基于組合繼電器的越野車(chē)自動(dòng)踏板控制方案

陳立霆， 王關(guān)海， 韓 彬， 王 巍， 蔡伯松， 馬文聰

（一汽解放汽車(chē)有限公司， 吉林 長(zhǎng)春 130000）

隨著汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，大型越野車(chē)在人機(jī)工程方面的設(shè)計(jì)越來(lái)越受重視，用戶在登車(chē)踏板方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)越野車(chē)上下車(chē)門(mén)使用固定式踏板，與車(chē)側(cè)門(mén)處于同一垂直面，踏板不能外伸。人員上車(chē)時(shí)必須借助登車(chē)扶手，手臂和腿同時(shí)用力到達(dá)上車(chē)目標(biāo)。下車(chē)時(shí)，需要后背朝向車(chē)外，用腳尖盲探登車(chē)踏板，踩住踏板然后下車(chē)。大型越野車(chē)車(chē)體地板與地面垂直高度普遍達(dá)1.2m以上，從人機(jī)工程角度觀察，固定踏板方式費(fèi)力且完全不夠方便。從安全性角度觀察，人員上車(chē)時(shí)有鞋底與踏板打滑導(dǎo)致小腿及膝蓋磕傷風(fēng)險(xiǎn)。

參考國(guó)內(nèi)某大型越野車(chē)，本文設(shè)計(jì)一種新型越野車(chē)自動(dòng)踏板控制方案。該大型越野車(chē)為整體式車(chē)身，最大座位數(shù)量達(dá)16座以上。車(chē)門(mén)5個(gè)，分別為僅供駕駛員和副駕駛員出入的主駕駛門(mén)、副駕駛門(mén)，供所有成員出入的左中門(mén)、右中門(mén)和尾門(mén)?？紤]到主副駕駛門(mén)使用人數(shù)各1人，使用頻次低，左中門(mén)、右中門(mén)和尾門(mén)使用頻次高，累計(jì)單次使用人數(shù)10人以上，從成本考慮，左中門(mén)、右中門(mén)和尾門(mén)采用自動(dòng)踏板方案，操作車(chē)門(mén)，車(chē)門(mén)對(duì)應(yīng)踏板自動(dòng)收放，各車(chē)門(mén)獨(dú)立控制，互不影響。主駕駛門(mén)、副駕駛門(mén)仍使用傳統(tǒng)固定式登車(chē)踏板。

本自動(dòng)踏板控制方案由報(bào)警控制器、控制電路、電磁閥、氣缸及機(jī)械結(jié)構(gòu)等部分組成。打開(kāi)左中、右中、尾門(mén)某個(gè)或某幾個(gè)車(chē)門(mén)時(shí)，對(duì)應(yīng)位置踏板自動(dòng)外翻，從垂直收起狀態(tài)繞軸旋轉(zhuǎn)約90°變?yōu)樗?，供乘員踩踏上車(chē)。乘員上車(chē)關(guān)閉車(chē)門(mén)后，踏板自動(dòng)上翻90°，重新回到與地面垂直的初始狀態(tài)。如圖1 所示。另外，在踏板外翻和收起前，在踏板附近車(chē)體上有聲光提醒。

圖1 踏板狀態(tài)

1 單個(gè)車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板控制方案

本設(shè)計(jì)方案由報(bào)警控制器、控制電路、電磁閥、氣缸組成一個(gè)車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板的控制系統(tǒng)。通過(guò)車(chē)門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉兩種狀態(tài)變化，經(jīng)過(guò)報(bào)警控制器及控制電路、氣路、機(jī)械結(jié)構(gòu)后，完成踏板自動(dòng)外翻和自動(dòng)收起，并伴有警示燈和蜂鳴器警示音。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 單個(gè)車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如下。電路控制系統(tǒng)由整車(chē)提供24V電源和搭鐵線。氣路控制系統(tǒng)由整車(chē)提供氣源。當(dāng)車(chē)門(mén)打開(kāi)/關(guān)閉狀態(tài)變化時(shí)，安裝在車(chē)門(mén)上的門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通/斷開(kāi)，輸出搭鐵信號(hào)/不輸出信號(hào) （以下簡(jiǎn)稱輸出空信號(hào)）。每當(dāng)報(bào)警控制器檢測(cè)到某門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，立即輸出電壓給安裝在該車(chē)門(mén)踏板附近的警示燈和蜂鳴器，使之產(chǎn)生預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)的閃爍燈光和蜂鳴報(bào)警音，提示該車(chē)門(mén)附近乘員自動(dòng)踏板即將動(dòng)作。

