宋敏鵬，王迎新，張云峰

限位器及車門過檔力計算淺析

宋敏鵬，王迎新，張云峰

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

車門是使用頻率最高的汽車系統(tǒng)之一，用戶在開關門時，對車門過檔手感會有直接的體驗，好的手感可以提高用戶滿意度、提升品牌形象。過檔手感主要由車門限位器提供，但與把手位置、車門重力、鉸鏈等都有重要關聯(lián)。文章分析了把手位置、車門重力、鉸鏈、限位器等對開關門手感的影響，并詳細介紹了車門過檔力的計算方法，尤其是限位器過檔力矩的計算，對車門過檔力的設計和調(diào)整，提供了可靠的理論依據(jù)。

限位器；開關門手感；車門過檔力；限位器過檔力

1 前言

新車型開關門手感的確定，通常做法是試制階段進行實車評審確認，如不滿意，則不斷對限位器進行實物更改，然后再次評審，直到達到預期效果。這個過程，一般需要3~5輪的修改才可實現(xiàn)，周期長、效率低。造成這種現(xiàn)象的主要原因，一是設計前期缺乏系統(tǒng)的計算，未對限位器進行合理的力矩設計；二是實物評審調(diào)整階段，每次調(diào)整限位器時，大多依靠經(jīng)驗，未進行必要的系統(tǒng)性計算確認。因此，合理的車門過檔力計算方法，可以大大提高車門限位器開關門手感開發(fā)的效率。

2 車門開關門過檔力影響因素

車門開關時的過檔力，通常以車輛水平放置狀態(tài)進行評價，其與把手位置、鉸鏈內(nèi)阻、鉸鏈傾角、車門重量、限位器等均有直接關系。

2.1 把手位置

車門把手是人開關車門的直接操作部位，把手到鉸鏈軸線的距離即為操作力臂，同樣的開關門阻力，力臂的長短決定了用戶感受到的力的大小，因此，討論開關門過檔力時必須考慮把手的位置。但對一個具體的車型來講，把手的位置通常是固定的，是不可改變位置的，不能通過調(diào)整把手位置來調(diào)整過檔力。

2.2 鉸鏈內(nèi)阻

鉸鏈連接著車門和車身，車門開關均繞鉸鏈軸線進行，鉸鏈旋轉(zhuǎn)時自身有一定的內(nèi)阻，會對開關門手感產(chǎn)生一定的影響。

2.3 鉸鏈傾角

為了使車門具有自動關門的趨勢，鉸鏈布置時一般具有一定的內(nèi)傾角和前后傾角，鉸鏈傾角會使車門重力在開關門方向產(chǎn)生分力，重力分力會直接影響開關門手感。鉸鏈布置是車門各附件布置的基礎，影響重大，因此鉸鏈確定以后，通常不會通過調(diào)整鉸鏈的方式來調(diào)整過檔力。

2.4 車門重量

對于鉸鏈傾角已確定的車型，車門重量的大小，決定了重力分力的大小。一般對于具體的車型，各車門的重量為定值。

2.5 限位器

限位器具有控制車門開度、提供過檔手感的功能，是開發(fā)者調(diào)整開關門過檔力的最主要手段，即通過調(diào)整限位器自身的過檔力，來實現(xiàn)車門系統(tǒng)過檔力的調(diào)整。具體通過調(diào)整限位器臂上各斜坡高度、斜度、圓角大小來實現(xiàn)，極少數(shù)情況也會調(diào)整彈簧的彈力。

圖1 限位器示意圖

3 車門開關門過檔力計算方法及應用

人在開關門過程中，需要克服的阻力矩有：鉸鏈自身的旋轉(zhuǎn)阻力矩M鉸、限位器的阻力矩M限、車門重力的分力矩MG，如圖2所示。因此根據(jù)力矩平衡原理，可知開關門操作力矩MF：

