李超帥, 方超, 林森, 于波, 李瑞生

(華晨汽車工程研究院閉合件工程室, 遼寧沈陽 110141)

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基于CATIA DMU的門鎖系統(tǒng)運動仿真與設計優(yōu)化

李超帥, 方超, 林森, 于波, 李瑞生

(華晨汽車工程研究院閉合件工程室, 遼寧沈陽 110141)

為解決汽車門鎖系統(tǒng)拉桿傳動的行程匹配困難與精度低的問題，對車門鎖系統(tǒng)拉桿傳動機構的運動特點進行理論分析，應用CATIA DMU Kinematics模塊建立車門鎖系統(tǒng)運動機構的運動仿真模型，通過動態(tài)分析輸出了各構件的行程對應關系曲線，簡化了行程匹配過程，提高了行程匹配精度，避免了樣車試裝階段的反復調(diào)整。并應用CATIA DMU Kinematics模塊對運動件的空間距離進行了動態(tài)分析，通過輸出動態(tài)距離曲線與包絡面來優(yōu)化鎖系統(tǒng)的布置。

門鎖系統(tǒng)；CATIA DMU；運動仿真；設計優(yōu)化

0 引言

汽車門鎖系統(tǒng)是用戶日常頻繁使用的車身附件之一，其設計狀態(tài)的好壞不僅決定了用戶的使用感受，更重要的是決定了汽車的安全性能。門鎖機構與開啟機構的行程匹配(尤其是采用拉桿傳動的開啟機構)一直是國內(nèi)汽車企業(yè)開發(fā)過程中的難點之一，通常采用反復匹配、反復更改的方式來逐步逼近合理的行程匹配狀態(tài)，由于設計精度差導致匹配過程耗時耗力[1-2]。

針對此問題，作者運用CATIA DMU Kinematics模塊針對鎖系統(tǒng)的開啟機構、傳動機構與執(zhí)行機構進行了數(shù)字樣機運動仿真研究，輸出了鎖系統(tǒng)內(nèi)各運動構件之間對應的行程關系曲線，為鎖系統(tǒng)外開啟拉桿傳動的行程匹配提供了理論依據(jù)，形成了一種精確的鎖系統(tǒng)行程匹配方法，有效提高了設計效率與設計精度，避免了新車型開發(fā)過程中因行程匹配不準確造成的車門鎖系統(tǒng)失效的問題。同時，運用CATIA DMU模塊的運動仿真工具，對鎖系統(tǒng)各運動構件與周邊零件如門鈑金的空間距離進行了動態(tài)分析，輸出了各相對運動構件的空間距離隨運動行程變化的關系曲線以及拉桿在整個運動過程中的運動包絡，

為鎖系統(tǒng)的布置開發(fā)提供了理論支持。

1 車門鎖系統(tǒng)運動機構原理分析

出于人機操作的便利性，車門鎖系統(tǒng)中內(nèi)把手與鎖體的布置位置在車輛X方向距離較大，因而較多地采用拉索傳動的方式；外把手與鎖體之間X方向距離較小，可采用拉桿傳動的方式。因拉索傳動方式的行程匹配過程不涉及拉索的空間運動，而拉桿傳動方式的行程匹配與拉桿的空間運動緊密相關，因而文中只針對拉桿傳動的方式進行運動仿真分析。

圖1所示為車門鎖外開啟系統(tǒng)的構件示意圖，車門鎖外開啟系統(tǒng)按照相對運動狀態(tài)可分為外把手、把手基座、曲軸、外開拉桿、解鎖擺臂以及鎖本體6個構件。其中外把手基座固定于車門外板上，鎖本體固定于車門內(nèi)板上，二者無相對運動，屬于固定構件。外把手屬于解鎖過程中的驅(qū)動機構，用戶拉動外把手繞把手基座旋轉從而帶動曲軸繞把手基座轉動，曲軸與外開拉桿屬于傳動機構，曲軸的轉動通過外開拉桿傳動到達執(zhí)行機構解鎖擺臂，解鎖擺臂旋轉從而執(zhí)行解鎖動作。

圖1 門鎖外開啟系統(tǒng)構件圖示

2 基于CATIA DMU的車門鎖系統(tǒng)運動仿真模型

2.1 車門鎖系統(tǒng)數(shù)字模型建立

根據(jù)新開發(fā)車型中外把手與門鎖的相對空間位置關系，初步建立二者之間的外開拉桿連接結構。外開拉桿的設計走向應盡可能平順，盡量減少彎折數(shù)量與彎折角度，避免傳動過程中的行程效率與操作力損失過大。外開拉桿布置完成后，根據(jù)各構件之間的相對運動關系，按照DMU運動仿真要求對車門鎖外開啟系統(tǒng)進行構件拆分；拆分完成后，在CATIA DMU Kinematics模塊中建立裝配文件，并按照各構件的實際空間位置建立約束關系，為下一步建立運動仿真模型做準備。裝配體建立完成后結構樹如圖2所示。

