趙斌，董浩，黃波，張建

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敞篷汽車(chē)三段式折疊軟頂敞篷機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙斌，董浩，黃波，張建

（成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

最初汽車(chē)敞篷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，靠手動(dòng)實(shí)現(xiàn)敞篷機(jī)構(gòu)的折疊式運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)化程度低，機(jī)構(gòu)桿件靈活性較低。目前較流行的軟頂敞篷汽車(chē)，將軟頂分為汽車(chē)后頂連接蓋、中間過(guò)渡連接頂蓋和前頂連接頂蓋三部分。文章在敞篷汽車(chē)三段式折疊軟頂敞篷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ)上，基于matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行敞篷汽車(chē)三段式折疊軟頂?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，并得到各桿件的最優(yōu)尺寸，使敞篷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。

汽車(chē)；敞篷；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

敞篷車(chē)是指帶有折疊式可開(kāi)啟車(chē)頂?shù)钠?chē)，通?？梢宰詣?dòng)開(kāi)合。敞篷汽車(chē)可折疊頂蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括液壓系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)涉及到連桿機(jī)構(gòu)、小翻板機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)等。對(duì)于折疊式敞篷機(jī)構(gòu)的復(fù)雜頂篷翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)硬頂連桿及行李箱四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)頂篷收縮及行李箱開(kāi)合[1]。本文將基于matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行敞篷汽車(chē)三段式折疊軟頂?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)。

1 敞篷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

目前較流行的軟頂敞篷汽車(chē)的敞篷機(jī)構(gòu)由以下三部分構(gòu)成：汽車(chē)后頂連接蓋BD、中間過(guò)渡連接蓋DH及前頂連接蓋KM[2]。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

敞篷有三個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頂蓋的展開(kāi)與收攏。后頂蓋BD的主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)中間頂蓋DH、前頂蓋KM運(yùn)動(dòng)，頂蓋BD到達(dá)固定位冗后，頂蓋KM開(kāi)始展開(kāi)，直至與前端合攏，整個(gè)敞篷的展開(kāi)過(guò)程結(jié)束。其中，液壓油缸2的作用是維持頂蓋DH在平面內(nèi)作平行移動(dòng)。

圖1 敞篷汽車(chē)頂蓋機(jī)構(gòu)分析簡(jiǎn)圖

由機(jī)械原理平面機(jī)構(gòu)自由度公式可得，機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目F為：

式中：——機(jī)構(gòu)自由度；——活動(dòng)桿件數(shù)目；P——低副數(shù)目；P——高副數(shù)目。

由圖1可知，n=11、P=15、P=0，代入式（1）得機(jī)構(gòu)自由度數(shù)F=3，符合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)要求。該敞篷機(jī)構(gòu)采用三段式折疊軟頂，收攏與展開(kāi)較快，設(shè)計(jì)合理。

2 敞篷汽車(chē)三段式折疊軟頂設(shè)計(jì)

基于圖2所示的汽車(chē)模型，參考相應(yīng)尺寸進(jìn)行敞篷汽車(chē)三段式折疊軟頂設(shè)計(jì)分析。

圖2 汽車(chē)模型簡(jiǎn)圖

根據(jù)圖2的汽車(chē)模型簡(jiǎn)圖，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

BD長(zhǎng)為960mm，DH長(zhǎng)為840mm，頂蓋KM展開(kāi)能到達(dá)的長(zhǎng)度為750mm，頂蓋BD到達(dá)固定位置時(shí)與汽車(chē)后座的夾角為135°。

敞篷汽車(chē)機(jī)構(gòu)采用缸徑為、速比=2的液壓油缸，其安裝距(L+S(行桯))=735mm，液壓油缸未充油狀態(tài)下，L=255mm。

3 后頂連接蓋BD優(yōu)化分析

將汽車(chē)敞篷分為三部分，每個(gè)頂蓋分別有一個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)。故在此分別抽出各頂蓋進(jìn)行相關(guān)分析以及尺寸界定，頂蓋BD的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3所示。

考慮液壓油缸通常是勻速充油。在此，油缸桿相對(duì)于缸體的速度可視為常數(shù)。又主動(dòng)鏈的兩個(gè)外副A、C的相對(duì)距離AC可視為已知的、長(zhǎng)度呈規(guī)律變化的桿。由平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式可得，F(xiàn)=1，故該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

圖3 敞篷頂蓋BD機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在圖3中，角度∠ABD具有不確定性，其值大小可根據(jù)具體敞篷機(jī)構(gòu)給定，選取10°≤∠ABD≤45°。由已知參數(shù)可知，BD=960mm，255mm≤AC≤735mm，∠ABD'=135°。為優(yōu)化計(jì)算頂蓋的機(jī)械設(shè)計(jì)尺寸，選取液壓油缸在未工作狀態(tài)下，255mm≤AC≤270mm，在工作狀態(tài)下，當(dāng)頂蓋BD到達(dá)固定位置時(shí)，液壓油缸的安裝距取720mm≤AC'≤735mm。在輸出同樣的功率，為使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副中傳遞的力最小，該機(jī)構(gòu)引入傳動(dòng)角γ，一般取γmin=30°~60°。在該敞篷汽車(chē)機(jī)構(gòu)中，若90°<∠ACB<180°，則γ=180°-∠ACB，由邊角關(guān)系可得：