開門時：M=鉸+限+M

關門時：M=鉸+限-M

圖2 車門受力示意圖

3.1 開關門操作力矩

人開關門時，通過車門把手進行操作，操作力矩為：

M=*

其中，F(xiàn)為人開關門時使用的力，即開關門過檔力，為用戶開關門時的直接感受；

L為對應的力臂，即把手到鉸鏈軸線的距離。

3.2 鉸鏈自身的旋轉(zhuǎn)阻力矩

鉸鏈作為一個單獨的零部件，其自身旋轉(zhuǎn)存在內(nèi)阻，阻力矩一般為固定的范圍，計算時可取中值，即針對特定的車型，鉸鏈自身的旋轉(zhuǎn)阻力矩為定值。

3.3 車門重力的分力矩

因為鉸鏈軸線存在傾角，車門重力在開關門方向上存在分力，其大小為：

G=*cos

其中，P為過重心且垂直于鉸鏈軸線的平面；

GP為重力在平面P上的分力；

G為車門重力

A為重力G與平面P的夾角，針對具體車型則為恒定值。

車門重力分力GP在開關門方向產(chǎn)生的力矩為：

M=G*L*sinB

其中，LG為車門重心到鉸鏈軸線的距離。

B為重力分力GP與重心鉸鏈連線LG的夾角，∠B隨車門開度變化而變化，因此每個檔位需分別計算（注：重力分力GP在重心鉸鏈連線LG的車內(nèi)側(cè)時為正，否則為負）。

