轎車車門閉合力測試系統(tǒng)研究

宮玉琳，景治新，文垠錁，宋強

（長春理工大學電子信息工程學院，長春 130022）

轎車車門閉合力測試系統(tǒng)研究

宮玉琳，景治新，文垠錁，宋強

（長春理工大學電子信息工程學院，長春 130022）

隨著汽車技術的不斷發(fā)展，汽車的各項性能指標也在不斷提高，開關車門的難易程度成為衡量汽車質量的重要標準之一。車門閉合力測試系統(tǒng)可以為評價車門閉合力提供參考，為進一步評價車門性能以及車門和密封條結構有限元理論分析和實驗提供參考標準。對車門閉合力測試方法進行了研究，設計了車門閉合力測試系統(tǒng)，對于分析車門結構、車門密封性和車內噪聲等具有重要意義。仿真和實驗表明，系統(tǒng)具有結構簡單、使用方便、測試精度高等特點，可以為提高汽車車門關閉性能的測試提供重要的幫助。

車門；閉合力；霍爾傳感器

車門閉合力是衡量車門質量的重要指標，在汽車制造業(yè)采用車門閉合力表征車門的門軸系統(tǒng)與鎖系統(tǒng)的性能。車門閉合力測試系統(tǒng)可以為評價車門閉合力提供參考，為進一步評價車門性能以及車門和密封條結構有限元理論分析和實驗提供參考標準。

美國、日本等國家的測試系統(tǒng)在測試時，通常需要采用三角架來支撐測試儀器，使其與車門軸垂直并與車門邊緣距離為5～10mm，同時在車門相應位置粘貼特殊標記后才能進行測量，且只能測試車門邊緣測試點的線速度，而不具有數據處理及阻力值測試功能，具有一定的局限性。本系統(tǒng)在實現車門閉合速度測試的同時，可以對車門閉合力進行測試，對分析車門結構、車門密封性和車內噪聲等具有重要意義和廣泛的應用前景。

1 車門閉合力測量原理

用手關閉車門時，車門獲取一個繞門軸旋轉的初始角速度，然后在車門軸系統(tǒng)等阻力偶作用下產生一個反向角加速度，角速度逐漸降低。測量出該角加速度就可以間接側量出車門軸系統(tǒng)的阻力偶。如圖1所示，車門繞軸轉動的角速度與車門邊緣點的線速度有對應關系，車門邊緣考察點的線速度和角加速度可以通過車門邊緣參考點依次通過三個霍爾傳感器（A1、A2和A3）的時間來計算。

圖1 車門閉合力測量原理

圖1中，α為車門轉動角加速度；ω0為角速度；O為轉軸；OA為車門初始位置；R為車門寬度。計算時，初始角度為φ0；當車門轉到Ai（i=1，2，3）點時轉過的角度為φi，對應時間為ti；A1至A2點角度變化為Δφ1，時間間隔為Δt1；A2至A3點角度變化為Δφ2，時間間隔為Δt2。

由運動學方程得：

由式（1）可得：

消去ω0得：

由于傳感器間距遠小于車門寬度R，因此用傳感器間距代替車門轉過的弧長，即：

因此，由式（3）可計算得到車門角加速度α為：

車門可以看作定軸轉動剛體，忽略門軸不鉛垂等影響，門軸阻力偶可看作常量，可得阻力偶M為：

式中，J0=mρ2為車門繞門軸的轉動慣量；m為車門質量；ρ為車門的回轉半徑。

車門閉合速度v可由式（7）計算得到：

2 車門閉合力測試系統(tǒng)組成

車門閉合力測試儀組成如圖2所示，車門位置通過霍爾傳感器進行檢測，霍爾傳感器產生的信號經過放大和調理電路產生脈沖信號，信號輸入到微控制器，觸發(fā)中斷并開始計時，微控制器根據定時器得到時間Δt1和Δt2，并根據傳感器間距d1和d2、車門寬度R及車門質量m，根據式（6）和式（7）計算得到車門阻力偶M及車門閉合速度v，計算得到的結果通過液晶屏顯示出來。為滿足不同測試車型的需要，測試系統(tǒng)可以通過鍵盤設置車門質量M和車門半徑R，測試結果可以存儲到EEPROM中并可隨時讀取出來。為了方便測試用戶分析數據，測試系統(tǒng)可以通過串口與計算機通信，將數據上傳至計算機。

圖2 車門閉合力測試系統(tǒng)組成

（1）硬件電路設計

系統(tǒng)采用線性霍爾傳感器SS495A實現對車門位置的檢測，SS495A功能框圖和典型輸出特性如圖3所示，由霍爾電壓發(fā)生器，線性放大器和射極跟隨器組成，其輸入是磁感應強度，輸出是和輸入量成正比的電壓。SS495A的電源電壓為4.5～10.5V，線性輸出范圍-67～67mT，靜態(tài)輸出電壓2.5V，靈敏度3.125mV/G。

