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車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)的研究

2020-10-20 13:32:29·  來源：AI《汽車制造業(yè)》  作者：萬尚國(guó) 張桂明  
　
車門系統(tǒng)，如圖1所示，是汽車車身的重要組成部分，能隔絕車外噪聲，起著保護(hù)乘客安全、提高乘員舒適性等作用。用戶在日常使用中，需要經(jīng)常開關(guān)車門，車門系統(tǒng)可
車門系統(tǒng)，如圖1所示，是汽車車身的重要組成部分，能隔絕車外噪聲，起著保護(hù)乘客安全、提高乘員舒適性等作用。用戶在日常使用中，需要經(jīng)常開關(guān)車門，車門系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生疲勞損傷，從而導(dǎo)致車門焊點(diǎn)開裂、油漆脫落等問題，直接影響使用和美觀。在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中，車門的開關(guān)耐久性已經(jīng)成為評(píng)價(jià)車門質(zhì)量重要而又關(guān)鍵的指標(biāo)。為了高效地設(shè)計(jì)開發(fā)車門系統(tǒng)，早期發(fā)現(xiàn)可能失效的零件，就得進(jìn)行車門系統(tǒng)開關(guān)耐久試驗(yàn)。通常，該試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，如何確保對(duì)新開發(fā)的車門系統(tǒng)進(jìn)行有效考核，如何確保整個(gè)考核系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化，從而減少汽車試驗(yàn)、開發(fā)的時(shí)間和成本，本文從樣件數(shù)量和試驗(yàn)壽命周期的合理選取、試驗(yàn)臺(tái)架和人機(jī)界面的創(chuàng)新開發(fā)、關(guān)鍵參數(shù)的精確控制和科學(xué)選擇、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效分析和深化應(yīng)用，對(duì)車門系統(tǒng)耐久試驗(yàn)做了全過程的論述。
 
據(jù)威布爾分布確定試驗(yàn)樣件
根據(jù)威布爾分布確定試驗(yàn)樣件數(shù)量和試驗(yàn)壽命周期的倍數(shù)。威布爾分布廣泛應(yīng)用于車輛的可靠性試驗(yàn)。車門系統(tǒng)的可靠性是通過其失效時(shí)間概率分布來描述的，車門系統(tǒng)常見的疲勞、磨損等故障，其分布類型都服從威布爾分布。所以，威布爾分布也用于車門系統(tǒng)的壽命分析。威布爾分布中，最常見的是雙參數(shù)的威布爾分布，目前在壽命分析中廣泛應(yīng)用，其分布密度函數(shù)如下所示： 
 
式中，t≥0，β和η分別是分布狀態(tài)和比例參數(shù)β＞0且η>0。威布爾分布的第一個(gè)參數(shù)是斜率β，它是形狀參數(shù)，因?yàn)樗_定了威布爾家族中哪一種分布相關(guān)性最好。第二個(gè)參數(shù)是特征壽命η，η作為比例參數(shù)，定義了分布狀態(tài)的大部分。參數(shù)β和η可從壽命數(shù)據(jù)中估計(jì)，壽命數(shù)據(jù)總為正值。雙參數(shù)的威布爾分布能有效地分析初期致命失效、實(shí)用壽命和耗損階段的壽命數(shù)據(jù)。車門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足一定的可靠度要求，保證一定的使用壽命。一般在設(shè)計(jì)規(guī)范的可靠性部分的要求中，都會(huì)提出該子系統(tǒng)或零部件應(yīng)滿足在某一置信度條件下可靠度要求是多少。通常，對(duì)于車門系統(tǒng)的可靠度要求為95%。這種可靠性要求方式通常以RxxCyy表示，如R95C50表示在置信度為50%的條件下可靠度要求為95%。與此同時(shí)，還將給出試驗(yàn)樣件數(shù)的要求。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范的要求（來自于對(duì)用戶使用測(cè)評(píng)得到的數(shù)據(jù)），按照標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)或壽命通過或達(dá)到技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的要求時(shí)停止試驗(yàn)，此時(shí)試件必須滿足可靠度大于或等于95%要求。根據(jù)Bayes公式： 
 R=（1-C）1/N       （2）
式中，R為可靠度；C為置信度；N為試件樣件數(shù)。據(jù)此，可以算出滿足可靠度為95%，置信度為50%的要求，所需要的樣件數(shù)為14個(gè)。然而，在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，樣件數(shù)量有限，零部件和子系統(tǒng)都是單件生產(chǎn)，非常昂貴，采用如此多的試件進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，不僅大大增加了開發(fā)成本，而且還需大量的試驗(yàn)設(shè)備。因此，需要減少試驗(yàn)樣件數(shù)量，在此引入Lipson交換公式：
                  （X2/X1）=(N1/N2)1/β       (3)                    
式中，N1為由Bayes公式計(jì)算出的樣件數(shù)；N2為增加單個(gè)試件試驗(yàn)強(qiáng)度（如：循環(huán)次數(shù)）后的樣件數(shù)；X1為按N1樣件數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)所需的循環(huán)次數(shù)；X2為按N2樣件數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)所需的循環(huán)次數(shù)；β為威布爾斜率。對(duì)于車門系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，β值取為2.5，根據(jù)Lipson交換公式，如果選擇4個(gè)樣件進(jìn)行試驗(yàn)，那么每個(gè)試件需要完成1.6倍的壽命周期試驗(yàn)。這樣，通過減少樣件數(shù)量，增加樣件的試驗(yàn)次數(shù)，同樣可以滿足樣件設(shè)計(jì)可靠度的要求，如此節(jié)約了試驗(yàn)資源，降低了研發(fā)成本。試驗(yàn)樣件數(shù)量和試驗(yàn)壽命周期倍數(shù)確定之后，就需要開發(fā)相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行車門系統(tǒng)開關(guān)耐久試驗(yàn)，確保試驗(yàn)樣件得到有效的考核。
 
