仇祝源

（同濟大學 汽車學院，上海 201804）

法規(guī)規(guī)定汽車必須安裝外后視鏡，且所有后視鏡都必須能調(diào)整觀察方向和范圍，以便保證行駛安全。后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)能夠幫助駕駛員在駕駛位置對左右兩側(cè)外后視鏡進行控制和調(diào)節(jié)。

操縱桿式后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)的操作簡潔，結(jié)構(gòu)緊湊，使用廣泛。其旋轉(zhuǎn)操作主要是通過旋轉(zhuǎn)支架帶動彈簧頂銷與塑料凸輪曲面相互作用，形成操作力感。良好的操作手感有利于駕駛員清楚地感覺到開關(guān)所處位置和實現(xiàn)的功能。

1 旋轉(zhuǎn)運動的摩擦分析

后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)的旋轉(zhuǎn)運動為：旋鈕通過中心軸將運動傳遞給旋轉(zhuǎn)支架，旋轉(zhuǎn)支架帶動頂銷在凸輪輪廓上運動，旋鈕的轉(zhuǎn)矩隨著壓力角和彈簧壓縮量的不斷變化而變化。通過凸輪曲線設(shè)計和頂銷彈簧的匹配就能得到合適的后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)轉(zhuǎn)矩角度曲線。

通常情況，為保持操作手感一致，兩個相鄰功能檔位的凸輪曲線采用對稱設(shè)計，即順時針和逆時針操作轉(zhuǎn)矩一致。由于摩擦力的存在，旋鈕在旋轉(zhuǎn)過程會產(chǎn)生摩擦力矩，使順、逆時針操作轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生差別[1]。

如圖1所示，順時針旋轉(zhuǎn)時，摩擦力的方向始終與操作方向相反，體現(xiàn)為操作阻力，產(chǎn)生的摩擦力矩會使轉(zhuǎn)矩角度曲線向Y軸正方向偏移，令順時針方向為正，轉(zhuǎn)矩如式（1）所示。

逆時針旋轉(zhuǎn)時，摩擦力產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩會使得轉(zhuǎn)矩角度曲線向Y軸負方向偏移，轉(zhuǎn)矩如式（2）所示。

由于摩擦力矩造成順時針旋轉(zhuǎn)與逆時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩差值如式（4）所示。

圖1 頂銷彈簧受力分解

2 轉(zhuǎn)矩角度曲線仿真與分析

本文通過SimDesigner軟件對凸輪結(jié)構(gòu)進行運動仿真。根據(jù)客戶的扭矩輸出要求計算出凸輪曲線，按照凸輪的工作狀態(tài)設(shè)置零件的約束和邊界條件，進行仿真計算。

計算結(jié)果如圖2所示，橫坐標為頂銷軸線所處位置與初始位置的夾角，縱坐標為此時旋鈕受到的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。紅色實線為順時針旋轉(zhuǎn)方向，藍色虛線為逆時針旋轉(zhuǎn)方向。

曲線最高點即為該檔位的操作轉(zhuǎn)矩，從圖中可知相鄰45°的兩個檔位之間的轉(zhuǎn)矩為22.5N·mm，而相鄰90°的兩個檔位之間的轉(zhuǎn)矩為30N·mm，操作轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計要求。通過分析曲線發(fā)現(xiàn)，去程與回程的峰值扭矩差為26N·mm，即摩擦力矩達到13N·mm，影響操作手感，需要進行優(yōu)化以減小摩擦力矩。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

圖2 頂銷彈簧凸輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩角度仿真曲線

由式（3）可知，降低摩擦力矩需減小摩擦力或摩擦力臂。對開關(guān)結(jié)構(gòu)進行綜合分析，可知改善旋轉(zhuǎn)摩擦的最佳方案是降低彈簧頂銷與凸輪之間的摩擦力，而降低彈簧頂銷與凸輪之間的摩擦力的有效辦法是改善二者之間的摩擦關(guān)系。可以通過以下幾方面進行改善：

第一，使用相對摩擦系數(shù)更低的運動副。凸輪輪廓采用摩擦系數(shù)較低，且能夠自潤滑的聚甲醛（POM）材料。從動件材料選擇范圍更廣泛一些，相比頂銷使用的PA66材料，金屬材料從動件的摩擦系數(shù)更小，耐磨程度更高[2]。

第二，改變運動副的接觸形態(tài)。凸輪的從動件按照接觸形態(tài)分類，有尖端從動件、滾子從動件、平端從動件和曲面從動件。頂銷屬于曲面從動件，相比之下，滾子從動件在凸輪輪廓面上進行滾動，摩擦阻力小、耐磨損、承載力大，在對摩擦阻力要求高的工況下使用。

第三，減小彈性元件運動過程中產(chǎn)生的摩擦力。從摩擦力的角度分析，使用彈片作為凸輪力鎖緊元件比使用壓縮彈簧產(chǎn)生的摩擦力小得多。

從圖3所示仿真結(jié)果可以看出，旋轉(zhuǎn)操作轉(zhuǎn)矩位于標準要求范圍的中值附近，操作轉(zhuǎn)矩數(shù)值符合設(shè)計要求。同時，對比去程轉(zhuǎn)矩曲線和回程轉(zhuǎn)矩曲線可以發(fā)現(xiàn)，與彈簧頂銷凸輪機構(gòu)相比，使用滾輪彈片結(jié)構(gòu)作為凸輪機構(gòu)的從動件，用滾動接觸代替滑動接觸有效減小了摩擦轉(zhuǎn)矩，將摩擦力矩由13N·mm降低到7.5N·mm優(yōu)化后的開關(guān)旋轉(zhuǎn)操作手感會更加清晰、無阻滯感。

圖3 滾輪彈片凸輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩角度仿真曲線

4 樣機的試驗驗證

經(jīng)過仿真驗證后，需要按照設(shè)計制作樣機，分別制作頂銷彈簧凸輪結(jié)構(gòu)和滾輪彈片凸輪機構(gòu)的后視鏡開關(guān)，并進行轉(zhuǎn)矩測試，通過計算驗證摩擦改善效果。

圖4 滾輪彈片凸輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩角度曲線

圖4后視鏡開關(guān)實際的轉(zhuǎn)矩角度曲線測量結(jié)果與圖3模擬仿真轉(zhuǎn)矩角度曲線對比可知，曲線的變化趨勢一致，且數(shù)值非常接近，各個檔位轉(zhuǎn)矩的實際值與仿真值的差值在±2N·mm范圍內(nèi)，可以證明產(chǎn)品與設(shè)計相符，設(shè)計滿足產(chǎn)品要求。采用滾輪和彈片作為凸輪機構(gòu)的從動件能夠有效降低旋轉(zhuǎn)接觸摩擦，達到優(yōu)化手感的目的。

5 結(jié)語

本文闡述了摩擦力矩對后視鏡調(diào)節(jié)開關(guān)操作手感的影響。通過優(yōu)化凸輪摩擦副結(jié)構(gòu)，降低摩擦力矩，實現(xiàn)操作手感的優(yōu)化。利用simdesigner仿真軟件對優(yōu)化前后方案進行模擬，驗證方案的可行性，為設(shè)計提供理論依據(jù)。制作樣機，進行試驗測試，驗證了優(yōu)化方案可行。