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车门系统结构耐久试验的研究
2020-10-20 13:32:29· 来源：AI《汽车制造业》 作者：万尚国 张桂明
车门系统，如图1所示，是汽车车身的重要组成部分，能隔绝车外噪声，起着保护乘客安全、提高乘员舒适性等作用。用户在日常使用中，需要经常开关车门，车门系统可
车门系统，如图1所示，是汽车车身的重要组成部分，能隔绝车外噪声，起着保护乘客安全、提高乘员舒适性等作用。用户在日常使用中，需要经常开关车门，车门系统可能会发生疲劳损伤，从而导致车门焊点开裂、油漆脱落等问题，直接影响使用和美观。在汽车设计开发中，车门的开关耐久性已经成为评价车门质量重要而又关键的指标。为了高效地设计开发车门系统，早期发现可能失效的零件，就得进行车门系统开关耐久试验。通常，该试验周期较长，如何确保对新开发的车门系统进行有效考核，如何确保整个考核系统达到最优化，从而减少汽车试验、开发的时间和成本，本文从样件数量和试验寿命周期的合理选取、试验台架和人机界面的创新开发、关键参数的精确控制和科学选择、试验数据的有效分析和深化应用，对车门系统耐久试验做了全过程的论述。
据威布尔分布确定试验样件
根据威布尔分布确定试验样件数量和试验寿命周期的倍数。威布尔分布广泛应用于车辆的可靠性试验。车门系统的可靠性是通过其失效时间概率分布来描述的，车门系统常见的疲劳、磨损等故障，其分布类型都服从威布尔分布。所以，威布尔分布也用于车门系统的寿命分析。威布尔分布中，最常见的是双参数的威布尔分布，目前在寿命分析中广泛应用，其分布密度函数如下所示：
式中，t≥0，β和η分别是分布状态和比例参数β＞0且η>0。威布尔分布的第一个参数是斜率β，它是形状参数，因为它确定了威布尔家族中哪一种分布相关性最好。第二个参数是特征寿命η，η作为比例参数，定义了分布状态的大部分。参数β和η可从寿命数据中估计，寿命数据总为正值。双参数的威布尔分布能有效地分析初期致命失效、实用寿命和耗损阶段的寿命数据。车门系统的设计必须满足一定的可靠度要求，保证一定的使用寿命。一般在设计规范的可靠性部分的要求中，都会提出该子系统或零部件应满足在某一置信度条件下可靠度要求是多少。通常，对于车门系统的可靠度要求为95%。这种可靠性要求方式通常以RxxCyy表示，如R95C50表示在置信度为50%的条件下可靠度要求为95%。与此同时，还将给出试验样件数的要求。根据试验规范的要求（来自于对用户使用测评得到的数据），按照标准的方法进行试验，当试验次数或寿命通过或达到技术规范中规定的要求时停止试验，此时试件必须满足可靠度大于或等于95%要求。根据Bayes公式：
R=（1-C）1/N （2）
式中，R为可靠度；C为置信度；N为试件样件数。据此，可以算出满足可靠度为95%，置信度为50%的要求，所需要的样件数为14个。然而，在新产品的开发过程中，样件数量有限，零部件和子系统都是单件生产，非常昂贵，采用如此多的试件进行耐久性试验，不仅大大增加了开发成本，而且还需大量的试验设备。因此，需要减少试验样件数量，在此引入Lipson交换公式：
（X2/X1）=(N1/N2)1/β (3)
式中，N1为由Bayes公式计算出的样件数；N2为增加单个试件试验强度（如：循环次数）后的样件数；X1为按N1样件数进行试验所需的循环次数；X2为按N2样件数进行试验所需的循环次数；β为威布尔斜率。对于车门系统，根据设计规范的要求，β值取为2.5，根据Lipson交换公式，如果选择4个样件进行试验，那么每个试件需要完成1.6倍的寿命周期试验。这样，通过减少样件数量，增加样件的试验次数，同样可以满足样件设计可靠度的要求，如此节约了试验资源，降低了研发成本。试验样件数量和试验寿命周期倍数确定之后，就需要开发相应的试验设备，进行车门系统开关耐久试验，确保试验样件得到有效的考核。
