乘客门夹持力测试仪的研制

乘客门夹持力测试仪的研制

王宏哲

     国家客车质量监督检验中心    重庆市    401122

摘要：2007年，国家颁布了GB13094-2007《客车结构安全要求》，我们根据国家标准，于2007年同年，研制出了符合国家标准的《乘客门夹持力测试仪》，独创了网球拍型弹性乘客门夹持力测量传感器，并通过计量测试，并应用于客车检测。2017年，国家又颁布了GB13094-2017《客车结构安全要求》，取代了GB13094-2007，新标准要求测量关闭力上升到50N和下降到50N的时刻，并绘制动态响应曲线。对此，我们对传感器和测量电路进行改进，增加了100HZ低通滤波器，提高了A/D转换器的采样速率，满足了新标准的要求。

关键词：乘客门夹持力；测试仪器；原理；结构

早在1997年，国家就颁布了GB13094-1997《客车结构安全要求》，规定了：“每扇动力启闭乘客门的结构和控制系统应做到乘客不会被门伤害或夹住。”的要求；2007年，国家又颁布了GB13094-2007《客车结构安全要求》，增加规定了：“车门关闭时的夹持力不得超过150N，否则车门应自动重新开启至完全打开，并保持打开位置直至操纵关门控制。峰值力可短时间高于150N，但不得超过300N。”的要求；2017年，国家又颁布了GB13094-2017《客车结构安全要求》，新标准参考了欧洲经委会汽车标准法规ECE R36/05，要求测量关闭力上升到50N和下降到50N的时刻。

1乘客门夹持力测试仪设计

乘客门的关闭过程是一个冲击过程，若在关门过程中遇到阻挡，将产生冲击动量和冲击动能，并遵循能量守恒原理和动量守恒原理。人体的肌肉具有一定的弹性和阻尼，当被乘客门夹住时，人体的肌肉产生弹性变形和阻尼力，消耗掉乘客门的冲击动量和运动动能，同时产生一个夹紧力的升高和下降瞬态过程。用仪器完全精确模拟这一过程，是很难做到的，每个人的个体差别，成年人与儿童的差别就很大；另外，标准把这一过程看做是纯弹性变形，没有考虑阻尼。

2007年7月，我们接到任务，要求年底前完成乘客门夹持力测试仪的设计和制作，并于2008年初要通过计量测试，因为新的改进标准于2008年2月1日实施。开始设计乘客门夹持力力学测量传感器时，查新检索了国内外的大量资料，有参考价值的相关资料非常少，几乎全靠自主创新。

我们开始研究材料力学，应变片的粘贴技术，研究力学传感器的设计，参考了多台电子秤的测量电路。最关键最难的是力学传感器的设计。

传感器不但要精确测量出乘客门关闭过程中的冲击力，还有模拟人体肌肉的弹性变形，这个弹性变形系数标准中统一设定为：10±0.2N/mm。我们研究发现，成年人与儿童的这个弹性系数有很大的差别，事实上，确实发生了很多儿童被乘客门夹伤的事故，建议增加儿童的检测项目。

根据材料力学知识，选取了多种材料进行试验，选取了某国的优质合金钢作为弹性元件，设计了椭圆形测量环，刚度设计为10N/mm，最大夹持力设计为300N，最大变形量50毫米（标准为30毫米），允许最大过载500N。经过热处理和表面处理，并在上面挖洞，粘贴高精度应变片。经过烘干和防水处理后，安装引线，终于制作出了第一批测量传感器，然后自己用砝码进行计量测试，标定力学常数，并用查表法对应变片的非线性进行修正，然后反复测量，验证传感器的精度和重复性及零点漂移，最终完成传感器的制作并安装有手柄，最终制作出了网球拍式乘客门夹持力传感器，经过标定，达到了设计要求，性能稳定。经过反复的改进和调试，通过了计量测试，并应用于车辆检测。

2017年，国家颁布了新标准，要求测量关闭力上升到50N和下降到50N的时刻，并绘制动态响应曲线，对传感器提出了更高的要求：高动态响应，采样频率由原来的10SPS,提升到了80SPS。以前的应变片已经不适合，无法达到如此高的采样速率，更换了高速测量元件；显示仪表也进行了相应改进，AD芯片的采样速率也相应提高到了80SPS，增加了100HZ低通滤波器。

显示测量仪表采用5英寸智能液晶屏，模数转换器采用德州仪器的ADS1232和精密基准电压芯片。

采用了锂电池3.3V稳压器供电模式，选取了STC51单片机读取AD模数转换器，并驱动5寸彩色液晶工业级显示器的方案，简单可靠，抗干扰能力强，易于维修。

简单介绍一下美国德州仪器的高度集成的24位模数转换器ADS1232芯片：采用TSSOP24封装，双通道，高精度，有效精度达到19位，最高采样频率80SPS，精度高性能稳定，内置PGA放大器，放大倍数可以设置为1、2、64、128。被广泛应用于低电平、高精度测量。

ADS1232采用串口移位寄存器工作方式，只有2根通讯数据线，一改以前AD转换器的并口输出模式，与单片机连接只需要将DOUT和SCLK分别连接到单片机的P3.6和P3.7上；GAIN1接高电平和GAIN0接地，PGA放大系数设置为64；SPEED接高电平，采样速率设置为80SPS；A0是通道选择，连接到单片机的P3.5，A0设置为0；PDWN是复位控制，连接P3.4，用于启动ADS1232开始工作。经过试验，ADS1232使用非常方便，测量精度高，性能稳定。

串口移位寄存器工作方式时序如下图所示：等待DOUT下降沿出现，延时T2，然后用移位寄存器方式读出24位模数转换测量数据，注意：24位数据必须一次全部读出，之后DOUT被强行拉高。如下图所示。

设置A0为0，测量结果经过变换后分别输出到显示器上。测量时，传感器虽然虽然有一定的抗过载能力，但过载还是会照成传感器的软伤害，影响测量精度。

选择仪表外壳也是大费周折，自己开模具费用太高。最后现有采用手持机外壳改窗口，效果还可以，美观实用，携带方便。经过不断改进，性能达到了设计要求，精度趋于稳定 ，终于通过了计量检测，交付用户数台试用并获得好评。

对于我们学汽车专业的，设计汽车仪器，实属不易：既要熟悉汽车标准，又要精通力学和电学；还有非常熟悉单片机软件和硬件；还要熟悉传感器加工工艺；还要联系加工，每个环节都不能出差错。另外，仪器不可能一次设计就完美无缺，需要不断改进，不断完善。

结语

成年人与儿童的这个弹性系数有很大的差别，事实上，确实发生了很多儿童被乘客门夹伤的事故，建议增加儿童的检测项目。

建议进行人体阻尼系数的研究，人体肌肉的变形不是纯弹性的，是有阻尼的弹性变形。

由于篇幅限制及其他原因，不能详细介绍，仅能抛砖引玉，为汽车工业的发展尽一点微薄之力；如有不当之处，恳请同仁批评教正，非常感谢！