吳鐸

摘 ?要：運用機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計原理和CATIA軟件的運動學(xué)模塊，創(chuàng)建汽車空調(diào)箱風(fēng)門驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運動仿真。使用CATIA的law特性驅(qū)動風(fēng)門和凸輪，生成曲柄銷軸在凸輪上的運動軌跡的方法來設(shè)計凸輪。對其軌跡進(jìn)行壓力角的分析與調(diào)整，減小壓力角來減小機(jī)構(gòu)的扭矩。對機(jī)構(gòu)零件的配合間隙和材料特性的選用，來減小機(jī)構(gòu)的噪音。通過凸輪槽的設(shè)計以及機(jī)構(gòu)零件的配合間隙和材料的選用，為運動機(jī)構(gòu)設(shè)計及改進(jìn)提供理論依據(jù)和設(shè)計經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：運動機(jī)構(gòu);壓力角;凸輪;CATIA;Law

中圖分類號：U463.851 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0094-03

Abstract： Based on the design principle of mechanical mechanism and the kinematics module of CATIA software， the motion simulation of air door driving mechanism of automobile air conditioning box is established. The cam is designed by using the law characteristics of CATIA to drive the valve and cam to generate the trajectory of the crank pin shaft on the cam. The pressure angle is analyzed and adjusted to reduce the pressure angle to reduce the torque of the mechanism. The selection of fit clearance and material characteristics of mechanism parts to reduce the noise of the mechanism. Through the design of cam groove and the selection of fit clearance and material of mechanism parts， the theoretical basis and design experience are provided for the design and improvement of kinematic mechanism.

Keywords： motion mechanism; pressure angle; cam; CATIA; Law

1 概述

在汽車工業(yè)的高速發(fā)展的今天，汽車技術(shù)也圍繞著安全、舒適和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。汽車空調(diào)系統(tǒng)是汽車安全和舒適性的一個重要組成部分，為汽車提供制冷、采暖、除霜/除霧、除濕調(diào)節(jié)、過濾空氣的功能。汽車空調(diào)箱的運動機(jī)構(gòu)設(shè)計的是否合理，會直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。吹面、吹腳風(fēng)門漏風(fēng)給乘客帶來不舒服感。除霜風(fēng)門漏風(fēng)，會導(dǎo)致前擋風(fēng)玻璃起霧，嚴(yán)重影響行車安全。所以空調(diào)的機(jī)構(gòu)是空調(diào)系統(tǒng)的一個重要組成部分[1]。

在空調(diào)機(jī)構(gòu)中，模式凸輪盤是重要組成部分，它控制著吹面、吹腳、除霜三個風(fēng)門的運動，凸輪槽軌跡是三個風(fēng)門驅(qū)動的耦合，精度高，設(shè)計難度大。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是圖解法和解析法，圖解法設(shè)計需要繪制大量的工程圖[2，3];解析法設(shè)計需要大量的設(shè)計計算，設(shè)計周期很長，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計要求。隨著UG，CATIA等三維軟件發(fā)展，通過三維實體建模實現(xiàn)虛擬運動仿真，可以在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題[4-8]。但是凸輪盤驅(qū)動槽軌跡的設(shè)計仍是傳統(tǒng)設(shè)計方法，機(jī)構(gòu)運行過程中受力分布不均衡，軌跡干澀，易卡死。

本文擬使用CATIA的Kinematics虛擬仿真模塊逆向設(shè)計凸輪軌跡，即使用CATIA的law特性通過風(fēng)門旋轉(zhuǎn)角度的角位移關(guān)系驅(qū)動風(fēng)門和凸輪，生成曲柄銷軸在凸輪上的運動軌跡的方法來設(shè)計凸輪。對其軌跡進(jìn)行壓力角分析與調(diào)整，使之減小壓力角，進(jìn)而減小機(jī)構(gòu)的運動扭矩。

2 風(fēng)門機(jī)構(gòu)的運動形式及力學(xué)分析

在汽車空調(diào)箱風(fēng)門的驅(qū)動機(jī)構(gòu)基本上用的是連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)，還有齒輪機(jī)構(gòu)，或者是通過幾種機(jī)構(gòu)混合傳動來達(dá)到控制風(fēng)門的效果。

凸輪連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)構(gòu)中使用最多的機(jī)構(gòu)形式，凸輪直徑的大小，直接決定控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動力的大小。典型的凸輪連桿機(jī)構(gòu)形式，機(jī)構(gòu)通過步進(jìn)電機(jī)帶動凸輪的轉(zhuǎn)動，使凸輪驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)帶動風(fēng)門的開合，通過凸輪的休止行程控制不同模式間的風(fēng)門狀態(tài)的精確定位。