門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)控制電路處理后，輸出電信號(hào)給對(duì)應(yīng)的電磁閥。電磁閥1/電磁閥2收到電信號(hào)后其中一個(gè)電磁閥的閥門(mén)打開(kāi)，該閥門(mén)氣路與整車(chē)氣源貫通，從氣缸的一端充氣；另一個(gè)電磁閥與大氣壓連通，氣缸內(nèi)活塞在壓強(qiáng)差的作用下向設(shè)定方向動(dòng)作，帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，拉動(dòng)踏板使之打開(kāi)/收起。

當(dāng)車(chē)門(mén)關(guān)閉而當(dāng)前踏板未收起，或車(chē)門(mén)打開(kāi)而踏板未放下，則報(bào)警控制器向整車(chē)組合儀表發(fā)送報(bào)警信號(hào)，儀表進(jìn)行文字提示，提醒駕駛員自動(dòng)踏板狀態(tài)異常請(qǐng)進(jìn)行檢查。

1.1 電磁閥、氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)

控制電路后接2個(gè)電磁閥和氣缸。2個(gè)電磁閥的進(jìn)氣管接整車(chē)氣源，出氣管分別接氣缸兩端，當(dāng)控制電路輸出給其中一個(gè)電磁閥電信號(hào)指令的時(shí)候，電磁閥動(dòng)作，對(duì)應(yīng)氣路貫通，電磁閥出氣管1或出氣管2給氣缸從一端快速充氣，氣室A或氣室B一端氣壓增大，另一端與大氣連通，氣壓差推動(dòng)氣缸內(nèi)部活塞運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)連接踏板的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，踏板繞其固定在車(chē)體上的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)踏板收起和踏板打開(kāi)的狀態(tài)切換。當(dāng)控制電路輸出給另一個(gè)電磁閥電信號(hào)指令時(shí)，氣缸會(huì)從另一端充氣，帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)反向動(dòng)作改變踏板狀態(tài)。氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3。電磁閥與氣缸連接氣路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖4 氣路結(jié)構(gòu)

1.2 控制電路

單個(gè)車(chē)門(mén)的控制電路如圖5所示，由一個(gè)5腳繼電器和2個(gè)4腳延時(shí)繼電器組成。5腳繼電器K1為主繼電器。2個(gè)4腳延時(shí)繼電器為從動(dòng)繼電器。主繼電器用于控制從動(dòng)繼電器，從動(dòng)繼電器用于控制2個(gè)電磁閥。

圖5 單個(gè)車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板控制電路

某越野車(chē)門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)在車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)，車(chē)門(mén)警報(bào)開(kāi)關(guān)連通整車(chē)的搭鐵線，向K1主繼電器輸出搭鐵信號(hào)。車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)，門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)與整車(chē)搭鐵線斷開(kāi)，向K1主繼電器輸出空信號(hào)。車(chē)門(mén)警報(bào)開(kāi)關(guān)信號(hào)作為主繼電器K1的輸入信號(hào)，使K1分別處于常閉觸點(diǎn)接通和常開(kāi)觸點(diǎn)接通狀態(tài)。K1常閉觸點(diǎn)的輸出引腳與常開(kāi)觸點(diǎn)的輸出引腳分別作為延時(shí)收起繼電器K2和延時(shí)打開(kāi)繼電器K3的控制端。K2和K3繼電器控制相應(yīng)電磁閥動(dòng)作，分別從不同方向給氣缸充氣，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)踏板自動(dòng)收起或打開(kāi)。

