王秋芳，張學(xué)忱，李躍光，李慶華

(1.長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022;2.長春大學(xué) 機械工程學(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，當電機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、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與齒輪組分開不隨著轉(zhuǎn)動，以減小直流電機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。因此模擬負載裝置要滿足負載范圍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 模擬負載機構(gòu)設(shè)計

模擬負載機構(gòu)要實現(xiàn)負載力的施加，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載的過程，進行了三種模擬負載方式實驗分析，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)的負荷反饋控制下，直流電機在系統(tǒng)指令下輸出轉(zhuǎn)矩，通過滾珠絲杠以直線進給運動連接運動輸出端，且模擬的負載平穩(wěn)，當控制系統(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載機構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，直流電機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，可將直線運動和旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)化并實現(xiàn)往復(fù)運動。該結(jié)構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠和光軸轉(zhuǎn)變成掛鉤驅(qū)動臂的直線運動，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，這時模擬負載電機對鎖舌施加35N力值，給閉鎖器加電逆向推模擬負載，測量系統(tǒng)測量瞬時峰值及推動位移，判斷是否達到要求。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。模擬負載電機在整個負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)定的負載力。

3 模擬負載機構(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載這些關(guān)鍵運動時，掛鉤機構(gòu)要進行多次協(xié)作，它的強度和剛度決定設(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，機構(gòu)受力變形等問題，因此要進行掛鉤機構(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，張力強度625Mpa，屈服強度530Mpa。利用雅可比四點法進行網(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，遠小于材料的屈服強度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，遠小于材料的屈服強度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行某型轎車閉鎖器電動推拉力負載特性檢測，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載特性檢測要求，設(shè)計的電動隨動模擬負載裝置來模擬閉鎖器實際受力情況，實現(xiàn)了模擬負載平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，達到了模擬負載范圍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.