车门系统耐久试验台架的开发 车门系统包括门钣金、密封条、锁系统、铰链、限位器、内外把手和摇窗机等，每个零部件的特性都影响着整个车门系统的疲劳特性，车门系统的构成如图1所示。
图1 车门系统的构成
车门开关耐久试验是基于客户使用习惯和环境数据基础上的，模拟客户使用车门动作的长周期系统级试验。该试验考核的零件众多，不仅涉及车身、外饰等零部件，还涉及内饰、电子等部分零件。试验时车门系统通常安装在白车身上，白车身固定在雪橇车上，也可以直接在整车上进行试验。车门开关耐久试验的一个周期定义是：内把手或外把手解锁，车门打开，内把手或外把手复位，开位置保持一段时间，车门关闭直至上锁，再保持一段时间，一个周期结束。在对车门进行试验时，需要开发试验台架，该台架应当模拟客户的实际使用状况，能在高低温环境中正常运行。
根据用户使用测评的数据，可以知道一辆车在整个寿命周期内进行的开关门的次数（1倍寿命周期），以及关门速度、环境温湿度等信息。根据上述的威布尔分布确定试验样件数量是4个和试验次数是1.6倍寿命周期。依据这些信息，在试验室进行车门开关模拟试验，快速进行验证。
1.试验台架的工作原理 车门系统耐久试验台架使用气缸作为作动器，完成把手解锁和车门开关；采用PLC作为控制器，实现整个试验过程；通过PI控制原理，精确控制车门的关门速度，实现车门系统耐久试验的闭环控制。PLC在工业生产上得到广泛的应用，其中，模块化的PLC能满足各种需求，它包括电源、CPU、数字输入输出模块、模拟量输入输出模块及高速计数模块等，适用各种柔性化生产、控制等需求，具有较强的可靠性。基于PLC的以上基本特性，针对车门系统的耐久试验，自主开发了试验台架，如图2所示。CPU采用西门子的CPU315-2 DP，在STEP7上进行硬件组态。PLC程序在西门子STEP7平台上完成，编程采用模块化的方式，包括开关门控制模块、速度自动调节模块、报警处理模块等。然后，将各个功能块集成到一起，在主程序中进行调用。试验程序分为手动运行模式和自动运行模式，方便调试、维护及试验运行。具体的工作原理是：通过PLC控制电磁阀工作，由电磁阀驱动装在车身内的气缸运动，用夹具将气缸与车门系统连接，以完成车门的开关动作，同时，采用40mm行程的小气缸，对车门系统的内把手或外把手进行解锁，实现车门系统开关耐久的考核。
车门疲劳耐久试验的具体过程如下：小气缸控制内（或外）把手动作，对车门系统进行解锁，PLC采集到解锁信号后，控制大气缸伸出，同时推动车门直到开位置，PLC收到开位置信号以后，内（或外）把手复位，等待一段时间，控制大气缸缩回，带动车门关闭，直至关闭位置。车门在关闭的同时，测量关门速度，进行计数一次，然后进入下一个周期，直至完成要求的寿命次数。试验时需要精确测量车门的关门速度，以保证每次的关门能量一致。因此，控制柜中加入了高速计数模块，通过采集关门瞬间的脉冲数量，即可计算出关门瞬间的速度。具体的方法是，通过下面公式来计算关门瞬间的速度：
V=L/t (4)
式中，L是测速板的宽度；t是关门时测速板通过光电开关的时间。使用高速计数模块采集测速板通过光电开关的脉冲数量，乘以每个脉冲的周期，即可知道时间t，即t=nT。通过公式，就可精确计算出关门速度。关门瞬间的脉冲信号如图3所示。
图3 关门瞬间的脉冲信号
具体测量方法是：将测速板固定在门锁下方外钣金的位置，跟随车门一起运动，其中测速板的角度可调，光电开关固定在车身上，这样，在车门关闭时，车门上的测速板完全通过光电开关。测试装置如图4所示。因测速板的宽度是一定的， PLC内部的CPU依据上述公式计算出关门速度，在触摸屏上直接显示。
图4 测速装置
触摸屏是人和PLC之间双向沟通的桥梁，以实现操作人员与控制器之间的对话和联系。本试验台架采用西门子TP277-10触摸屏，触摸屏通过PROFIBUS-DP总线与PLC进行通信，操作界面易于工作人员运行试验。对触摸屏进行组态，在界面上能够设定试验参数、监控试验状态、提示报警信息等。组态的车门耐久试验操作界面如图5所示。
