陳勇強 龔輝

摘 要：本文主要介紹一種汽車外開手柄耐久試驗裝置，利用鋁合金型材搭建試驗基架，使用PLC可編程控制系統(tǒng)來實現(xiàn)控制，采用氣缸為執(zhí)行裝置作用在手柄和車門上實現(xiàn)對車門和手柄的操作，再配合調(diào)壓閥、節(jié)流閥來調(diào)節(jié)，實現(xiàn)汽車外開手柄及門鎖耐久試驗。

關(guān)鍵詞：外開手柄 門鎖 耐久 臺架

Abstract：This paper mainly introduces a durability test device for automobile exterior handle， which uses aluminum alloy profile to build test base frame， uses PLC programmable control system to realize control， uses cylinder as executive device to act on handle and door to realize operation of door and handle， and then cooperates with pressure regulating valve and throttle valve to realize durability test for automobile exterior handle and door lock.

Key words：external handle， door lock， durable， platform

1 前言

汽車外開手柄及門鎖系統(tǒng)是裝在車門及其立柱上能將車門可靠鎖緊并通過器內(nèi)部機構(gòu)實現(xiàn)開啟及鎖緊功能的裝置。是一個非常重要的汽車車身附件。具有安全防護作用，既要保護車門正常使用中的可靠鎖緊，放置車門意外或者無意識打開，又要保證車門需要時能夠順利打開，確保在正常或者當右緊急情況發(fā)生時通行，以免造成生命傷亡或者財產(chǎn)損失，屬于安全規(guī)件，也叫終端閉合功能件。而針對汽車外開手柄及門鎖耐久試驗，當前國內(nèi)外采用的是鋼鐵焊接臺架的方法來實現(xiàn)，該方法工序復(fù)雜，操作難度大，同時不具備通用性，臺架搭建成本高，試驗效果極不理想。本文選擇針對汽車外開手柄及門鎖試驗的問題，設(shè)計了一套耐久試驗臺架。

2 試驗要求

汽車內(nèi)外手柄及門鎖耐久試驗，是產(chǎn)品研發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，主要目的驗證汽車膜外開手柄及門鎖的耐久性能，發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品潛在的零件故障，為產(chǎn)品設(shè)計部門提供試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)外開手柄及門鎖試驗要求，試驗臺架需要完成模擬人力操作汽車外開手柄使車門實現(xiàn)開啟，開啟完成后仍需要操作車門實現(xiàn)關(guān)閉，以此定義為一個循環(huán)。在設(shè)定的常溫、高溫、低溫及高濕環(huán)境下，要求能夠無故障地完成對應(yīng)的試驗次數(shù)。試驗數(shù)據(jù)直接影響產(chǎn)品研發(fā)部門對零件狀態(tài)的判斷方向，所以試驗數(shù)據(jù)的準確性直接導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品優(yōu)化的方向。為了確保試驗數(shù)據(jù)的準確性，耐久試驗臺架施加在零件的的載荷均要求在設(shè)計范圍內(nèi)，確保試驗結(jié)果能夠正確反應(yīng)試驗樣件的真實狀態(tài)。

3 臺架設(shè)計

3.1 臺架材料的選擇

針對試驗臺架原材料的選擇，對比了幾種原材料的優(yōu)缺點后，選擇了鋁型材作為臺架的原材料，主要因為：（1）鋁型材是鋁制品，在與空氣，水，石油化學(xué)體系中以及高低溫等惡劣環(huán)境下，具有良好的抗腐蝕性;（2）鋁型材上自帶有專門的T型槽，方便臺架的拆裝;（3）鋁型材耐臟，且易處理，保養(yǎng)工作簡單;（4）鋁型材輕巧，開展工作難度小，搬運方便[2];確定了臺架基本原材料的選擇之后，就可以確定臺架的基本框架材料選擇;根據(jù)試驗要求，外開手柄及門鎖均要求以實車安裝方式安裝在車門內(nèi)，試驗臺架要求將車門固定在臺架上，同時在臺架內(nèi)完成要求動作，根據(jù)這些要求，現(xiàn)場制定臺架框架大小并實施搭建。

3.2 驅(qū)動方式的選擇

驅(qū)動汽車外開手柄解鎖及車門開關(guān)，需要滿足以下幾個條件：（1）驅(qū)動方式能實現(xiàn)模擬操作人力解鎖手柄及開關(guān)門;（2）驅(qū)動方式需能實現(xiàn)監(jiān)控試驗要求的推拉力大小;（3）臺架動力來源能滿足試驗要求的高低溫環(huán)境;（4）該驅(qū)動裝置運行速度大小可調(diào);（5）該動力來源經(jīng)濟實惠，性價比高[3]。綜合各個因素考慮，最終考慮使用氣缸作為該試驗臺架的驅(qū)動裝置，主要由于使用壓縮空氣作為氣源的氣缸相對于其他油缸、電缸等執(zhí)行裝置，能滿足該試驗的要求，同時氣缸采購成本低，安裝容易，易于保養(yǎng)等優(yōu)點，適合當前耐久試驗臺架的選擇。

