汽车通用气弹簧伸展速度的测量

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【摘 要】本文简要介绍了汽车气弹簧伸展速度在汽车行业内的评判标准。从工装夹具设计及自动化数据采集两方面着手，提供汽车气弹簧伸展速度的检测解决方案。

【关键词】伸展速度；试验方法

1.前言

气弹簧（gas spring）是一种可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的配件。车用气弹簧普遍应用在汽车后背门、发动机罩盖、行李舱盖的开启功能上，起到角度调节作用。目前在国内气弹簧测试主要依照QC/T207-1996《汽车用普通气弹簧》和GB25751-2010《压缩气弹簧》执行，而这两个标准的测试项目差异则在于气弹簧释放速度。本文以GB25751-2010《压缩气弹簧》为基础，重点研究气弹簧释放速度的测试方法。

2.试验介绍

2.1测试原理： 检测时气弹簧活塞杆向下垂直夹持在专用测试装置上，按规定的行程压入活塞杆，随后突然撤除外力使活塞杆自由伸展，测定伸展时间t和伸展距离 S，即可计算伸展速度（平均速度） 。

2.2技术要求： 检测在 20℃±2℃ 环境中进行，检测前气弹簧应在 20℃±2℃ 环境中放置 2 h 以上，计时器的分度值小于或等于1/100s 。

2.3判定标准： 气弹簧伸展速度 υ 应在 100～200mm/s 之间，如有特殊需要，可由供需双方协议确定。

3. 气弹簧释放速度的测试方案

3.1测试构想

由于气弹簧是以气体和液体为工作介质的一种弹性元件，由压力管、活塞、活塞杆及若干联接件组成，其内部充有高压氮气。由于在活塞内部设有通孔，活塞两端气体压力相等，而活塞两侧的截面积不同，一端接有活塞杆而另一端没有，在气体压力作用下，产生向截面积小的一侧的压力，即气弹簧的弹力。正是由于存在这种弹力，所以气弹簧具有比较快的伸展速度。

气弹簧的伸展距离为定值，故关键就在于伸展时间的采集。而实际上伸展时间是一个时间差，是气弹簧由最大压缩状态，然后突然撤除外力后使活塞杆自由伸展到最小压缩状态的这段时间。所以选择合适的数据采集系统和灵敏的传感器就是测试的重中之重。

3.2伸展速度的测试单元：

3.2.1目前在工控自动化行业中，测试系统主要分3类。第一类为普通仪器仪表；第二类为工控机及数据采集系统；第三类为PLC和人机界面。由于普通仪器仪表只能进行单一物理量测量，且不易于控制等因素，正逐步被淘汰；数据采集系统由于需要上位机，价格高昂，且主要为模拟量接口，数字量I/O端口较少，不易于灵活编程； PLC系统由于自动化控制程度高，工作稳定，编程灵活，数字量I/O较多，完全满足“伸展速度“测试单元的要求。

在车用气弹簧伸展速度的测试中，我们选择西门子S7-200 CPU222晶体管型PLC作为数据采集系统。而选择西门子PLC主要考虑到其I/O端口的硬件响应时间以及定时器。

（1）在编写的PLC程序中采用的是1ms定时器，该定时器位和当前值的更新不与扫描周期同步。故采样时由于定时器造成的延时可以忽略不计。

（2）同时在PLC编写程序过程中I/O的采集尽量采用“立即指令”。该指令并不依靠S7-200扫描周期进行更新，采集到I/O的变化后立即执行，过程映像寄存器并随之不刷新。故采样时由于程序扫描周期造成的延时可以忽略不计。

（3）由于在数据采集过程中，测试单元的硬件上不可避免的会存在延时。所以必须考虑延时对测试结果的影响。通常情况下（未使用高速计数器时），西门子S7-200型PLC的I/O端口硬件响应时间小于1ms。

