轎車閉鎖器性能檢測中模擬負(fù)載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

王秋芳，張學(xué)忱，李躍光，李慶華

(1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022;2.長春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

閉鎖器是轎車中央閉鎖系統(tǒng)中電動門鎖的重要組成部件，其控制轎車電動門鎖的鎖止機(jī)構(gòu)，如果閉鎖器置于關(guān)閉狀態(tài)，轎車電動門鎖的鎖止機(jī)構(gòu)保障門鎖處于全鎖緊位置，門鎖除非常情況外是不能被打開的。90年代初期國外汽車制造廠家開始將轎車中央閉鎖系統(tǒng)應(yīng)用于中、高檔轎車上［2］，隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，閉鎖系統(tǒng)己廣泛的應(yīng)用于國產(chǎn)的各種車型中，而閉鎖器的性能可靠性決定著轎車行駛的安全性和駐車時的防盜性，因此轎車閉鎖器在出廠前必需進(jìn)行性能檢測。

1 閉鎖器工作原理

某型轎車閉鎖器的工作原理如圖1所示，當(dāng)電機(jī)接到啟動信號后帶動小齒輪開始轉(zhuǎn)動，通過齒輪傳動1驅(qū)動齒輪傳動2轉(zhuǎn)動，齒輪傳動2中的扇形齒輪帶動驅(qū)動桿(與外部鎖舌一體)轉(zhuǎn)動完成一次鎖緊。

閉鎖器的電動推拉力負(fù)載特性決定閉鎖能力，要求閉鎖器在線檢測設(shè)備提供模擬出實際汽車車門閉鎖過程中的負(fù)載，使閉鎖器具有瞬時的沖擊性，還要有持續(xù)的阻尼力。閉鎖器由直流電機(jī)、齒輪(扇型齒輪)、離心式離合器、微動開關(guān)和驅(qū)動桿等組成，驅(qū)動桿與閉鎖器外部的鎖舌是一體的，保持同速轉(zhuǎn)動，離心式離合器和電機(jī)輸出小齒輪之間設(shè)有撥叉，其中離心式離合器的作用是:當(dāng)手動推拉閉鎖器鎖舌時(即模擬用鑰匙開鎖時)，離心式離合器將直流電機(jī)與齒輪組分開不隨著轉(zhuǎn)動，以減小直流電機(jī)對手動推拉力的阻力。閉鎖器不通電時，手動推拉鎖舌的力值要小于3N，以保證用鑰匙開鎖時的最小扭矩要求。閉鎖器通電時的瞬間沖擊力＞45N和沖擊過后要求鎖舌達(dá)到末端位置過程的持續(xù)穩(wěn)定力＞25N，確保閉鎖器可靠閉鎖。因此模擬負(fù)載裝置要滿足負(fù)載范圍1N—50N，控制精度為滿量程的±2%和能夠測量閉鎖器的最大沖擊力的要求。

圖1 閉鎖器工作原理圖

2 模擬負(fù)載機(jī)構(gòu)設(shè)計

模擬負(fù)載機(jī)構(gòu)要實現(xiàn)負(fù)載力的施加，它的設(shè)計關(guān)系到設(shè)備的整體動態(tài)測量性能。由于閉鎖器的鎖舌做定心擺動，在做閉鎖力檢測時，節(jié)拍很短，且閉鎖器鎖舌在車門閉鎖過程中做大約20°左右的往復(fù)擺動。為了更真實地模擬車門閉鎖的實際負(fù)載的過程，進(jìn)行了三種模擬負(fù)載方式實驗分析，一是采用摩擦阻尼方式存在的主要問題是動靜摩擦系數(shù)不同，導(dǎo)致鎖舌在行程過程中的負(fù)載變化較大，影響檢測精度。二是采用液壓小孔阻尼方式對液壓阻尼缸的制造精度要求高，既要求摩擦力小，同時沒有泄露，使液壓油的泄漏補(bǔ)充非常復(fù)雜。三是本文采用的電動隨動阻尼方式，其控制原理與結(jié)構(gòu)如圖2所示，在伺服系統(tǒng)的負(fù)荷反饋控制下，直流電機(jī)在系統(tǒng)指令下輸出轉(zhuǎn)矩，通過滾珠絲杠以直線進(jìn)給運(yùn)動連接運(yùn)動輸出端，且模擬的負(fù)載平穩(wěn)，當(dāng)控制系統(tǒng)在位移反饋控制下還可以模擬手動推拉力，一套裝置可完成兩個功能。