3.3 模擬密封力加載方式的選擇

試驗過程中，在試驗臺架上，需要設(shè)計一個載荷，該載荷加載在門鎖附近，以便能夠模擬車門關(guān)閉時門框上的導(dǎo)槽密封條對車門的反作用力。該載荷的加載要求為：（1）能夠模擬車門關(guān)閉時車門所受反作用力的狀態(tài)，即隨著關(guān)門即出現(xiàn)、開關(guān)即消失，（2）力值大小隨著關(guān)門進度而隨之增加，（3）最終載荷大小可調(diào)并能夠滿足設(shè)計要求。根據(jù)以上要求，對比氣缸加載及重物加載以及彈簧加載等多種加載方式后，現(xiàn)場選擇使用彈簧為試驗臺架的加載方式。為了保證門鎖在上鎖時所收的模擬密封力跟車門保持接近一致性，現(xiàn)場決定在門鎖安裝位置的上下均安裝一個同型號的彈簧，兩彈簧力共同作用在門上實現(xiàn)密封力的模擬。

3.4 控制系統(tǒng)和監(jiān)控元件的選擇

由于本試驗臺架是采用壓縮空氣未能量來源，使用氣缸為執(zhí)行機構(gòu)，在控制系統(tǒng)的選擇上，由于本試驗為耐久試驗，試驗設(shè)備需要長時間保持運行狀態(tài)，所以現(xiàn)場采用PLC為控制系統(tǒng)，主要由于：（1）PLC可編程方法簡單易學(xué)，（2）PLC功能強，性能價格比高，（3）硬件配套齊全，用戶使用方便，（4）可靠性高，抗干擾能力強，綜合PLC程序控制的優(yōu)點，采用PLC程序控制，實現(xiàn)臺架的機電一體化功能，不僅可以完成臺架的自動控制，自動計數(shù)，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)自動循環(huán)等功能[4]。

根據(jù)試驗要求，耐久試驗試驗過程中，需要控制氣缸的操作力大小，包括外開手柄的解鎖力，開關(guān)門力，同時還要監(jiān)控車門的關(guān)門速度。因為氣缸的推拉力大小主要體現(xiàn)在氣壓大小上，所以可采用可調(diào)壓力表來調(diào)節(jié)氣壓大小來實現(xiàn)推拉力大小的調(diào)整;可選用節(jié)流閥來控制氣體的流速，實現(xiàn)解鎖速度的調(diào)節(jié);可選用力傳感器來監(jiān)控彈簧力大小，使用速度傳感器來監(jiān)控車門的關(guān)門速度。

以上，試驗臺架的原材料和臺架搭建方案都確定之后，試驗臺架的整體輪廓也就成型了。

如圖1，在搭建耐久試驗臺架時，根據(jù)車門大小搭建完成臺架基架1之后，將車門按照實車固定在汽車上的方式固定安裝，安裝完成之后，將試驗零件：外開手柄，門鎖，拉鎖、鎖扣等以實車裝配方式安裝在車門上。同時根據(jù)設(shè)計方案完成試驗臺架。

4 試驗數(shù)據(jù)的計算

在本次試驗中，需要保證外開手柄是解鎖力大小和彈簧力大小滿足是要求，根據(jù)氣缸的制作原理：壓縮空氣進如入氣缸的大腔作用在氣缸桿滑塞頭上，氣缸桿在壓縮空氣作用下往外推，實現(xiàn)氣缸外推動作;壓縮空氣進如入氣缸的小腔作用在氣缸桿滑塞頭上，氣缸桿在壓縮空氣作用下往回收，實現(xiàn)氣缸回收動作;故氣缸的推拉力所需用的氣壓大小可根據(jù)壓強-壓力公式計算;

P1=F1/S1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

P2=F2S2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中P1，P2分別是氣缸外推和回收所需要用的氣壓大小，P1、F2分別是設(shè)計要求氣缸的外推力和回收力大小;S1、S2分別是氣缸桿滑塞頭在大腔和小腔內(nèi)氣體的作用面積。

而氣缸桿滑塞頭的橫截面積可由氣缸型號查詢;其杠桿的橫截面可用游標卡滯測量直徑的方式，在通過計算求得;