圖2 門鎖外開啟系統(tǒng)DMU構件結構樹

2.2 車門鎖系統(tǒng)運動副建立

針對車門鎖外開啟系統(tǒng)各構件的運動狀態(tài)，對圖2所示結構樹中的6個構件建立如圖3所示的Y1～Y7七個位置的運動副。

不行，我不能這么做。我收回了伸出去的手，側過身面向墻壁，心想，沒人知道我不愿意幫他，我可以把這個秘密埋藏在心底。我閉上雙眼，睡意襲來，可每當我快要進入夢鄉(xiāng)時，艾爾的哭聲就會把我吵醒。

圖3 車門鎖系統(tǒng)DMU運動副約束位置

在CATIA DMU Kinematics模塊中，機構自由度DOF不為0的情況下構件之間無法實現(xiàn)運動仿真。因此運動副的建立既需要滿足自由度DOF為0的要求，又需要滿足鎖機構的實際運動情況[3-4]。根據(jù)各構件之間的相對運動關系，建立各構件之間運動副的詳細信息，如表1所示。

表1 運動副詳細信息

2.3 車門鎖系統(tǒng)運動仿真參數(shù)設定

運動副建立完成后，定義鎖本體為固定構件，并添加Y1位置旋轉副為驅(qū)動條件，如圖4所示，此時CATIA提示系統(tǒng)自由度DOF為0，至此，機構的自由度被完全約束，CATIA彈出提示信息，機構可以進行運行仿真。點擊Simulation with Command進行運動模擬，此時，外把手運動位置、曲軸運動位置、外開拉桿運動位置以及解鎖擺臂運動位置在運動仿真中一一對應，可根據(jù)鎖體擺臂的初始位置與最大開啟位置來調(diào)節(jié)外把手構件在Kinematics Simulation對話框中的旋轉角度范圍。至此，車門鎖系統(tǒng)運動仿真模型建立完成。

圖4 門鎖外開啟系統(tǒng)DMU運動仿真結構樹

3 基于DMU運動仿真模型的門鎖行程匹配

3.1 車門鎖系統(tǒng)拉桿傳動的空間幾何關系

如圖5所示，為門鎖系統(tǒng)中曲軸運動行程與解鎖擺臂運動行程的空間幾何關系對應示意圖，軸線1為曲軸繞把手基座的旋轉軸線，嚙合點1為曲軸在初始位置時與拉桿的嚙合點，則軌跡1為嚙合點1繞軸線1的運動軌跡圓，軌跡1上的嚙合點2為曲軸運動行程為L1時的嚙合點1的運動位置。以嚙合點2為球心，以拉桿兩端嚙合點的直線長度為半徑建立空間球面1，則球面1為曲軸行程為L1時，拉桿與解鎖擺臂嚙合點的空間位置軌跡面。

圖5 車門鎖系統(tǒng)拉桿傳動空間關系示意圖

軸線2為解鎖擺臂繞鎖體的旋轉軸線，軌跡2為拉桿與解鎖擺臂嚙合點的空間軌跡圓。則軌跡2與球面1的交點4為曲軸行程為L1時解鎖擺臂嚙合點的空間位置，則嚙合點3與嚙合點4之間的距離L2為與曲軸行程L1相對應的解鎖擺臂運動行程。

通過以上分析可知，在拉桿傳動過程中，各運動構件之間的空間位置關系一一對應。而通過建立DMU運動仿真模型，可將各構件運動過程中的行程對應關系進行曲線輸出。在CATIA DMU Kinematics模塊，啟動Kinematics Simulation對話框中的激活傳感器命令，添加自定義曲線，定義曲軸繞把手基座的旋轉為橫坐標，解鎖擺臂繞鎖本體的旋轉為縱坐標，運行運動仿真后可輸出解鎖擺臂與曲軸旋轉角度對應關系，可直接點取曲線上任意位置讀取該位置的行程對應關系數(shù)據(jù)，也可以通過傳感器對話框輸出Excel表格查詢精確數(shù)值。采用同樣的方法，可以依次建立外把手旋轉角度與曲軸旋轉角度的關系曲線以及外把手旋轉角度與解鎖擺臂旋轉角度的關系曲線，如圖6所示。

圖6 基于DMU運動仿真模型的行程對應曲線

各運動構件運動行程對應關系曲線建立完成后，可以根據(jù)圖7所示的行程匹配原則進行外把手與鎖體的行程匹配設計。

圖7 把手與鎖體行程匹配原則

圖7中縱坐標表示鎖體行程，其中s1為鎖體的解鎖行程，s2為鎖體的最大行程；橫坐標中，B1為與鎖體空行程相對應的外把手行程，B2為與鎖體解鎖行程s1相對應的把手理論行程；考慮拉桿制造裝配公差以及配合間隙，外把手的解鎖行程應在B2的基礎上增大到B3；考慮鎖系統(tǒng)長時間運動后機構松弛以及拉桿變形等情況，應預留外把手解鎖儲備行程至B4。此外，在解鎖行程末端，把手的限位應先于鎖體的限位來保護鎖體內(nèi)部結構，因此外把手最大行程B4應小于與鎖體最大行程s2對應的外把手行程B5，至此，行程匹配完成。由此可見，應用CATIA DMU搭建運動仿真模型可以明顯簡化行程匹配過程中的各構件行程關系的計算，直接從行程關系曲線上進行數(shù)據(jù)讀取，匹配效率與精確性顯著提高。