車門系統(tǒng)耐久試驗(yàn)臺(tái)架的開發(fā) 車門系統(tǒng)包括門鈑金、密封條、鎖系統(tǒng)、鉸鏈、限位器、內(nèi)外把手和搖窗機(jī)等，每個(gè)零部件的特性都影響著整個(gè)車門系統(tǒng)的疲勞特性，車門系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。
 
圖1 車門系統(tǒng)的構(gòu)成
 
車門開關(guān)耐久試驗(yàn)是基于客戶使用習(xí)慣和環(huán)境數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，模擬客戶使用車門動(dòng)作的長(zhǎng)周期系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)。該試驗(yàn)考核的零件眾多，不僅涉及車身、外飾等零部件，還涉及內(nèi)飾、電子等部分零件。試驗(yàn)時(shí)車門系統(tǒng)通常安裝在白車身上，白車身固定在雪橇車上，也可以直接在整車上進(jìn)行試驗(yàn)。車門開關(guān)耐久試驗(yàn)的一個(gè)周期定義是：內(nèi)把手或外把手解鎖，車門打開，內(nèi)把手或外把手復(fù)位，開位置保持一段時(shí)間，車門關(guān)閉直至上鎖，再保持一段時(shí)間，一個(gè)周期結(jié)束。在對(duì)車門進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要開發(fā)試驗(yàn)臺(tái)架，該臺(tái)架應(yīng)當(dāng)模擬客戶的實(shí)際使用狀況，能在高低溫環(huán)境中正常運(yùn)行。
 
根據(jù)用戶使用測(cè)評(píng)的數(shù)據(jù)，可以知道一輛車在整個(gè)壽命周期內(nèi)進(jìn)行的開關(guān)門的次數(shù)（1倍壽命周期），以及關(guān)門速度、環(huán)境溫濕度等信息。根據(jù)上述的威布爾分布確定試驗(yàn)樣件數(shù)量是4個(gè)和試驗(yàn)次數(shù)是1.6倍壽命周期。依據(jù)這些信息，在試驗(yàn)室進(jìn)行車門開關(guān)模擬試驗(yàn)，快速進(jìn)行驗(yàn)證。
 
1.試驗(yàn)臺(tái)架的工作原理 車門系統(tǒng)耐久試驗(yàn)臺(tái)架使用氣缸作為作動(dòng)器，完成把手解鎖和車門開關(guān)；采用PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過程；通過PI控制原理，精確控制車門的關(guān)門速度，實(shí)現(xiàn)車門系統(tǒng)耐久試驗(yàn)的閉環(huán)控制。PLC在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛的應(yīng)用，其中，模塊化的PLC能滿足各種需求，它包括電源、CPU、數(shù)字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及高速計(jì)數(shù)模塊等，適用各種柔性化生產(chǎn)、控制等需求，具有較強(qiáng)的可靠性?；赑LC的以上基本特性，針對(duì)車門系統(tǒng)的耐久試驗(yàn)，自主開發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)架，如圖2所示。CPU采用西門子的CPU315-2 DP，在STEP7上進(jìn)行硬件組態(tài)。PLC程序在西門子STEP7平臺(tái)上完成，編程采用模塊化的方式，包括開關(guān)門控制模塊、速度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊、報(bào)警處理模塊等。然后，將各個(gè)功能塊集成到一起，在主程序中進(jìn)行調(diào)用。試驗(yàn)程序分為手動(dòng)運(yùn)行模式和自動(dòng)運(yùn)行模式，方便調(diào)試、維護(hù)及試驗(yàn)運(yùn)行。具體的工作原理是：通過PLC控制電磁閥工作，由電磁閥驅(qū)動(dòng)裝在車身內(nèi)的氣缸運(yùn)動(dòng)，用夾具將氣缸與車門系統(tǒng)連接，以完成車門的開關(guān)動(dòng)作，同時(shí)，采用40mm行程的小氣缸，對(duì)車門系統(tǒng)的內(nèi)把手或外把手進(jìn)行解鎖，實(shí)現(xiàn)車門系統(tǒng)開關(guān)耐久的考核。
 
