轿车闭锁器性能检测中模拟负载装置结构设计

王秋芳，张学忱，李跃光，李庆华

(1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022;2.长春大学 机械工程学院，长春 130022)

0 引言

闭锁器是轿车中央闭锁系统中电动门锁的重要组成部件，其控制轿车电动门锁的锁止机构，如果闭锁器置于关闭状态，轿车电动门锁的锁止机构保障门锁处于全锁紧位置，门锁除非常情况外是不能被打开的。90年代初期国外汽车制造厂家开始将轿车中央闭锁系统应用于中、高档轿车上［2］，随着我国汽车工业的发展，闭锁系统己广泛的应用于国产的各种车型中，而闭锁器的性能可靠性决定着轿车行驶的安全性和驻车时的防盗性，因此轿车闭锁器在出厂前必需进行性能检测。

1 闭锁器工作原理

某型轿车闭锁器的工作原理如图1所示，当电机接到启动信号后带动小齿轮开始转动，通过齿轮传动1驱动齿轮传动2转动，齿轮传动2中的扇形齿轮带动驱动杆(与外部锁舌一体)转动完成一次锁紧。

闭锁器的电动推拉力负载特性决定闭锁能力，要求闭锁器在线检测设备提供模拟出实际汽车车门闭锁过程中的负载，使闭锁器具有瞬时的冲击性，还要有持续的阻尼力。闭锁器由直流电机、齿轮(扇型齿轮)、离心式离合器、微动开关和驱动杆等组成，驱动杆与闭锁器外部的锁舌是一体的，保持同速转动，离心式离合器和电机输出小齿轮之间设有拨叉，其中离心式离合器的作用是:当手动推拉闭锁器锁舌时(即模拟用钥匙开锁时)，离心式离合器将直流电机与齿轮组分开不随着转动，以减小直流电机对手动推拉力的阻力。闭锁器不通电时，手动推拉锁舌的力值要小于3N，以保证用钥匙开锁时的最小扭矩要求。闭锁器通电时的瞬间冲击力＞45N和冲击过后要求锁舌达到末端位置过程的持续稳定力＞25N，确保闭锁器可靠闭锁。因此模拟负载装置要满足负载范围1N—50N，控制精度为满量程的±2%和能够测量闭锁器的最大冲击力的要求。

图1 闭锁器工作原理图

2 模拟负载机构设计

模拟负载机构要实现负载力的施加，它的设计关系到设备的整体动态测量性能。由于闭锁器的锁舌做定心摆动，在做闭锁力检测时，节拍很短，且闭锁器锁舌在车门闭锁过程中做大约20°左右的往复摆动。为了更真实地模拟车门闭锁的实际负载的过程，进行了三种模拟负载方式实验分析，一是采用摩擦阻尼方式存在的主要问题是动静摩擦系数不同，导致锁舌在行程过程中的负载变化较大，影响检测精度。二是采用液压小孔阻尼方式对液压阻尼缸的制造精度要求高，既要求摩擦力小，同时没有泄露，使液压油的泄漏补充非常复杂。三是本文采用的电动随动阻尼方式，其控制原理与结构如图2所示，在伺服系统的负荷反馈控制下，直流电机在系统指令下输出转矩，通过滚珠丝杠以直线进给运动连接运动输出端，且模拟的负载平稳，当控制系统在位移反馈控制下还可以模拟手动推拉力，一套装置可完成两个功能。

图2 电动随动阻尼模拟负载机构

在结构设计上，直流电机轴与丝杠轴之间采用膜片联轴器联接，传动部分选用了精密微型滚珠丝杠螺母副，它不仅传动精度高、并且可逆、同步性好，可将直线运动和旋转运动相互转化并实现往复运动。该结构将电机的旋转运动通过丝杠和光轴转变成挂钩驱动臂的直线运动，光轴右端连接高精度的S型拉压传感器［3］，用于测量拉压力。该模拟机构与力反馈闭环控制电路一起构成一个力闭环的伺服模拟系统，该系统的工作原理如下:在冲击段的模拟过程中，力控制指令设置为35N，这时模拟负载电机对锁舌施加35N力值，给闭锁器加电逆向推模拟负载，测量系统测量瞬时峰值及推动位移，判断是否达到要求。持续力模拟是在冲击力过后将力控制指令降为25N，在对闭锁器持续施加25N力的情况下，测量闭锁器是否能够将锁舌推到规定的位置而不滑脱。模拟负载电机在整个负载模拟期间始终是以力反馈的方式对闭锁器逆向施加指令规定的负载力。

3 模拟负载机构中关重件的有限元分析

在检测闭锁器闭锁力的大小以及模拟实际负载这些关键运动时，挂钩机构要进行多次协作，它的强度和刚度决定设计的可靠性，特别是经过反复检测后，会出现挂钩挂不准，机构受力变形等问题，因此要进行挂钩机构的有限元分析。

3.1 挂钩驱动臂有限元分析

使用SolidWorks软件对挂钩驱动臂建立有限元模型，添加载荷与约束，闭锁器受到的最大冲击力为50N，挂钩驱动臂材料为45钢，其弹性模量2.05×1011N/m2，泊松比0.29，抗剪模量8×1010N/m2，密度7850 kg/m3，张力强度625Mpa，屈服强度530Mpa。利用雅可比四点法进行网格划分后的仿真分析如图3所示，可看出应力、位移变化集中在与挂钩挂轴连接处和结构变化突变处。计算得最大应力为3Mpa，远小于材料的屈服强度530Mpa，结构变化突变处出现的最大位移约0.59um。

图3 挂钩有限元分析云图

3.2 挂钩挂轴有限元分析

使用Solid Works Simulation软件建立挂钩挂轴有限元模型并添加边界条件，挂钩挂轴材料为45钢，其材料属性同上。利用雅可比四点法网格划分后的仿真分析结果如图4所示，由于挂轴要插入锁舌孔内，闭锁器锁舌的孔径仅为Φ3mm，挂轴的端部承受的应力较大。可看出位移和应力变化集中在挂钩挂轴的端部，求得的最大应力为13Mpa，远小于材料的屈服强度530Mpa。由于在Φ3的轴端部的最大变形为0.33μm，故把挂钩挂轴的端部设计成倒角结构而对挂钩起导向作用，使两者配合后有0.5mm的余量，因而能保证挂钩功能的实现。

图4 挂钩挂轴有限元分析云图

4 模拟负载力的试验测试结果

在研制的轿车闭锁器性能检测台上进行某型轿车闭锁器电动推拉力负载特性检测，其结果如图5所示，力曲线的开始段是瞬间力冲击过程的动态变化区段［1］，振荡比较大，过程持续约0.25秒，瞬间冲击力值＞45N，趋于稳定后持续力值约为25N。通过试验检测数据分析，所设计的模拟负载装置满足了对闭锁器模拟实际受力情况的功能要求。

图5 闭锁器检测台实时采样曲线

5 结语

本文根据轿车闭锁器电动推拉力负载特性检测要求，设计的电动随动模拟负载装置来模拟闭锁器实际受力情况，实现了模拟负载平稳，结构简单，达到了模拟负载范围1N-50N，控制精度为满量程的±2%，同时能测量闭锁器的最大冲击力的要求。

［1］ 李杰，刘小星，李跃光.轿车闭锁器测控系统的设计［J］.长春大学学报，2010，20(12):1-3.

［2］ 李刚炎，杨明忠，肖佩，龚文.轿车中央闭锁系统中闭锁器典型结构的研究［J］.汽车研究与开发，1996(6):29-31.

［3］ 谢文和.传感器及其应用［M］.北京:高等教育出版社，2003.