一種具有汽車門鎖上凍檢測功能的裝置

王添 蘇贏 裴堯旺 段艷 楊萌萌

摘 要：隨著經濟的發展和汽車保有量的增加，汽車的舒適性成為人們的最重要考量因素之一。然而受到氣候和地域條件的影響，在北方的冬季經常會出現汽車門鎖上凍的情況，浪費了駕駛人大量的時間。本文設計的一款基于紅外傳感技術與單片機控制的機械式凸輪檢測裝置，可根據駕駛人的指令自動檢測門鎖是否上凍，提前告知駕駛人準備解凍工具，最大限度節省時間。

關鍵詞：自動檢測;人機交互;車門解凍;紅外傳感技術

近年來，汽車保有量不斷增長，汽車企業蓬勃發展，汽車技術日趨完善[1]，但是北方地區冬季車門上凍問題遲遲得不到解決。本文設計的檢測機構可以彌補這個空白，在已有的凸輪機構的基礎上改進，避免了電機的卡滯以及剛性、柔性沖擊，得到了理想的效果。

1 引言

在我國的北方地區，尤其是東北地區，冬季氣溫極低，滴水成冰;遇到雨雪等惡劣天氣時，汽車車門很容易凍住而打不開，這樣一來需要車主準備相關解凍工具，浪費了車主的寶貴時間，影響車主的正常出行。目前缺少一款自動檢測裝置，使得駕駛人預知車門能否正常開啟，駕駛人可以有針對性的準備相關工具。

2 機構設計

2.1 設計目的

當車主對檢測機構發出信息指令時，機構判斷車門是否能順利開啟并且及時反饋給車主。

2.2 適用對象的選取

汽車門鎖主要由兩部分組成：鎖體和操縱機構[2]。鎖體部分是與門柱上的鎖扣（或擋塊）嚙合，以保持車門處于鎖緊位置的部件;操縱系統主要是通過傳動機構將操作者對車門內、外把手、鎖止開關等的操作實現。對于操縱機構，根據汽車上的使用情況，目前可以分為以下三種情況：內外雙拉桿式、內拉索外拉桿式、內外雙拉索式。根據資料查閱和實地調研，目前內拉索外拉桿式是當今的主流型式，雙拉桿式在一些價格低廉、車型老舊的汽車上使用，而雙拉索式操縱機構制作成本較高，目前只出現在一些高端新款車型上。因此，為了確保此檢測裝置有較高的車輛可適配性，機構選取拉索拉桿式車鎖為主要研究對象。

2.3 檢測裝置設計

對于汽車車門的解鎖，從其結構上只需要拉動門鎖系統外操縱機構拉桿即可完成。因此所需的檢測裝置必須具備直線運動的能力，加上車門內部空間狹長，故所需裝置體積不易過大，對此我們采用凸輪機構為檢測裝置。信號的傳遞和反饋，通過設計的一款安卓APP實現，其與整個機構的控制模塊——單片機通過WiFi模塊連接，做到實時通信。除此之外，裝置還包括步進電機、圓柱凸輪、頂桿、頂桿導管、彈簧、紅外線收發裝置等零部件。其裝置構成如圖1所示：

其工作原理如下：車主通過手機APP向機構發送指令，單片機收到信號驅動步，進電機開始工作。步進電機轉動控制圓柱凸輪轉動，圓柱凸輪每旋轉一圈，控制頂桿上下運動一次。當車門未被凍住時，頂桿壓縮彈簧L1長度達到頂起內拉桿的力，再整體上升L2長度（解鎖時的外操縱機構拉桿垂直方向運動長度）將車鎖解鎖（圓柱凸輪升程h=L1+L2），此時紅外線收發裝置接收到信號，將車鎖順利解鎖信息反饋給駕駛人。

當車門被凍住時，頂桿壓縮彈簧壓縮到L1長度時，車鎖不能被解鎖，為了避免電機卡滯，彈簧將繼續被壓縮，直到通過遠休止點再下降，同時將車門上凍信息反饋至車主手機。

2.4 圓柱凸輪的改進

圓柱凸輪屬于空間凸輪，但由于圓柱凸輪可看成是平面移動凸輪繞在圓柱體上而形成的，而平面移動凸輪又可看作轉動中心趨于無窮遠處的盤形凸輪的特例，因此可以用盤形凸輪廓線設計方法設計出圓柱凸輪廓線的展開圖即移動凸輪廓線。[3]

對于圓柱凸輪輪廓的設計，初定三角函數運動輪廓與一次多項式運動輪廓，如圖2、圖3所示：

頂桿力：，結合式子可以看出三角函數的大于一次多項式的，相較而言一次多項式對步進電機的扭矩利用更充分，而且更有利于避免電機卡滯，因此我們初步選擇一次多項式輪廓。

進一步分析一次多項式運動特征如圖5所示（Φ對應凸輪轉角），我們發現，一次多項式輪廓即等速運動規律會存在較大的剛性沖擊，對裝置的壽命會產生較大影響。查閱相關資料我們發現，對于正弦加速度運動規律的凸輪不存在剛性和柔性沖擊[4]，因此我們對進行改進，將正弦運動規律與等速運動規律結合，其既可以滿足工藝要求又可以避免剛性和柔性沖擊。

3 結語

本系統利用單片機和紅外傳感器技術，對檢測裝置進行精確控制，完成上凍檢測，提前告知駕駛人車門上凍情況，極大節約了車主的寶貴時間。對圓柱凸輪的改進即采用正弦改進等速運動的凸輪使得整個檢測裝置運行更加平穩，減小了裝置的剛性、柔性沖擊，延長了裝置使用壽命。整套系統結構簡單，生產成本低，易于加工，操作簡單，安裝方便，適用于汽車門鎖的上凍檢測需要，提高汽車的智能化。

參考文獻：

[1]陳偉程，吉喆，肖寒，王宏麗.全國機動車保有量分析——《中國機動車環境管理年報（2017）》第Ⅰ部分[J].環境保護，2017，45（12）：33-34.

[2]史金榮，袁永杰，史可朝.淺析汽車門鎖設計[J].內燃機與配件，2018（20）：3-4.

[3]崔可維，熊健.機械原理[M].第二版.北京：高等教育出版社，2012 ：76-77.

[4]雷蔓，劉毅，孟泰，張濤，張玉平.正弦曲線圓柱凸輪的建模及其四軸數控加工[J].時代農機，2017，44（07）：74-76.