車門疲勞耐久試驗(yàn)的具體過程如下：小氣缸控制內(nèi)（或外）把手動(dòng)作，對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行解鎖，PLC采集到解鎖信號(hào)后，控制大氣缸伸出，同時(shí)推動(dòng)車門直到開位置，PLC收到開位置信號(hào)以后，內(nèi)（或外）把手復(fù)位，等待一段時(shí)間，控制大氣缸縮回，帶動(dòng)車門關(guān)閉，直至關(guān)閉位置。車門在關(guān)閉的同時(shí)，測(cè)量關(guān)門速度，進(jìn)行計(jì)數(shù)一次，然后進(jìn)入下一個(gè)周期，直至完成要求的壽命次數(shù)。試驗(yàn)時(shí)需要精確測(cè)量車門的關(guān)門速度，以保證每次的關(guān)門能量一致。因此，控制柜中加入了高速計(jì)數(shù)模塊，通過采集關(guān)門瞬間的脈沖數(shù)量，即可計(jì)算出關(guān)門瞬間的速度。具體的方法是，通過下面公式來計(jì)算關(guān)門瞬間的速度：
V=L/t                  (4)    
式中，L是測(cè)速板的寬度；t是關(guān)門時(shí)測(cè)速板通過光電開關(guān)的時(shí)間。使用高速計(jì)數(shù)模塊采集測(cè)速板通過光電開關(guān)的脈沖數(shù)量，乘以每個(gè)脈沖的周期，即可知道時(shí)間t，即t=nT。通過公式，就可精確計(jì)算出關(guān)門速度。關(guān)門瞬間的脈沖信號(hào)如圖3所示。  
   圖3 關(guān)門瞬間的脈沖信號(hào)
 
具體測(cè)量方法是：將測(cè)速板固定在門鎖下方外鈑金的位置，跟隨車門一起運(yùn)動(dòng)，其中測(cè)速板的角度可調(diào)，光電開關(guān)固定在車身上，這樣，在車門關(guān)閉時(shí)，車門上的測(cè)速板完全通過光電開關(guān)。測(cè)試裝置如圖4所示。因測(cè)速板的寬度是一定的， PLC內(nèi)部的CPU依據(jù)上述公式計(jì)算出關(guān)門速度，在觸摸屏上直接顯示。
 
圖4 測(cè)速裝置
觸摸屏是人和PLC之間雙向溝通的橋梁，以實(shí)現(xiàn)操作人員與控制器之間的對(duì)話和聯(lián)系。本試驗(yàn)臺(tái)架采用西門子TP277-10觸摸屏，觸摸屏通過PROFIBUS-DP總線與PLC進(jìn)行通信，操作界面易于工作人員運(yùn)行試驗(yàn)。對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)，在界面上能夠設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)、監(jiān)控試驗(yàn)狀態(tài)、提示報(bào)警信息等。組態(tài)的車門耐久試驗(yàn)操作界面如圖5所示。
 
圖5 車門耐久試驗(yàn)操作界面
PLC和氣動(dòng)控制元器件都集成在控制柜中，觸摸屏安裝在控制柜的面板上，控制柜的側(cè)面配有多個(gè)氣動(dòng)快插接頭，底部安裝了四個(gè)輪子，方便控制柜移動(dòng)。
2.試驗(yàn)臺(tái)架的控制方式
在進(jìn)行開關(guān)門試驗(yàn)時(shí)，由于它是長(zhǎng)周期的試驗(yàn)，自動(dòng)控制就顯得尤為重要了。為了使試驗(yàn)保持較高的穩(wěn)定性和確保試驗(yàn)的高質(zhì)量，就需采用閉環(huán)控制方式，對(duì)關(guān)門速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。為此，在控制柜中加入高速計(jì)數(shù)模塊、比例閥等器件。試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，經(jīng)光電開關(guān)精確測(cè)量關(guān)門速度， PLC根據(jù)實(shí)時(shí)的速度反饋，通過PI調(diào)節(jié)，控制比例閥的輸出氣壓，調(diào)節(jié)氣缸運(yùn)動(dòng)的速度，使關(guān)門速度穩(wěn)定在要求的范圍之內(nèi)?；谒俣确答伒拈]環(huán)控制系統(tǒng)，極大地提高了試驗(yàn)精度和質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)原理，如圖6所示。
 