圖3 SS495A功能框圖和典型輸出特性

檢測原理如圖4所示。當車門邊緣經過霍爾傳感器時，通過霍爾傳感器的磁通量增大，霍爾傳感器的輸出電壓升高，通過檢測霍爾元件的輸出電壓即可實現對車門位置的檢測。

圖4 檢測原理

由于霍爾傳感器輸出電壓變化比較微弱，同時最大限度抑制噪聲干擾，因此需要對信號進行放大和降噪處理，信號處理電路如圖5所示，圖中為單獨一個霍爾傳感器信號處理電路，其余兩個傳感器的信號處理電路相同。圖中I1為霍爾傳感器的輸出，輸出信號通過三個集成運算放大器LM358構成儀用放大器，放大倍數為30倍，放大后的信號輸入到LM339構成的施密特觸發(fā)器，對信號進行整形，整形后的信號輸入到微控制器，用以觸發(fā)中斷。

微控制器電路如圖6所示，微控制器采用Luminary Micro公司的32位ARM處理器LM3S1138，工作頻率達到50MHz，具有件除法和單周期乘法運算單元以及32位定時器，可以滿足測試系統(tǒng)所需的高精度計時需求。

圖5 信號處理電路

圖6 LM3S1138微控制器電路

（2）軟件設計

軟件流程如圖7所示，當車門經過三個霍爾傳感器時，三路霍爾傳感器的信號處理電路依次產生一個脈沖信號，脈沖信號的上升沿將觸發(fā)微控制器中斷，定時器開始計時，記錄下車門經過霍爾傳感器之間的時間Δt1和Δt2，控制器進一步根據傳感器間距d1和d2、車門寬度R及車門質量m，通過式（6）和式（7）計算得到車門阻力偶M及車門閉合速度v，并將結果顯示在液晶屏上。

圖7 軟件流程圖

3 系統(tǒng)實驗

為驗證設計電路的有效性，本文搭建了實驗測試平臺，如圖8所示，圖8（a）為實驗硬件系統(tǒng)，測試過程中選用一金屬桿模擬車門邊緣，使金屬桿往復通過霍爾傳感器，霍爾傳感器產生相應的電壓變化，輸出的電壓經過放大和整形，得到最終的輸出信號，用以觸發(fā)微控制器中斷，輸出信號波形如圖8（b）所示。

圖8 實驗硬件系統(tǒng)

由圖可見，當金屬桿未通過霍爾傳感器時，信號處理電路輸出一高電平，當金屬桿經過霍爾傳感器時，信號處理電路輸出一個負脈沖波形，波形的下降沿即可觸發(fā)微控制器中斷。

為進一步測試系統(tǒng)性能，本文將設計的車門閉合力測試系統(tǒng)與德國的TGM 4.6車門閉合速度測試儀進行對比實驗（德國的TGM 4.6車門閉合速度測試儀只能對車門閉合速度進行測量），測量了某汽車車門的閉合速度，如表1所示。

表1 車門邊緣某點線速度測量數據對比（單位：m/s）

由實驗結果可見，本文設計的測試系統(tǒng)與德國TGM 4.6測試儀一致，滿足實際要求。

4 結論

本文設計的車門閉合力測試儀，可以同時滿足車門閉合速度和閉合力的測試，精度與德國的TGM 4.6車門閉合速度測試儀一致，可以滿足國內外汽車制造企業(yè)和汽車銷售與維修企業(yè)需求，且系統(tǒng)結構簡單，與國外昂貴的測試系統(tǒng)相比具有明顯的價格優(yōu)勢且維護方便，使用成本低，具有廣泛的推廣前景。

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Research on Closing Force Test System for Car Door

GONG Yulin，JING Zhixin，WEN Yinke，SONG Qiang
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

With the continuous development of automobile technology，the performance of the car is also increasing，the difficulty of opening and closing the door to become an important measure of the quality of one of the criteria.The door closing force test system can provide a reference for evaluating the door closing force，which can provide reference for the further evaluation of the door performance and the finite element theory analysis and experiment of the door and seal structure.In this paper，the test method of door closing force is studied，and the door closing force test system is designed，which is very important for the analysis of door structure，door sealing and interior noise.The simulation and experiment results show that the system has the advantages of simple structure，convenient use and high test precision，which can provide important help for improving the door closing performance test.

car door；closing force；hall sensor

TP23

A

1672-9870（2016）06-0044-04

2016-09-23

宮玉琳（1983-），男，博士，講師，E-mail：garrygong1983@126.com