凸輪壓力角是從動件的運動方向與傳動軸線的方向的夾角。壓力角是衡量一個凸輪機(jī)構(gòu)傳動好壞的一個重要參數(shù)。當(dāng)壓力角減小，從動件運動矢量方向的分力越大。為減小操作力，使機(jī)構(gòu)具有良好的受力狀況，應(yīng)盡量減小壓力角。建議壓力角不大于65°。

另外，由于空調(diào)風(fēng)門機(jī)構(gòu)高頻次往返運動，所以凸輪接頭采用幾何外形鎖和，即使用凸輪槽與滾子始終保持高副接觸，這樣風(fēng)門的角度比較容易控制。缺點是，凸輪的軌跡槽的精度要求較高，凸輪槽的寬度與曲柄銷的間隙需要有比較好的配合，以免卡死或產(chǎn)生異響和噪音。

3 風(fēng)門機(jī)構(gòu)的設(shè)計和運動仿真

汽車空調(diào)的模式通常分為五個模式，即面部模式、面部/足部模式、足部模式、足部/除霜模式、除霜模式。根據(jù)車況和天氣情況，司機(jī)或者乘客可以選擇比較舒適的模式。以上的五種模式是由風(fēng)門的開關(guān)來調(diào)節(jié)出風(fēng)模式。根據(jù)以上的模式，風(fēng)門的開關(guān)如表1。

本文利用CATIA軟件中的DMU Kinematics模塊運動仿真設(shè)計風(fēng)門驅(qū)動件凸輪。再利用零件的運動軌跡設(shè)計凸輪軌跡槽。

首先利用CATIA軟件按照零部件的位置進(jìn)行實體建模，做出風(fēng)門和殼體的位置以及風(fēng)門的轉(zhuǎn)動軸位置。

根據(jù)風(fēng)門位置，初步分析，三個風(fēng)門位置距離比較遠(yuǎn)，直接用凸輪驅(qū)動風(fēng)門曲柄帶動風(fēng)門旋轉(zhuǎn)，勢必會導(dǎo)致凸輪的直徑較大，導(dǎo)致凸輪的力矩較大，凸輪偏擺也會嚴(yán)重，所以需要增加搖桿機(jī)構(gòu)，使凸輪的直徑變小。根據(jù)風(fēng)門的旋轉(zhuǎn)角度，初步設(shè)計出搖桿機(jī)構(gòu)。

搖桿全部在同一個上殼體上，這樣可以提高機(jī)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性和精度，也可以縮小凸輪直徑。

根據(jù)以上零部件的位置，確定出凸輪的旋轉(zhuǎn)軸位置，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息，定義出所有的運動副，其中包括轉(zhuǎn)動副，點在線上滑動副。因為要設(shè)計凸輪槽，所以把每個風(fēng)門和凸輪作為主動件，轉(zhuǎn)動角度使用規(guī)律曲線來驅(qū)動，即CATIA的Law功能，根據(jù)規(guī)律曲線在一個凸輪角度總行程，風(fēng)門根據(jù)模式都有著規(guī)律的角度行程。

在本文的機(jī)構(gòu)虛擬仿真中，求出了搖桿上的銷軸在凸輪上的軌跡，這個軌跡就是凸輪槽的位置。

通過此運動軌跡，我們可以分析不同位置的壓力角，根據(jù)壓力角進(jìn)行軌跡的優(yōu)化。進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化的凸輪軌跡設(shè)計。

通過本文提出的方法設(shè)計凸輪，可以節(jié)省大量的時間，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。且可以直觀的看出各風(fēng)門的開關(guān)情況，海綿的壓縮等狀態(tài)。

曲柄銷在凸輪槽內(nèi)的滑動的間隙配合對機(jī)構(gòu)的運動噪音都有很大影響。在運動機(jī)構(gòu)中大部分的零部件都是塑料件，塑料件制作比較方便，成本比較低。但是零部件的變形和尺寸穩(wěn)定性相對較差，所以，在尺寸配合的設(shè)計上要充分考慮塑料件的材料特性。在所有零件中，對噪音比較敏感的是曲柄銷在凸輪槽內(nèi)的滑動的配合間隙，間隙過小，滑動的過程中會有異音或者噪音。間隙過大機(jī)構(gòu)就會不穩(wěn)定，所以配合間隙要比較適當(dāng)。曲柄銷的直徑比較小，尺寸比較好控制，所以尺寸公差要小一些。凸輪的軌跡比較復(fù)雜，制作相對復(fù)雜一些，所以尺寸公差要相對大一些。這樣對生產(chǎn)成本也是比較有利的。產(chǎn)生噪音的另一個關(guān)鍵是零件的材料，同種材料在相互產(chǎn)生摩擦的過程中易產(chǎn)生噪音，所以材料的選擇也是很重要的。機(jī)構(gòu)的零部件在機(jī)構(gòu)運動過程中有轉(zhuǎn)動和滑動，所以要選擇耐磨性和潤滑性好，低摩擦系數(shù)的材料。POM、PBT和PA66都是很好的工程塑料，有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣特性和熱穩(wěn)定性，而且POM、PBT還有很好的自潤滑性。為了提高材料的機(jī)械特性，還可以增加玻璃纖維，比例在15%～30%比較適宜。