图5 车门耐久试验操作界面
PLC和气动控制元器件都集成在控制柜中，触摸屏安装在控制柜的面板上，控制柜的侧面配有多个气动快插接头，底部安装了四个轮子，方便控制柜移动。
2.试验台架的控制方式
在进行开关门试验时，由于它是长周期的试验，自动控制就显得尤为重要了。为了使试验保持较高的稳定性和确保试验的高质量，就需采用闭环控制方式，对关门速度进行自动调节。为此，在控制柜中加入高速计数模块、比例阀等器件。试验运行时，经光电开关精确测量关门速度， PLC根据实时的速度反馈，通过PI调节，控制比例阀的输出气压，调节气缸运动的速度，使关门速度稳定在要求的范围之内。基于速度反馈的闭环控制系统，极大地提高了试验精度和质量。控制系统原理，如图6所示。
图6 车门耐久试验闭环控制原理
车门开关频率的优化
车门开关试验是一种加速疲劳试验，用于快速验证车门系统在用户使用寿命下的疲劳特性，试验需要完成车门开关的次数较多，导致试验时间较长，目前，对车门系统开关频率无统一的标准。为此，科学选择车门的开关频率，在确保试验质量的情况下对缩短试验时间起着至关重要的作用。经过CAE分析和大量的物理试验，并通过实际比对试验，得出了最优化的车门开关频率。
1.CAE分析
通过CAE分析，了解车门开关的动态过程中，车门从被激励至达到稳定状态所需要的时间。位移曲线、锁扣力曲线和应力曲线分别如图7、图8和图9所示。其中，横坐标单位为s。通过以上分析可知：车门的关门能量0.7 s内就能完全释放掉，然后进入稳定状态。
图7 位移曲线
图8 锁扣力曲线
图9 应力曲线
2. 物理试验
通过在车门和车身上粘贴应变花、布置加速度和安装锁扣力传感器，采集车门开关的动态过程中能量释放的时间。图10所示是应变花布置。通过物理试验可知：车门的关门能量0.6 s之内完全释放掉，然后进入稳定状态。
图10 应变花布置
3.试验频率的确定 综合CAE分析和物理试验，并对组成车门系统的各个零部件的耐久试验进行了分析研究，其试验频率都不小于6次/min，再根据门锁的设计标准，解锁时间小于0.5 s，同时通过大量的比对试验，得出车门开关试验一个周期的典型时间分配，如表所示。由此可见，车门系统耐久试验的开关频率不应大于6次/min，最优化的车门开关频率是6次/min，此时，既确保了试验质量，又是最短的耐久试验运行时间。
试验数据的有效分析和深化应用
试验数据记录系统详细记录每个车门样件的整个耐久试验状况。试验前对样件进行状态检查，记录各个功能件的性能数据；试验过程中每完成一定的试验次数，进行状态检查、功能检测，查找试件有无异常出现；试验后对车门系统进行拆检，检查各个零部件的状态、功能等。在试验运行时，试验过程中的故障都应详细记录，写成专门的报告，建立试件失效模式数据库，及时分析并在规定的期限内找到解决措施，遵循“问题起草、问题定义、初步原因、根本原因、解决方案、方案实施、效果反馈”的过程，确保试件满足设计要求。大量的车门系统试验，形成了历史数据库，通过对数据库中各种故障解决方案的统计并分析，又可以指导新产品的开发，如此构建了一个良性循环。
结论 本文研究了威布尔分布在疲劳试验样件数量选择和寿命分析上的应用；基于PLC控制原理，开发了车门系统耐久试验台架；同时，通过CAE分析和物理试验，得到了关门过程中能量衰减情况，优化了开关门的各个动作时间，得出了最优的车门开关频率，以及论述了对试验数据的深化应用。这些研究对车门系统的设计开发提供了强有力的保证。实践证明，已上市车辆经过上述验证的车门系统，零缺陷，无抱怨，得到了用户的一致肯定。
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