圖2 電動隨動阻尼模擬負(fù)載機(jī)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，直流電機(jī)軸與絲杠軸之間采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接，傳動部分選用了精密微型滾珠絲杠螺母副，它不僅傳動精度高、并且可逆、同步性好，可將直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相互轉(zhuǎn)化并實現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。該結(jié)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲杠和光軸轉(zhuǎn)變成掛鉤驅(qū)動臂的直線運(yùn)動，光軸右端連接高精度的S型拉壓傳感器［3］，用于測量拉壓力。該模擬機(jī)構(gòu)與力反饋閉環(huán)控制電路一起構(gòu)成一個力閉環(huán)的伺服模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理如下:在沖擊段的模擬過程中，力控制指令設(shè)置為35N，這時模擬負(fù)載電機(jī)對鎖舌施加35N力值，給閉鎖器加電逆向推模擬負(fù)載，測量系統(tǒng)測量瞬時峰值及推動位移，判斷是否達(dá)到要求。持續(xù)力模擬是在沖擊力過后將力控制指令降為25N，在對閉鎖器持續(xù)施加25N力的情況下，測量閉鎖器是否能夠?qū)㈡i舌推到規(guī)定的位置而不滑脫。模擬負(fù)載電機(jī)在整個負(fù)載模擬期間始終是以力反饋的方式對閉鎖器逆向施加指令規(guī)定的負(fù)載力。

3 模擬負(fù)載機(jī)構(gòu)中關(guān)重件的有限元分析

在檢測閉鎖器閉鎖力的大小以及模擬實際負(fù)載這些關(guān)鍵運(yùn)動時，掛鉤機(jī)構(gòu)要進(jìn)行多次協(xié)作，它的強(qiáng)度和剛度決定設(shè)計的可靠性，特別是經(jīng)過反復(fù)檢測后，會出現(xiàn)掛鉤掛不準(zhǔn)，機(jī)構(gòu)受力變形等問題，因此要進(jìn)行掛鉤機(jī)構(gòu)的有限元分析。

3.1 掛鉤驅(qū)動臂有限元分析

使用SolidWorks軟件對掛鉤驅(qū)動臂建立有限元模型，添加載荷與約束，閉鎖器受到的最大沖擊力為50N，掛鉤驅(qū)動臂材料為45鋼，其彈性模量2.05×1011N/m2，泊松比0.29，抗剪模量8×1010N/m2，密度7850 kg/m3，張力強(qiáng)度625Mpa，屈服強(qiáng)度530Mpa。利用雅可比四點法進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的仿真分析如圖3所示，可看出應(yīng)力、位移變化集中在與掛鉤掛軸連接處和結(jié)構(gòu)變化突變處。計算得最大應(yīng)力為3Mpa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度530Mpa，結(jié)構(gòu)變化突變處出現(xiàn)的最大位移約0.59um。

圖3 掛鉤有限元分析云圖

3.2 掛鉤掛軸有限元分析

使用Solid Works Simulation軟件建立掛鉤掛軸有限元模型并添加邊界條件，掛鉤掛軸材料為45鋼，其材料屬性同上。利用雅可比四點法網(wǎng)格劃分后的仿真分析結(jié)果如圖4所示，由于掛軸要插入鎖舌孔內(nèi)，閉鎖器鎖舌的孔徑僅為Φ3mm，掛軸的端部承受的應(yīng)力較大?？煽闯鑫灰坪蛻?yīng)力變化集中在掛鉤掛軸的端部，求得的最大應(yīng)力為13Mpa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度530Mpa。由于在Φ3的軸端部的最大變形為0.33μm，故把掛鉤掛軸的端部設(shè)計成倒角結(jié)構(gòu)而對掛鉤起導(dǎo)向作用，使兩者配合后有0.5mm的余量，因而能保證掛鉤功能的實現(xiàn)。

圖4 掛鉤掛軸有限元分析云圖

4 模擬負(fù)載力的試驗測試結(jié)果

在研制的轎車閉鎖器性能檢測臺上進(jìn)行某型轎車閉鎖器電動推拉力負(fù)載特性檢測，其結(jié)果如圖5所示，力曲線的開始段是瞬間力沖擊過程的動態(tài)變化區(qū)段［1］，振蕩比較大，過程持續(xù)約0.25秒，瞬間沖擊力值＞45N，趨于穩(wěn)定后持續(xù)力值約為25N。通過試驗檢測數(shù)據(jù)分析，所設(shè)計的模擬負(fù)載裝置滿足了對閉鎖器模擬實際受力情況的功能要求。

圖5 閉鎖器檢測臺實時采樣曲線

5 結(jié)語

本文根據(jù)轎車閉鎖器電動推拉力負(fù)載特性檢測要求，設(shè)計的電動隨動模擬負(fù)載裝置來模擬閉鎖器實際受力情況，實現(xiàn)了模擬負(fù)載平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，達(dá)到了模擬負(fù)載范圍1N-50N，控制精度為滿量程的±2%，同時能測量閉鎖器的最大沖擊力的要求。

［1］ 李杰，劉小星，李躍光.轎車閉鎖器測控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.長春大學(xué)學(xué)報，2010，20(12):1-3.

［2］ 李剛炎，楊明忠，肖佩，龔文.轎車中央閉鎖系統(tǒng)中閉鎖器典型結(jié)構(gòu)的研究［J］.汽車研究與開發(fā)，1996(6):29-31.

［3］ 謝文和.傳感器及其應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2003.