唐保龍，趙利杰，畢學(xué)宇

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津300462)

兩廂車后背門支撐桿的布置及運(yùn)動(dòng)分析

唐保龍，趙利杰，畢學(xué)宇

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津300462)

氣動(dòng)支撐桿開啟機(jī)構(gòu)是目前轎車上經(jīng)常采用的一種結(jié)構(gòu)。由于氣動(dòng)支撐桿生產(chǎn)技術(shù)成熟、性能優(yōu)良，在兩廂車開發(fā)中，后背門的開啟機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)支撐桿。借助三維設(shè)計(jì)軟件CATIA與計(jì)算和分析優(yōu)化工具M(jìn)ATLAB，對(duì)支撐桿進(jìn)行了布置，從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析了上掀式后背門開啟和關(guān)閉過程中力和力矩的關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最后對(duì)后背門開啟的速度和加速度進(jìn)行了仿真分析，滿足了后背門的平穩(wěn)開啟/關(guān)閉平穩(wěn)、助力輕松、使用安全等功能要求。

CATIA 后背門 氣動(dòng)支撐桿

1 轎車用氣動(dòng)支撐桿介紹

1.1 構(gòu)造及支撐力

氣動(dòng)支撐桿由活塞、氣筒、導(dǎo)桿等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)支撐桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of gas damper

氣動(dòng)支撐桿運(yùn)動(dòng)中提供的總支撐力包括兩部分：壓力差產(chǎn)生的支撐力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦力。由波義耳定律可知，一定質(zhì)量的氣體，其壓強(qiáng)與體積的乘積為定數(shù)，即體積減小，壓強(qiáng)增大；反之，體積變大，壓強(qiáng)減小。當(dāng)施加外力時(shí)，導(dǎo)桿在氣室內(nèi)體積增大，致使壓縮氣體的有效容積變小，氣體壓強(qiáng)增大，從而使壓力差產(chǎn)生的支撐力變大。

1.2 氣動(dòng)支撐桿的特點(diǎn)及應(yīng)用

我國(guó)的氣動(dòng)支撐桿制造技術(shù)成熟，成本也在不斷下降。氣動(dòng)支撐桿具有尺寸小、容易布置、可靠性高等特點(diǎn)。目前氣動(dòng)支撐桿在專業(yè)生產(chǎn)廠家均按標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)，使用和維修也更加方便。

氣動(dòng)支撐桿的可靠性可以滿足汽車、飛機(jī)及醫(yī)療器械等開啟機(jī)構(gòu)的要求。尤其是在汽車的應(yīng)用上，后背門及發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋等開啟機(jī)構(gòu)不僅要符合車身造型的需要，而且要滿足安全、可靠及使用方便等要求。氣動(dòng)支撐桿就可以很好地滿足這些要求。基于以上優(yōu)點(diǎn)，本次兩廂車開發(fā)采用氣動(dòng)支撐桿。

2 兩廂車后背門的運(yùn)動(dòng)分析

2.1 兩廂車后背門開閉類型

許多轎車和輕型客車都設(shè)置有后背門，以方便裝卸貨物和行李。后背門通常有平開式和上掀式兩種結(jié)構(gòu)。兩者相比，上掀式后背門具有節(jié)省空間、開啟輕便及關(guān)閉可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。[1]本次兩廂車開發(fā)采用上掀式結(jié)構(gòu)。這種后背門需要借助助力撐桿來開啟，當(dāng)開啟后背門時(shí)，利用氣動(dòng)支撐桿產(chǎn)生的反作用力通過對(duì)鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生的力矩來克服重力矩和摩擦力矩，從而使后背門開啟，[2]如圖2所示。

圖2 后背門開啟位置Fig.2 Open position of backdoor

2.2 支撐桿的運(yùn)動(dòng)空間

隨著后背門的開啟和關(guān)閉，氣動(dòng)支撐桿也做近似旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以首先要確保氣動(dòng)支撐桿在動(dòng)作時(shí)與后背門內(nèi)板、流水槽等周邊配件無干涉。利用CATIA的DMU模塊[2]來確定支撐桿的有效運(yùn)動(dòng)空間，如圖3所示。

圖3 支撐桿運(yùn)動(dòng)空間Fig.3 Moving space of gas damper

2.3 后背門及支撐桿運(yùn)動(dòng)過程分析

車門與車體通過兩個(gè)鉸鏈進(jìn)行連接且鉸鏈中心線平行，車門開啟與關(guān)閉是圍繞鉸鏈中心線進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。而氣動(dòng)支撐桿的兩個(gè)安裝點(diǎn)所在面與鉸鏈中心線不相垂直，即氣動(dòng)支撐桿的運(yùn)動(dòng)面為非平面。

