摘 要:為解決設計時,尾門鈑金減薄率、尾門附件重量誤差等使得尾門設計質心與實際尾門質心不符,尾門氣彈簧安裝點布置無法達到最佳布置點,從而導致尾門開關門力與設計狀態(tài)存在較大偏差的問題,文章對汽車尾門零件的實際質心的測量方法進行研究,得出使用臺架輔助測量、利用臺架或工具測量整車、解決部分角度測量儀角度測試限制問題三種方法。
關鍵詞:汽車 尾門質心 測量
隨著時代的發(fā)展,越來越多人開上了汽車,大家對汽車使用的需求也越來越高,人們對汽車的要求從原來的汽車耐用、實用慢慢升級到汽車需要像手機一樣多功能、智能化、自動化。而汽車的感知也從最初的外造型好看提升至現(xiàn)在的整車零件都需要滿足五感體驗,即形、聲、色、味、觸都需要滿足客戶日益提升的需求。自SUV生產(chǎn)以來,尾門的大空間進出性,存放貨物或行李的便利性一直為SUV的優(yōu)勢所在。但同樣的,尾門的大小、重量增加了,帶來的尾門開關門力過大也是人們對SUV的詬病所在。文章通過解決尾門質心測量問題改善尾門開關門力與設計狀態(tài)存在較大偏差的問題。
1 背景
隨著汽車用戶對汽車使用體驗的要求越來越高,汽車各部位的感知問題都亟須改善,尾門的開關門力一直是汽車用戶抱怨的一個點。
文章設定尾門質心處的力為G,用戶開關門操作力為F1,氣彈簧提供的力為F2,不考慮夾角與摩擦力的情況下,G=F1+F2。當我們需求F1處于一個開關門力舒適區(qū)時,必須要求F2能滿足一定的力值。而氣彈簧的F2力值受限于氣彈簧前后布置點,氣彈簧布置點又受限于尾門質心的位置。
在前期設計時,文章統(tǒng)計尾門各個部位的零件進行統(tǒng)計質心、鉸鏈軸線、開關門施力點等用于布置尾門氣彈簧安裝點。但是由于鈑金類零件減薄率等原因,尾門附件實際密度、大小,尾門涂膠等,造成尾門理論質心與尾門實際質心差異較大,從而使得氣彈簧布置點不是最佳布置點,無法達到設計開關門力的要求。因此,我們需要一些方法去測量尾門實際質心,以下三種方法是通過多次驗證得到的結論,僅供大家參考。
2 汽車尾門質心測量方法
2.1 方法1:使用臺架輔助測量
方法1為使用臺架進行輔助測量的一種方法。臺架如下圖1所示。
臺架要求:臺架前端需要有2個測量點,測量點上帶有連接繩或其他固定裝置用于固定尾門鉸鏈,后端至少需要1個測量點,測量點上帶有連接繩或其他固定裝置用于固定尾門鎖或鈑金。測量點上帶有力值傳感器,用于檢測受力情況。各個測量點的繩子或固定裝置要求保證垂直,長度相同,使得尾門相對水平。
尾門要求:尾門要求零件裝配齊全,包括其上的玻璃、鉸鏈、鎖、線束等。
接下來是測量方法。第一步,利用臺秤或其他稱重設備,測量尾門系統(tǒng)的質量m。
第二步,測量尾門質心在測量系統(tǒng)中的X、Y、Z坐標。如圖2示意圖,首先,測量尾門質心Y坐標。兩個人把尾門懸掛在同一水平橫梁的兩個力傳感器的連接繩上,尾門保持不動,使用傳感器測量尾門,根據(jù)公式(1),我們推出公式(2)。
式中:G為尾門重力,m為尾門質量,F(xiàn)a1和Fa2為傳感器F1和F2測量尾門重量時力值的數(shù)據(jù),b為兩個傳感器間的距離,y為定義的尾門中心Y軸坐標。
再者,測量尾門質心的X坐標。如圖3所示,將尾門的鉸鏈側懸掛在同一水平的橫梁的兩個力傳感器F1和F2的連接繩上,再把后端測量點的連接繩固定住尾門的尾部固定點,使得尾門位置處于一個水平狀態(tài)。
根據(jù)海倫公式(3)(4)(5),推出得到公式(6)。我們設此水平狀態(tài)下質心的位置為(X,Y,0),根據(jù)力矩在X軸上的平衡得公式(7),再根據(jù)公式(1),推出公式(8)得出x軸坐標。
式中:S為ABC三角形面積,P為ABC三角形半周長,a、b、c為ABC三角形中邊BC、邊AC、邊AB間的長度,h為點B到邊AC間的直線距離,F(xiàn)1 、F2 、F3分別為A、C、B點傳感器測量的拉力值,G為尾門重力,x為尾門重心X軸坐標。
最后,測量尾門質心的Z坐標。如圖4所示,將尾門的鉸鏈側懸掛在同一水平的橫梁的兩個力傳感器F1和F2的連接繩上,保持尾門靜止狀態(tài)下,用激光筆投影測量出e。首先得到公式(9),由相似三角形定理得到公式(10),從公式(10)可以推出公式(11),最后由公式(12)得到Z坐標值j。
式中:f為鉸鏈軸線至尾門下部點的垂直高度,h為尾門鉸鏈軸線至尾門下部點的長度,e為尾門下部點至激光筆投影位置的水平距離,j為鉸鏈軸線至尾門重心的距離,即Z坐標,z為尾門重心至尾門的法向距離,x為尾門鉸鏈軸線與重心到尾門的法向線的距離,F(xiàn)3為圖3中B點傳感器測量的拉力值。