圖6 車門耐久試驗(yàn)閉環(huán)控制原理
車門開關(guān)頻率的優(yōu)化
車門開關(guān)試驗(yàn)是一種加速疲勞試驗(yàn)，用于快速驗(yàn)證車門系統(tǒng)在用戶使用壽命下的疲勞特性，試驗(yàn)需要完成車門開關(guān)的次數(shù)較多，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，目前，對(duì)車門系統(tǒng)開關(guān)頻率無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為此，科學(xué)選擇車門的開關(guān)頻率，在確保試驗(yàn)質(zhì)量的情況下對(duì)縮短試驗(yàn)時(shí)間起著至關(guān)重要的作用。經(jīng)過CAE分析和大量的物理試驗(yàn)，并通過實(shí)際比對(duì)試驗(yàn)，得出了最優(yōu)化的車門開關(guān)頻率。
1.CAE分析
通過CAE分析，了解車門開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程中，車門從被激勵(lì)至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間。位移曲線、鎖扣力曲線和應(yīng)力曲線分別如圖7、圖8和圖9所示。其中，橫坐標(biāo)單位為s。通過以上分析可知：車門的關(guān)門能量0.7 s內(nèi)就能完全釋放掉，然后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
 
圖7 位移曲線
 
圖8 鎖扣力曲線
 
圖9 應(yīng)力曲線
2. 物理試驗(yàn)
通過在車門和車身上粘貼應(yīng)變花、布置加速度和安裝鎖扣力傳感器，采集車門開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程中能量釋放的時(shí)間。圖10所示是應(yīng)變花布置。通過物理試驗(yàn)可知：車門的關(guān)門能量0.6 s之內(nèi)完全釋放掉，然后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
 
圖10 應(yīng)變花布置
3.試驗(yàn)頻率的確定 綜合CAE分析和物理試驗(yàn)，并對(duì)組成車門系統(tǒng)的各個(gè)零部件的耐久試驗(yàn)進(jìn)行了分析研究，其試驗(yàn)頻率都不小于6次/min，再根據(jù)門鎖的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，解鎖時(shí)間小于0.5 s，同時(shí)通過大量的比對(duì)試驗(yàn)，得出車門開關(guān)試驗(yàn)一個(gè)周期的典型時(shí)間分配，如表所示。由此可見，車門系統(tǒng)耐久試驗(yàn)的開關(guān)頻率不應(yīng)大于6次/min，最優(yōu)化的車門開關(guān)頻率是6次/min，此時(shí)，既確保了試驗(yàn)質(zhì)量，又是最短的耐久試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效分析和深化應(yīng)用
 
試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)詳細(xì)記錄每個(gè)車門樣件的整個(gè)耐久試驗(yàn)狀況。試驗(yàn)前對(duì)樣件進(jìn)行狀態(tài)檢查，記錄各個(gè)功能件的性能數(shù)據(jù)；試驗(yàn)過程中每完成一定的試驗(yàn)次數(shù)，進(jìn)行狀態(tài)檢查、功能檢測(cè)，查找試件有無異常出現(xiàn)；試驗(yàn)后對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行拆檢，檢查各個(gè)零部件的狀態(tài)、功能等。在試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)過程中的故障都應(yīng)詳細(xì)記錄，寫成專門的報(bào)告，建立試件失效模式數(shù)據(jù)庫，及時(shí)分析并在規(guī)定的期限內(nèi)找到解決措施，遵循“問題起草、問題定義、初步原因、根本原因、解決方案、方案實(shí)施、效果反饋”的過程，確保試件滿足設(shè)計(jì)要求。大量的車門系統(tǒng)試驗(yàn)，形成了歷史數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)數(shù)據(jù)庫中各種故障解決方案的統(tǒng)計(jì)并分析，又可以指導(dǎo)新產(chǎn)品的開發(fā)，如此構(gòu)建了一個(gè)良性循環(huán)。
 
結(jié)論 本文研究了威布爾分布在疲勞試驗(yàn)樣件數(shù)量選擇和壽命分析上的應(yīng)用；基于PLC控制原理，開發(fā)了車門系統(tǒng)耐久試驗(yàn)臺(tái)架；同時(shí)，通過CAE分析和物理試驗(yàn)，得到了關(guān)門過程中能量衰減情況，優(yōu)化了開關(guān)門的各個(gè)動(dòng)作時(shí)間，得出了最優(yōu)的車門開關(guān)頻率，以及論述了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用。這些研究對(duì)車門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的保證。實(shí)踐證明，已上市車輛經(jīng)過上述驗(yàn)證的車門系統(tǒng)，零缺陷，無抱怨，得到了用戶的一致肯定。
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