（4）选择奥托尼克斯BUP-50S对射光电传感器作为时间采集的工具，主要是考虑到其硬件响应时间，该型传感器的硬件响应的理论时间小于1ms。而我们通过数字示波器对该型传感器硬件响应时间进行测试，其响应时间典型值为400μs，即0.4ms。

综上所述，对于“伸展时间”而言，测试单元在数据采集过程中，其硬件产生的延时约为1.4ms。所以对行程较长的气弹簧，由于其伸展时间也较长，所以此硬件延时可以忽略；但对于行程较短的气弹簧，由于其伸展时间也较短，所以此硬件延时则需考虑进数据的计算中。

3.2.2测试单元

PLC：西门子S7-200CN CPU222 晶体管型 8输入/6输出

人机界面：西门子Smart700 IE 7寸触摸屏

光电传感器：奥托尼克斯BUP-50S PNP对射常开型 响应时间

最小检测直径Φ1.5mm

高度尺：量程，500mm，分辨率，0.02mm

3.3伸展速度的控制单元结构图：

通过对射型光电传感器1和2采集到气弹簧活塞杆最大压缩位置到自然伸展状态的时间差（即伸展时间），然后将S7-200 PLC与人机界面Smart 700IE进行通讯，对采集到的伸展时间数据进行读写[1] （如图1）。

图1

3.4伸展速度机械结构单元简介：

将气弹簧末端安装在试验台架上，并用辅助固定装置固定好气弹簧中部。根据测试的需要调节好对射光电传感器1和传感器2的相对位置，并用高度尺测量出2个传感器之间的位移差。控制气缸缓慢压缩气弹簧活塞杆，使活塞杆从自然伸展状态压缩至最大压缩位置，同时安装在气缸上的特殊压头会将被扭簧定位的卡板推至电磁铁附近。然后操控电磁铁吸附住卡板，并控制气缸缓慢收回，这时卡板则卡夹住气弹簧活塞杆的前端[2] [3]（如图2）。

图2

将测量出的位移差值输入到人机界面中，使PLC读取到的数值。点击“开始”键，电磁铁会断电消除磁力，卡板就迅速的释放气弹簧活塞杆的前端。活塞杆在快速的伸展过程中依次阻挡对射光电传感器1和传感器2的对射光线。在活塞杆阻挡传感器1光线的瞬间，PLC会立即读取到第一个I/O信号，并启动内部的定时器开始计时；活塞杆阻挡传感器2光线的瞬间，PLC会立即读取到第二个I/O信号，并停止其内部的定时器计时。与此同时将定时器中记录的伸展时放置到指定的寄存器中[4]。PLC读取值，并结合测量出的伸展时间实数运算，计算出伸展速度。

4.伸展速度数据准确性验证：

综上所述，伸展速度测量的关键在于伸展时间的采集。S7-200 PLC的定时器最小分辨率为1ms，满足技术要求中规定的“计时器的分度值小于或等于1/100s”要求。美国泰克TDS2004C型数字示波器，其带宽达到70MHz，采样上升时间5ns。针对同一件气弹簧的伸展时间，分别使用PLC定时器和数字示波器来采集10组数据，并进行对比分析（如表一）。参考这10组测量数据，通过数字示波器的验证，PLC测量相对于数字示波器的示值偏差约为1‰ 。

表一

5.结束语

汽车零部件检测是一个繁复而系统的工程，我们仅以车用气弹簧的伸展速度为切入点，提供了一个汽车零部件检测的思路。希望本文对从事汽车零部件研发和测试的工程师具有一定的帮助。

参考文献：

[1] 蔡行健. 深入浅出西门子S7-200PLC. 北京： 北京航空航天大学出版社，2007.1

[2] 胡小康. UG NX4运动分析培训教程. 北京：清华大学出版社，2006.11

[3] 关振宇. UG NX4机械设计培训教程. 北京：人民邮电出版社，2007.10

[4] 杨后川. 西门子S7-200PLC应用100例. 北京：电子工业出版社，2009.4