行

分別在常溫以及高低溫環(huán)境下進行試驗驗證(見圖9)，按照QC/T 740以及國內(nèi)某整車廠標(biāo)準(zhǔn)進行3種調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗，試驗過程中系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定，無任何異常。

圖9 系統(tǒng)實際運行

4 結(jié)論

設(shè)計了一套完整的手電動汽車座椅調(diào)節(jié)耐久試驗系統(tǒng)，可在該系統(tǒng)上實現(xiàn)縱向，靠背以及高度3種調(diào)節(jié)疲勞耐久試驗；感應(yīng)控制與時間控制模式的切換使得原本標(biāo)準(zhǔn)中模糊不清的耐久試驗步驟能以更符合實際情況的方式來實現(xiàn)；設(shè)計了3種試驗的執(zhí)行機構(gòu)，特別是覆蓋了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中高度調(diào)節(jié)疲勞耐久的試驗?zāi)芰Γ蝗藱C界面可以隨時開始、暫停以及終止試驗，并能監(jiān)測各傳感器及執(zhí)行器的實時運行情況，使整個系統(tǒng)的人機交互能力水平大大提高。該系統(tǒng)已經(jīng)為各大中小汽車座椅廠商完成耐久試驗，得到了企業(yè)的高度評價。