延時(shí)繼電器是指繼電器從獲得輸入信號(hào)開(kāi)始，到觸頭動(dòng)作有一定延時(shí)，其延時(shí)符合準(zhǔn)確度要求的繼電器。K2、K3選用延時(shí)繼電器，可以在車(chē)門(mén)關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)，門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)后，經(jīng)一定的延遲時(shí)間 （自定義） 后再使踏板收起或放開(kāi)，避免車(chē)門(mén)關(guān)閉和打開(kāi)瞬間踏板動(dòng)作，操作乘員閃避不及時(shí)導(dǎo)致踏板碰撞身體受傷。

1.2.1 報(bào)警控制器的作用

報(bào)警控制器有兩個(gè)作用：一是踏板動(dòng)作警示。車(chē)門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)變化，報(bào)警控制器管腳8在接收到門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)信號(hào)變化的瞬時(shí)通過(guò)管腳5驅(qū)動(dòng)警示燈和蜂鳴器工作，提醒乘員踏板即將動(dòng)作。管腳5的驅(qū)動(dòng)電壓在自定義時(shí)長(zhǎng)后取消，警示燈和蜂鳴器停止工作。踏板在經(jīng)過(guò)自定義的延遲時(shí)間后進(jìn)行收起或放下動(dòng)作。二是踏板狀態(tài)異常報(bào)警。報(bào)警控制器按照設(shè)定時(shí)間間隔比較管腳7采集的踏板收起開(kāi)關(guān)信號(hào)和管腳8采集的車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)識(shí)別出踏板狀態(tài)異常，即車(chē)門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)且踏板處于收起狀態(tài)，或車(chē)門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)且踏板處于未收起狀態(tài)，此時(shí)，報(bào)警控制器內(nèi)部開(kāi)始計(jì)時(shí)，若超過(guò)延時(shí)繼電器的設(shè)定延遲時(shí)長(zhǎng)，管腳7和管腳8的信號(hào)比較結(jié)果仍未變化，則報(bào)警控制器通過(guò)CAN線向整車(chē)組合儀表發(fā)送報(bào)警信號(hào)，組合儀表液晶屏出現(xiàn)提示文字“踏板狀態(tài)異常”，提醒駕駛員進(jìn)行檢查處理。

1.2.2 單個(gè)車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板控制電路

K1繼電器的30腳、86腳接通24V常電，85腳接收門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)的電信號(hào)，常閉觸點(diǎn)87a接到延時(shí)繼電器K2的86腳，常開(kāi)觸點(diǎn)87腳接到延時(shí)繼電器K3的86腳。K2繼電器的87腳接電磁閥1線圈端 （控制踏板收起），K3繼電器的87端接電磁閥2線圈端 （控制踏板打開(kāi)）。K2、K3繼電器的30端接24V常電，85腳搭鐵。

當(dāng)車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)，門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)彈出，開(kāi)關(guān)輸出搭鐵信號(hào)，K1繼電器的線圈端85腳電壓為0V，86腳為24V，K1繼電器線圈端85/86之間產(chǎn)生24V電勢(shì)差，K1繼電器銜鐵吸合，常閉觸點(diǎn)87a與30腳斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)87與30腳接通。K2繼電器線圈端86/85之間無(wú)電勢(shì)差，不動(dòng)作。K1繼電器輸出給K3繼電器86腳24V電壓，使K3繼電器 86/85腳存在24V電勢(shì)差，K3繼電器銜鐵吸合，K3繼電器的87腳輸出24V電壓給電磁閥2線圈端，電磁閥2動(dòng)作，該電磁閥出氣管與整車(chē)氣路貫通，使氣缸充氣，推動(dòng)活塞向外運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)踏板打開(kāi)。