4 試驗驗證及分析

本文根據(jù)設(shè)計的運動機(jī)構(gòu)制作了快速成型樣件，并按照設(shè)計狀態(tài)裝配成空調(diào)箱總成。在此總成上驗證運動機(jī)構(gòu)的操作力、機(jī)構(gòu)噪音和異響、風(fēng)門的關(guān)緊狀態(tài)。

實驗方法：（1）實驗通過步進(jìn)電機(jī)帶動凸輪，凸輪驅(qū)動風(fēng)門連桿，帶動風(fēng)門開合。（2）步進(jìn)電機(jī)輸入電壓逐步增加，使運動機(jī)構(gòu)能夠運動。記錄電壓值，然后通過扭矩儀測試該電壓下的電壓扭矩。（3）風(fēng)門的關(guān)進(jìn)狀態(tài)的測試：通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使風(fēng)門停到各個模式，使用風(fēng)量測試儀測試各個模式的漏風(fēng)。（4）機(jī)構(gòu)噪音和異響的測試：使用噪音測試儀測試機(jī)構(gòu)的噪音。麥克風(fēng)位置距離機(jī)構(gòu)凸輪上方和前方30cm。使用驅(qū)動電機(jī)控制凸輪旋轉(zhuǎn)從吹面模式到除霜模式周期為1.5秒，用噪聲測試儀記錄下噪音曲線。

實驗結(jié)果與分析：（1）電機(jī)5.0伏可使機(jī)構(gòu)正常運動，使用扭矩儀測試電機(jī)5.0V的扭矩為45N·cm，滿足整車扭矩小于60N·cm的要求。另外，此樣件是NC加工的快速樣件，表面的光潔度比較差，所以扭矩會偏大，正式產(chǎn)品扭矩會進(jìn)一步降低。（2）風(fēng)門關(guān)到各個模式，目測風(fēng)門海綿的壓縮量，海綿都有1mm以上的壓縮量。經(jīng)過風(fēng)量測試臺測試，各風(fēng)門均無漏風(fēng)。（3）經(jīng)過面部模式到除霜模式之間變換，使用噪音測試儀測試，機(jī)構(gòu)響度為9宋，大于60dB（A）的波峰有2個。而一般空調(diào)箱的機(jī)構(gòu)響度不大于12宋，大于60dB（A）的波峰有4個。

5 結(jié)論

本文使用CATIA的Kinematics虛擬仿真模塊逆向設(shè)計凸輪軌跡，即使用CATIA的law特性通過風(fēng)門旋轉(zhuǎn)角度的角位移關(guān)系驅(qū)動風(fēng)門和凸輪，生成曲柄銷軸在凸輪上的運動軌跡的方法來設(shè)計凸輪。對其軌跡進(jìn)行壓力角分析與調(diào)整，使之減小壓力角，進(jìn)而減小機(jī)構(gòu)的扭矩。本文得到如下結(jié)論：（1）本文提出的方法提高了設(shè)計效率，極大地縮短了開發(fā)周期和成本，有效地保證了空調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性和準(zhǔn)確性。（2）風(fēng)門的關(guān)緊狀態(tài)與凸輪的軌跡設(shè)計有很大關(guān)系，設(shè)計凸輪的過程中需要充分考慮海綿的壓縮量，風(fēng)門的剛性，曲柄銷在凸輪槽中的工作接觸點以及在各個模式狀態(tài)下的風(fēng)門鎖緊行程，保證凸輪的往復(fù)過程中風(fēng)門的正確位置。（3）曲柄銷在凸輪槽內(nèi)的滑動的間隙配合對機(jī)構(gòu)的運動噪音都有很大影響。曲柄銷的直徑比較小，尺寸比較好控制，所以尺寸公差要小一些。凸輪的軌跡比較復(fù)雜，制作相對復(fù)雜一些，所以尺寸公差要相對大一些。這樣對生產(chǎn)成本也是比較有利的。（4）凸輪壓力角會直接影響機(jī)構(gòu)的操作力。設(shè)計過程中在各個模式轉(zhuǎn)換的過程中，對壓力角要進(jìn)行分析，保證壓力角的理想狀態(tài)。

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