S2=S1-S3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

S1=π（D/2）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

S3=π（d/2）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中D為氣缸的內(nèi)徑，如現(xiàn)場選用的氣缸鋼型號為CG1BN20-75-XB7，可知氣缸內(nèi)徑為20mm;d為其杠桿的直徑。根據(jù)上式可確定氣缸的氣壓需求，進而通過調(diào)壓閥設(shè)定。

5 臺架的運行過程

根據(jù)試驗要求，外開手柄及門鎖的動作要求為：外開手柄解鎖—車門彈開-手柄回位-車門打開-車門關(guān)閉;同時手柄的解鎖力，開關(guān)門力，關(guān)門速度以及密封力均有設(shè)計值要求，試驗過程中還需要對手柄的解鎖力、密封力以及關(guān)門速度的大小實施監(jiān)控，同時還要監(jiān)控車門是否開啟到位。根據(jù)此要求，現(xiàn)場使用PLC設(shè)計臺架控制邏輯，實現(xiàn)試驗的開展。

而本次臺架試驗的試驗原理為：

1）啟動設(shè)備;

2）壓縮空氣通過PLC控制柜、調(diào)壓閥、節(jié)流閥進入解鎖氣缸小腔，氣缸在壓縮空氣作用下回收，拉動手柄解鎖;

3） 門鎖解鎖后，車門在彈簧的彈力作用下解鎖彈開，車門彈開的同時，PLC控制壓縮空氣通過節(jié)流閥進入開門氣缸大腔，開門氣缸緩慢伸出，將門打開到試驗設(shè)計要求位置后氣缸回收;

4）車門到達要求位置后，小磁鐵通過自身磁力作用將車門定位，確保車門定位在設(shè)定位置;

5）PLC控制壓縮空氣進入關(guān)門氣缸大腔，關(guān)門氣缸伸出，推動車門實現(xiàn)上鎖，關(guān)門過程中速度傳感器監(jiān)控關(guān)門速度值;

6）車門上鎖后，彈簧被擠壓，對門產(chǎn)生反作用彈力，該反作用力即模擬實車門框膠條對門鎖的反作用力

7）重復(fù)2）～6），繼續(xù)下一個循環(huán)，直至完成所有次數(shù)要求

8）PLC可編程程序系統(tǒng)中加入了氣壓報警、試驗計數(shù)滿報警、試驗超時報警等報警功能，如臺架耐久試驗過程中出現(xiàn)異常第一時間產(chǎn)生反饋。

以上為實現(xiàn)耐久試驗的一個過程，一個過程完成之后，利用PLC程序的自動循環(huán)指令，將該過程又重新開始，同時加入計數(shù)累計指令，將試驗次數(shù)累計，直至完成要求試驗次數(shù)，同時在PLC程序中加入了其他報警功能，在試驗過程中出現(xiàn)問題時，臺架會自動報警并暫停試驗，提醒巡視檢查人員注意，大大減少了巡視檢查人員的工作量，實現(xiàn)了機電一體化功能。

以上為臺架的設(shè)計與實施過程，使用該臺架，可排除車門、膠條、水切等車門附件對玻璃升降器的干擾測量電動玻璃升降器的運行電流，堵轉(zhuǎn)電流及對應(yīng)對應(yīng)不同位置上下堵轉(zhuǎn)時的堵轉(zhuǎn)力值大小，同時還能夠測量玻璃升降器的剛度值大小和標定玻璃升降器的輸入電壓及最大輸出力值的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合試驗標準評價玻璃升降器的性能好壞，為產(chǎn)品設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)依據(jù)。

6 結(jié)束語

通過對手動玻璃升降器耐久試驗臺架的研究，結(jié)合現(xiàn)場試驗的實際需求，成功設(shè)計出來汽車車門手動玻璃升降器耐久試驗臺架。該臺架經(jīng)過多次耐久試驗驗證之后，臺架的可靠性能極高，目前已應(yīng)用到多項手動玻璃升降器耐久試驗項目中，并很好的履行耐久試驗臺架的功能，發(fā)現(xiàn)了很多新產(chǎn)品潛在的故障，為研發(fā)部門的整改提供了方向。目前該臺架已申請了國家專利，并投入在多項手動玻璃升降器耐久試驗項目中，相信在手動玻璃升降器耐久試驗領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻：

[1]（德）理查德（Richard，F(xiàn).）.現(xiàn)代汽車技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]付百學(xué).汽車試驗技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[3]趙立軍.汽車試驗學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2008.

[4]公利濱.歐姆龍PLC培訓(xùn)教材[M].北京：中國電力出版社，2012.