4 基于DMU運動仿真模型的周邊件空間分析

門鎖系統(tǒng)的布置涉及到多個運動構件在車門內(nèi)外板腔體內(nèi)的復雜運動，由于外開拉桿的運動軌跡不規(guī)則，通過常規(guī)方法很難分析其運動過程中與周邊零件的空間間隙情況，而CATIA DMU的運動仿真可以很好地解決這一問題。下面以校核如圖8所示外開拉桿運動過程中與車門內(nèi)板的空間距離為例進行分析。

圖8 外開拉桿與車門內(nèi)板靜態(tài)位置示意圖

在DMU Kinematics模塊中定義外開拉桿與車門內(nèi)板之間的距離與區(qū)域分析，添加自定義曲線，定義外把手繞把手基座的旋轉為橫坐標，外開拉桿與車門內(nèi)板之間的距離為縱坐標,然后進行仿真，仿真完成后可輸出二者的關系曲線,如圖9所示。

圖9 外開拉桿與車門內(nèi)板空間距離動態(tài)曲線

在圖中點擊曲線上任意點位置，即可讀取此位置二者的空間距離數(shù)值。采用此方法可建立任意構件之間的動態(tài)空間校核，簡化了校核難度，提高了校核精度。

在鎖系統(tǒng)設計階段，若采用DMU運動仿真建立運動構件的運動包絡體，作為輸入條件給周邊搭接零件作為限制面，可有效避免因運動件空間位置輸入條件不準確造成的裝車匹配問題。下面以拉桿的運動包絡建立為例進行分析。運動仿真模型建立完成后，建立運動機構的模擬與重放，點擊包絡體按鈕，選取要建立包絡體的構件，可建立包絡體，如圖10所示。此方法操作簡單，空間位置精確，可明顯提高設計精度，提高設計效率。

圖10 外開拉桿運動包絡體圖示

5 結論

在車輛的開發(fā)過程中，合理地運用開發(fā)工具可以有效地提高設計效率與精確度。針對鎖系統(tǒng)開發(fā)過程中拉桿傳動的行程匹配與空間校核不精確的問題，采用CATIA DMU模塊建立了鎖系統(tǒng)的運動仿真模型，并運用DMU分析工具對行程匹配與空間校核進行了優(yōu)化，提供了一種新型的鎖系統(tǒng)開發(fā)方式，在設計階段可高效準確地指導設計，同時在樣車試制階段可迅速發(fā)現(xiàn)鎖系統(tǒng)的設計缺陷并提供解決方案。通過運動仿真來指導設計優(yōu)化，可有效提高鎖系統(tǒng)的產(chǎn)品設計效率與品質(zhì)。

【1】劉海玲.汽車側門外開啟系統(tǒng)設計[J].上海汽車，2010(12)：24-26. LIU H L.Vehicle Side Door Outer Release System[J].Shanghai Auto,2010(12)：24-26.

【2】高保臣.轎車車門鎖的布置設計和行程匹配[J].汽車技術，2013(6)：33-34. GAO B C.Layout Design and Itinerary Match of Passenger Car Door Lock[J].Automobile Technology,2013(6):33-34.

【3】李兵.基于CATIA-DMU的刮水器仿真分析及優(yōu)化設計[J].汽車電器，2014(3)：18-20. LI B.Wiper Simulation Analysis and Optical Design Based on CATIA-DMU[J].Auto Electric Parts,2014(3):18-20.

【4】劉斌.CATIA運動仿真在汽車設計中的應用[J].上海汽車，2006(7)：33-34. LIU B.Application of CATIA Motion Simulation in Automobile Design[J].Shanghai Auto,2006(7):33-34.

Simulation and Design Optimization of Door Lock System Based on CATIA DMU

LI Chaoshuai, FANG Chao, LIN Sen, YU Bo, LI Ruisheng

(Closure Section,Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Shenyang Liaoning 110141,China)

In order to solve the problem that it was difficult and inaccurate in the stroke matching of the rod drive in the door lock system, the movement characteristics of the rod drive mechanism of the door lock system were analyzed theoretically. The CATIA DMU Kinematics module was used to establish the motion simulation model of the door lock system. The stroke curve of every component was output by dynamic analysis. So the stroke matching process was simplified and the accuracy of the stroke matching was improved. Then the repeated adjustment of vehicle matching stage was avoided. And the CATIA DMU Kinematics was used to analyze the spatial distance of the moving parts. The arrangement of the lock system is guided by the dynamic distance curves and the envelope surface.

Door lock system;CATIA DMU; Movement simulation; Design optimization

2016-08-02

李超帥(1989—)，工學碩士，工程師，主要從事車身附件設計工作。E-mail：chaoshuai.li@brilliance-auto.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.003

U463.83+4

A

1674-1986(2016)11-013-04