后背門運(yùn)動(dòng)過程中，共有3個(gè)靜止平衡點(diǎn)，如圖4、表1所示。

圖4 平衡位置示意圖Fig.4 Diagram of Equilibrium position

表1 3個(gè)平衡點(diǎn)位置Tab.1 Three equilibrium positions

3 后背門動(dòng)力學(xué)分析

3.1 支撐桿力學(xué)性能

本次兩廂車開發(fā)選用的支撐桿基本參數(shù)如表2所示。

表2 氣動(dòng)支撐桿基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of gas damper

根據(jù)支撐桿的性能參數(shù)，利用MATLAB計(jì)算出支撐桿力學(xué)性能，如圖5所示。

圖5 支撐桿力學(xué)性能圖Fig.5 Performance chart of gas damper

3.2 后背門重力矩與氣動(dòng)支撐桿力矩之間的關(guān)系

從上文內(nèi)容可知，后背門有3個(gè)平衡點(diǎn)。后背門的開啟和關(guān)閉過程中，開啟角度、能否靜態(tài)平衡以及力矩間的關(guān)系如表3所示。

表3 開啟/關(guān)閉過程中的邏輯關(guān)系Tab.3 Logic of backdoor during opening/closing

根據(jù)表3的邏輯關(guān)系確定力學(xué)變化模型，如表4所示。以開門過程為例(關(guān)門過程為逆向)：定義向上方向?yàn)檎蛳路较驗(yàn)樨?fù)；順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正。

表4 運(yùn)動(dòng)過程中力學(xué)模型Tab.4 Mechanical model

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的要求，后背門的關(guān)閉初始拉力為20,N，后背門的開啟初始拉力為30,N?？紤]安全性，開啟和關(guān)閉的初始拉力誤差須在±3,N以內(nèi)。

根據(jù)力矩平衡要求，首先通過對(duì)平衡點(diǎn)的力學(xué)計(jì)算，進(jìn)而得出支撐桿的長(zhǎng)度，根據(jù)此結(jié)果可以初步設(shè)置支撐點(diǎn)位置(見圖6～8)。

圖6 平衡點(diǎn)AFig.6 Balance point A

圖7 平衡點(diǎn)BFig.7 Balance point B

圖8 平衡點(diǎn)CFig.8 Balance point C

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，初步設(shè)定了符合要求的支撐桿安裝位置。

4 支撐桿安裝位置布置及優(yōu)化

4.1 支撐點(diǎn)安裝點(diǎn)空間確定

圖9 安裝狀態(tài)斷面圖Fig.9 Drawing of clearance check

通過以上的分析和計(jì)算，初步確定出支撐桿固定點(diǎn)的安裝位置，為了確保安全，需對(duì)支撐桿與周邊配件的間隙及后背門的運(yùn)行性能(速度和加減速度)進(jìn)行校核和優(yōu)化。首先檢查間隙是否滿足要求，如圖9所示。

然后對(duì)整個(gè)開門過程計(jì)算，通過MATLAB工具進(jìn)行計(jì)算與分析，優(yōu)化安裝點(diǎn)位置。如圖10所示。

圖10 運(yùn)動(dòng)過程力學(xué)模型Fig.10 Mechanical model

4.2 優(yōu)化后結(jié)果

根據(jù)以上的優(yōu)化分析，利用CATIA DMU模塊，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的速度和加速度進(jìn)行仿真。[3]

5 結(jié) 論

借助于CATIA、MATLAB工具，對(duì)汽車后背門氣動(dòng)支撐桿進(jìn)行了按鉆過布置且對(duì)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真及優(yōu)化，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。通過軟件的應(yīng)用，大幅減少了運(yùn)算時(shí)間，提高了工作效率。在保證后背門開啟平穩(wěn)順暢、助力輕便的基礎(chǔ)上，滿足了結(jié)合人機(jī)工程要求及安全性能。

［1］ 李宇彤. 上掀式背門氣動(dòng)撐桿的優(yōu)化布置[J]. 汽車技術(shù)，1999(9)：15-16.

［2］ 黃天澤，黃金陵. 汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：214-222.

［3］ 魯君尚. 無師自通CATIA V5之電子樣機(jī)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)，2008：94-150.

Layout and Motion Analysis of Backdoor’s Damper

TANG Baolong，ZHAO Lijie，BI Xueyu
(FAW Toyota Research & Development Co.，LTD.，Tianjin 300462，China)

The opening mechanism of gas damper is a kind of structure which is often used in cars.When developing the hatchback，researchers will use gas damper.With the help of CATIA and MATLAB，the paper analyzes the relationship of forces and moments during the opening and closing of hatchback’s backdoor from the perspectives of kinematics and dynamics，and optimizes the layout of installation points.As a result，the performance of hatchback’s backdoor meets functional requirements of steady opening or closing of backdoor，easy assistance and safety.

CATIA；backdoor；gas damper

U463.03

：A

：1006-8945(2016)09-0071-03

2016-08-31