第三步,將測量系統(tǒng)中的尾門質心坐標轉換成整車理論狀態(tài)下的尾門質心坐標,即將坐標系中的A、B、C點坐標移動至整車對應點的坐標即可得到真實的尾門質心坐標。
2.2 方法2:利用臺架或工具測量整車
方法2所使用的臺架與尾門要求與方法1一致。方法2是利用臺架或工具測量整車狀態(tài)下,不同開啟角度的尾門、不同狀態(tài)時的拉力以及角度來計算尾門質心。其原理為在無氣彈簧、尾門密封條、緩沖膠塞、限位器、尾門鎖等作用力影響的狀態(tài)下,尾門系統(tǒng)靜止在任意開度狀態(tài)時,尾門系統(tǒng)重力力矩與作用在尾門系統(tǒng)上的拉力力矩平衡。
步驟主要分為六步,測量示意如圖5所示。第一步,利用臺秤或其他稱重設備,測量尾門系統(tǒng)的質量m。第二步,利用拉力計分別測量尾門系統(tǒng)2個不同開啟角度α,β時的Z向拉力F1、F2。α與β的角度可用角度測量儀記錄,并且α與β差值盡可能大,減小誤差。第三步,利用UG測量2個不同開啟角度α,β時的F1與F2 對應的力臂S1與S2。第四步,利用前3步的數(shù)據(jù)可直接計算得出2個不同開啟角度α,β時的尾門系統(tǒng)質心所在的Z向直線1與直線2,綜上及平衡定理可以推出公式(13)與公式(14)。第五步,在UG上將直線1旋轉α與β的角度差,直線1與直線2的交點1即為尾門系統(tǒng)在開啟角度β時的質心位置。最后,在UG上將交點1反轉β角度至尾門系統(tǒng)關閉狀態(tài)時即可得到整車狀態(tài)下的實際質心位置。
式中:L1/L2為重心到軸線的水平距離,F(xiàn)1/F2為兩個位置拉力計測量的力值,S1/S2為尾門底部到軸線的水平距離,G為尾門重力。
2.3 方法3:解決部分角度測量儀角度測試限制問題
方法3所使用的臺架與尾門要求與方法1一致,原理與方法2一致,相對于方法2的差別是可以解決部分角度測量儀角度測試限制問題。
步驟主要分為六步,測量示意如圖5及圖6所示。第一步,利用臺秤或其他稱重設備,測量尾門系統(tǒng)的質量m。第二步,利用拉力計分別測量尾門系統(tǒng)2個不同開啟角度α,β時的Z向拉力F1、F2。α與β的角度可用角度測量儀記錄,并且α與β差值盡可能大,減小誤差。第三步,利用UG測量2個不同開啟角度α,β時的F1與F2 對應的力臂S1與S2,同時計算β角度下的θ2。第四步,利用前3步的數(shù)據(jù)可直接計算得出2個不同開啟角度α,β時的尾門系統(tǒng)質心所在的Z向直線1與直線2,參考公式(13)(14)。第五步,在UG上將直線1旋轉α與β的角度差,直線1與直線2的交點1即為尾門系統(tǒng)在開啟角度β時的質心位置。第六步,設θ0為整車狀態(tài)下尾門關閉的原始角度,在UG上將交點1反轉(θ2-θ0)角度至尾門系統(tǒng)關閉狀態(tài)時即可得到整車狀態(tài)下的實際質心位置。需要注意的是,由于正弦函數(shù)半波范圍呈現(xiàn)對稱性,θ2存在兩個值,所以測量過程中夾緊測量點不得高于鉸鏈軸線。
式中:θ為鉸鏈軸線與垂直線的夾角,r為鉸鏈軸線至夾緊測量點的距離,S為夾緊測量點至鉸鏈軸線垂直線的距離,θ0為整車狀態(tài)下尾門關閉的原始角度。
尾門質心的三種測量方法均可以測量出尾門實際質心位置,如表1所示,我們對比了三種方法與理論狀態(tài)下測量的質心,還是有著較大的差異,而我們使用尾門實際質心布置出來的氣彈簧,將能提供更優(yōu)質的開關門力感知。
3 總結
隨著汽車用戶對感知要求越來越高,汽車尾門開關門力感知也成了我們的一項提升項。為了改善尾門開關門力感知問題,筆者開發(fā)了三種測量尾門系統(tǒng)實際質心的方法,每種方法都有自身的優(yōu)點、不足處、受限點。如推拉力時的穩(wěn)定性,推拉力時的垂直性,臺架的限制性等。以期在未來能研究出更好的解決方法。
參考文獻:
[1]海闊,何耀華.汽車質心位置和特征慣量的測量原理分析[J].十堰大學學報,1997(01):11-18.
[2]叢培田,佟林,韓輝.新型質心測量系統(tǒng)及測量方法研究[J].工具技術,2015,49(02):86-89.
[3]張書會,李經(jīng)緯,何登軍,等.質心測量方法綜述[J].科技創(chuàng)新與應用,2016(24):63.