圖3 車門重力分力矩示意圖

3.4 限位器的阻力矩

3.4.1 限位器彈簧彈力計算

限位器自身的過檔力，由限位器滑塊在限位器臂上爬坡時，壓縮限位器彈簧產(chǎn)生。限位臂兩側(cè)各有一個彈簧，結(jié)構對稱，故兩彈簧的總彈力為：

彈= 2**△

其中，K為彈簧的彈性模量；

ΔL為單個彈簧的壓縮量。

如圖4所示，根據(jù)限位器的結(jié)構特點，彈簧壓縮量可表示為：

△=0-（H-H1-t）

其中，L0為彈簧自由狀態(tài)下長度；

H為限位盒閉合高度；

H1為滑塊上彈簧配合端面，到滑塊與限位臂切點的距離；

t為滑塊與限位臂切點，到限位臂中心平面的距離。

圖4 彈簧壓縮示意圖

如圖5所示，根據(jù)限位器滑塊的結(jié)構特點，尺寸H1可表示為：

其中，H0為滑塊上，彈簧配合端面到限位臂配合端面的厚度；

R為滑塊圓角半徑；

𝛼為法線與豎直方向的夾角。

圖5 滑塊端部示意圖

如圖6所示，根據(jù)限位器臂斜坡的弧度走勢，可知最大過檔力必然出現(xiàn)在頂部圓角區(qū)域內(nèi)，此時尺寸t可表示為：

其中，r為限位臂凹坑頂部圓角半徑；

h為圓角r的圓心到限位臂中心平面的距離（注：圓心在限位臂中心線下方時為正，否則為負）。

圖6 限位臂斜坡局部示意圖

綜合上述分析，兩彈簧總彈力可表示為：

式中，僅角度𝛼隨滑塊爬坡高度而變化，其他均為定值。

3.4.2 限位器沿限位臂方向拉力計算

滑塊在限位臂上爬坡時，彈簧彈力為豎直方向的力，部分力轉(zhuǎn)換為水平運動方向的阻力，滑塊運動方向的拉力F拉需克服該阻力，其受力分析如圖7所示。

圖7 滑塊上坡時受力分析示意圖

根據(jù)受力平衡，有：

其中，F(xiàn)N為滑塊受到的支持力；

f為滑塊受到的摩擦力；

μ為摩擦系數(shù)。

據(jù)此可推導出以下公式：

在有潤滑脂條件下，滑塊（POM）與限位器臂（PA66）的摩擦系數(shù)較小，所以通常在計算時，會忽略摩擦力的作用，故上式又可表示為：

3.4.3 限位器合力計算

開關門時，限位器不僅有滑塊沿限位臂方向的運動，還有限位盒、限位臂繞軸線旋轉(zhuǎn)的運動，其受力過程可簡化為圖8模型：

圖8 限位器合力與分力關系示意圖

圖中：

O：鉸鏈軸線；

A：限位器旋轉(zhuǎn)中心；

B：初始狀態(tài)的限位盒中心點；

B’：為任意檔位時的限位盒中心點位置；

b：限位盒中心點到鉸鏈軸線的距離，為定值；

c：限位器旋轉(zhuǎn)中心到鉸鏈軸線的距離，為定值；

β：限位盒中心點和鉸鏈軸線連線，與限位盒安裝面的夾角，為定值；

γ：初始位置時，限位盒中心點和鉸鏈軸線連線OB，與限位器旋轉(zhuǎn)中心和鉸鏈軸線連線OA的夾角，為定值；

λ：任意檔位時的開門角度；

F合：限位器合力；

F拉：F合在沿限位臂方向上的分力；

F旋：F合在限位臂旋轉(zhuǎn)方向上的分力。

由圖可知，限位器合力F合與沿限位臂方向拉力F拉的關系為：

又因：

故：

式中，限位器合力F合與沿限位臂方向拉力F拉的關系，僅與開門角度λ有關，代入各個檔位的開門角度即可。

3.4.4 限位器阻力矩計算

如圖9所示，限位器阻力矩為：

其中，L限為當前檔位時的限位器力臂。

3.4.5 車門及限位器過檔力設計應用

上文詳細介紹了車門過檔力的計算方法，開發(fā)者在前期數(shù)據(jù)設計階段，需首先確定車門各個檔位時的開關門力目標值，然后根據(jù)該方法確定限位器自身的過檔力，即確定限位器臂各檔位斜坡的弧度特征。然后在試制階段，對實車的開關門手感進行確認，如需調(diào)整，則根據(jù)過檔力實測值，對目標值進行修正，再根據(jù)計算調(diào)整限位器臂特征。需特別注意的是，零部件實際質(zhì)量往往與前期設計時的預估值存在一定的差異，試制階段需對車門的實際重量進行確認修正。

4 結(jié)論

本文主要從開關門過檔力的影響因素出發(fā)，系統(tǒng)的闡述了開關門時的受力情況，并詳細介紹了人手操作力矩、鉸鏈自身阻力矩、車門重力分力矩、限位器阻力矩的計算方法和應用時的注意事項。此系統(tǒng)涉及多個零部件，運動關系和受力情況復雜，通過本文的介紹，可以給從事相關專業(yè)的開發(fā)者們提供合理的參考幫助。

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Calculation Analysis of Check's Operation Force

Song Minpeng, Wang Yingxin, Zhang Yunfeng

( Zotye Automobile Engineering Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310018 )

Door is one of the most frequently used systems in the vehicle. When users open and close the door, they will have an intuitive feelings through the check's stop. A comfortable experience can improve customersatisfaction and enhance brand image. The experience is mainly provided by the check, but is also significantly related to the handle position, door gravity, hinges, etc. This paper not only analyzes the influence of handle position, door gravity, hinge and check, but introduces the calculation method of the door's operation force in detail, which includes the calculation of the check's resisting moment. It provides a reliable theoretical basis for the design and adjustment of the door's opening and closing feel.

Check; Door’s opening and closing feel; Door's operation force; Check's operation force

U463.83+4

A

1671-7988(2019)13-79-04

U463.83+4

A

1671-7988(2019)13-79-04

宋敏鵬（1989-），男，主管工程師，先后就職于奇瑞汽車股份有限公司和浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司，主要從事汽車開閉件和附件系統(tǒng)的設計研發(fā)工作，對門系統(tǒng)的開發(fā)工作有著較為豐富的經(jīng)驗。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.028