當(dāng)車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)，門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)壓縮，輸出空信號(hào)，K1繼電器的線圈端85為懸空，86為24V，85/86之間無(wú)電勢(shì)差，K1繼電器銜鐵不吸合，常閉觸點(diǎn)87a與30腳保持接通，常開(kāi)觸點(diǎn)87b無(wú)電信號(hào)，無(wú)任何輸出。K1繼電器輸出給K2繼電器86腳24V電壓，使K2繼電器86/85存在24V電勢(shì)差，K2繼電器銜鐵吸合，K2的87與30接通，87腳輸出24V電壓給電磁閥1線圈端，電磁閥1動(dòng)作，該電磁閥出氣管與整車(chē)氣路貫通，使氣缸充氣，推動(dòng)活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)踏板收起。

門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)輸出的兩種信號(hào)分別是搭鐵信號(hào)和空信號(hào)，分別定義為1和0。根據(jù)門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入，對(duì)應(yīng)的繼電器和踏板收起開(kāi)關(guān)的輸出波形如圖6所示。

圖6 輸入輸出波形

2 多個(gè)車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板控制電路

通常一輛車(chē)具備多個(gè)車(chē)門(mén)，如某越野車(chē)左車(chē)門(mén)、右車(chē)門(mén)、尾門(mén)設(shè)置為自動(dòng)踏板，正確的控制邏輯應(yīng)是打開(kāi)某車(chē)門(mén)時(shí)對(duì)應(yīng)的警示燈蜂鳴器工作、自動(dòng)踏板動(dòng)作，其他車(chē)門(mén)警示燈、蜂鳴器、踏板不工作。多車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板控制電路 （圖7）是將多套控制電路并聯(lián)組合，將每個(gè)單車(chē)門(mén)控制電路的輸入電源并聯(lián)，所有的搭鐵信號(hào)并聯(lián)，即每個(gè)車(chē)門(mén)控制電路報(bào)警控制器電源、主繼電器的30腳和86腳、延時(shí)繼電器的30腳并聯(lián)在24V常電上，所有報(bào)警控制器的搭鐵管腳、延時(shí)繼電器的85腳并聯(lián)搭鐵即可。報(bào)警控制器的預(yù)置管腳分別接入各車(chē)門(mén)的門(mén)開(kāi)警報(bào)開(kāi)關(guān)信號(hào)、踏板收起開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)識(shí)別和比較各開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行警示燈、蜂鳴器報(bào)警控制及異常情況向組合儀表報(bào)警。

圖7 多個(gè)車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板控制電路

多車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板控制電路并聯(lián)的好處是可以將輸入電源統(tǒng)一管理，方便集中設(shè)置熔斷絲，便于維修檢查線路。報(bào)警控制器僅使用一個(gè)進(jìn)行集中控制，降低成本。

3 結(jié)論

本車(chē)門(mén)自動(dòng)踏板設(shè)計(jì)方案具有原理簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、成本低廉的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了越野車(chē)打開(kāi)車(chē)門(mén)后登車(chē)踏板自動(dòng)外翻打開(kāi)、關(guān)閉車(chē)門(mén)后登車(chē)踏板自動(dòng)豎直收起的功能，并能在自動(dòng)踏板收放之前進(jìn)行聲光提醒乘員注意踏板動(dòng)作，還具有踏板狀態(tài)異常報(bào)警能力。控制電路中使用延時(shí)繼電器，使踏板在車(chē)門(mén)打開(kāi)/關(guān)閉瞬間踏板并不動(dòng)作，經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)滯才會(huì)打開(kāi)/收起，一定的緩沖時(shí)間結(jié)合聲光提醒能讓車(chē)門(mén)操作者及乘員避開(kāi)踏板，避免砸傷身體。在實(shí)際使用中，越野車(chē)用戶表示自動(dòng)踏板使用方式新穎，科技感高，極大地提升了登車(chē)和下車(chē)體驗(yàn)。此設(shè)計(jì)方案已在某越野車(chē)上完成了10000km的地區(qū)適應(yīng)性試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了該自動(dòng)踏板設(shè)計(jì)方案具有良好的可靠性和耐久性。