當(dāng)0°<∠ACB≤90°時(shí)，γ=∠ACB由邊角關(guān)系可得：

根據(jù)圖2，為使敞篷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠達(dá)到指定位置，并給出最優(yōu)化的各桿件尺寸，只需滿足∠ABD?AB?BC最小。

編寫(xiě)matlab程序求解得，

頂蓋BD在滿足運(yùn)動(dòng)條件的前提下，液壓油缸行程速度轉(zhuǎn)換成汽車(chē)軟頂敞篷的速度倍率為BD/BC=3.653。機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角取值范圍為γ∈[30.06°，90°]，符合基本設(shè)計(jì)要求。

4 中間過(guò)渡連接蓋DH的優(yōu)化分析

對(duì)于頂蓋DH的分析，頂蓋DH主要作為連接頂蓋，在頂蓋BD的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，頂蓋KM收攏于頂蓋DH上，頂蓋DH一直保待上下平行移動(dòng)，其主要依賴(lài)于液壓油缸2的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為計(jì)算方便，近似有∠GDF=∠ABD、∠GDF'=∠ABD’，為提高控制單元控制精度，液壓油缸2應(yīng)保證有足夠大的行程，選取EF=255mm、E’F'=690mm、DE=262.80mm、DF=209.70mm，其中DG=840mm，該機(jī)構(gòu)可根據(jù)液壓油缸等機(jī)構(gòu)實(shí)際安裝位置自行調(diào)整。

5 前頂連接蓋KM的優(yōu)化分析

頂蓋KM運(yùn)動(dòng)至連接汽車(chē)前端，以實(shí)現(xiàn)敞篷汽車(chē)的閉合，閉合的程度反映汽車(chē)敞篷密封性的好壞。當(dāng)頂蓋BD、頂蓋DH運(yùn)動(dòng)至固定位宜后，可認(rèn)為頂蓋KM上活動(dòng)絞支點(diǎn)H、G為固定絞支點(diǎn)，具體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4和圖5所示。

圖4 敞篷頂蓋KM機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖5 敞篷頂蓋KM收攏簡(jiǎn)圖

如圖4所示，KJ為連接桿件，與前敞篷板件相連。HJ與GK為支起頂蓋板件導(dǎo)向桿，仿真得到GK=HJ=360mm、KJ=HG=150mm。前敞篷板件收縮時(shí)，板件水平合攏，翹起角度很小，縮小汽車(chē)后備箱存放空間。其中KJ與HJ共線，桿件一端采用圓弧過(guò)渡，另一端采用直臂式機(jī)構(gòu)。

在圖5中，液壓油缸不斷排油，給NI向右作用力，從而帶動(dòng)HJ繞H點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，頂蓋KM逐漸收攏，此時(shí)液壓油缸充油量很少，可忽略不計(jì)。由于頂蓋KM給予的反作用力產(chǎn)生的彎矩對(duì)N'I’影響作用較小，故頂蓋KM的反作用力可完全由N'I'提供，此時(shí)液壓油缸的推力對(duì)N'I’的運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用。當(dāng)GK’與K'M’共線時(shí)，該機(jī)構(gòu)處于與汽車(chē)前端連接鎖緊位置，此時(shí)，K’為死點(diǎn)位賞，實(shí)際機(jī)構(gòu)中，應(yīng)避免該死點(diǎn)。

[1] 余勝威編著.MATLAB車(chē)輛工程應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2014.

[2] 肖啟瑞,樊明明,黃學(xué)翾等編著.車(chē)輛工程仿真與分析基于MAT LAB的實(shí)現(xiàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2012.

[3] 劉毅.關(guān)于敞篷車(chē)的那點(diǎn)事[J].商周刊,2010(13):17-18.

[4] 傳奇敞篷跑車(chē)——馬自達(dá)MX-5[J].時(shí)代汽車(chē),2009(07):48-49.

[5] 劉孜.新BMW6系敞篷轎跑車(chē)[J].時(shí)代汽車(chē),2008(01):88-89.

Optimization design of three-section folding soft top convertible mechanism for convertible car

Zhao Bin, Dong Hao, Huang Bo, Zhang Jian

（School of mechanical engineering, Chengdu University, Sichuan Chengdu 610106）

Initially, the design of the automobile convertible mechanism was complicated, and the folding movement of the open-top mechanism was manually realized, the degree of automation was low, and the flexibility of the mechanism member was low. At present, the soft top convertible car is divided into three parts: a car rear top connecting cover, an intermediate transition connecting top cover and a front top connecting top cover. Based on the design and analysis of the three-section folding soft top convertible mechanism of the convertible car, based on the powerful data processing capability of the matlab, the optimal design of the three-section folding soft top of the convertible car is obtained, and the optimal size of each bar is obtained. The design of the convertible mechanism is more reasonable.

car; convertible; optimized design

B

1671-7988(2018)22-75-03

U463.8

B

1671-7988(2018)22-75-03

U463.8

趙斌（1992.03-），男，成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，主要從事汽車(chē)動(dòng)力學(xué)方向研究；董浩（1985.09-），男，博士，成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士生導(dǎo)師，主要從事汽車(chē)動(dòng)力學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.026