汽車(chē)背門(mén)支撐桿布置優(yōu)化方法

張淑坤,王立新（.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,鄭州　453000；2.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南　新鄉(xiāng)　453006）

汽車(chē)背門(mén)支撐桿布置優(yōu)化方法

張淑坤1,2,王立新1
（1.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,鄭州453000；2.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453006）

隨著人們生活水平的提高，對(duì)車(chē)輛的性能和質(zhì)量提出了更高的要求。汽車(chē)背門(mén)支撐桿布置的改善，有利于優(yōu)化車(chē)輛結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)車(chē)輛的人性化，為用戶(hù)提供更大的便利性和安全性。本文從汽車(chē)背門(mén)支撐桿的基本構(gòu)造和特性，以及其布置的基本原則出發(fā)，探討支撐桿布置優(yōu)化的具體方法。

汽車(chē)；支撐桿；布置

0　引言

背門(mén)支撐桿的布置是汽車(chē)后門(mén)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)，它能否得到科學(xué)布置關(guān)系到背門(mén)可否正常開(kāi)合，對(duì)用戶(hù)使用體驗(yàn)產(chǎn)生直接性影響。汽車(chē)背門(mén)是在具備支撐桿支撐下，和其自重一同作用以鉸鏈旋轉(zhuǎn)為中心達(dá)到開(kāi)合的[1]。但在實(shí)踐中，支撐桿的布置優(yōu)化有待進(jìn)一步提升。本文應(yīng)用力學(xué)結(jié)合Excel法對(duì)汽車(chē)背門(mén)支撐桿的布置進(jìn)行優(yōu)化探討。

1　支撐桿的基本情況

所謂支撐桿，就是由氣體、液體等為運(yùn)行介質(zhì)的彈性器件，主要是由活塞桿、缸筒及活塞等元器件相連構(gòu)成。活塞具備通氣孔，其兩側(cè)氣壓基本一致，其產(chǎn)生的支撐力是因?yàn)閮蓚?cè)受力面的不同，彈力大小可在氣壓設(shè)置基礎(chǔ)上進(jìn)行確定的[2]。從理論角度來(lái)看，應(yīng)用公式進(jìn)行相關(guān)推算，其不呈現(xiàn)線(xiàn)性變化，但是氣道在運(yùn)行中，因阻尼和摩擦的共同影響，活塞兩側(cè)氣壓同等具有滯后性，因而氣彈簧的作用力呈近于線(xiàn)性變化。

支撐力的大小是伴隨支持桿運(yùn)行距離發(fā)生變化的，由它的支撐力和運(yùn)行距離的關(guān)系，得其公式為：

其中，F(xiàn)為運(yùn)行時(shí)支撐力；Fmax為最大支撐力；Fmin最小支撐力；L為運(yùn)行總距離；△L為瞬時(shí)運(yùn)行距離。

2　支撐桿布置的基本原則

汽車(chē)背門(mén)支撐桿的科學(xué)布置需要遵循這幾個(gè)基本原則：（1）因受汽車(chē)自身形狀局限，支撐桿和鉸鏈間會(huì)有一個(gè)角度，在布置時(shí)，該角度不得于球接頭和相連器件間發(fā)生相對(duì)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)干擾，否則易出現(xiàn)磨損；（2）汽車(chē)背門(mén)閉合時(shí)，支撐桿軸線(xiàn)上方延長(zhǎng)線(xiàn)如位于鉸鏈前側(cè)，其布置應(yīng)進(jìn)行上端固定；如其延長(zhǎng)線(xiàn)在鉸鏈后側(cè)，則應(yīng)進(jìn)行下端固定布置。（3）汽車(chē)背門(mén)閉合時(shí)，支撐力和車(chē)門(mén)重力形成的合力應(yīng)產(chǎn)生關(guān)閉車(chē)門(mén)的作用，確保安全；（4）汽車(chē)背門(mén)如在提升狀態(tài)，支撐力應(yīng)確保車(chē)門(mén)升至最高點(diǎn)，并確保穩(wěn)定的升速。（5）背門(mén)在閉合過(guò)程中，支撐力和背門(mén)的重力應(yīng)保持一個(gè)平衡點(diǎn)，確保安全，該平衡點(diǎn)應(yīng)控制在人體腰部位置。（6）開(kāi)合力的大小盡量控制在40到80牛頓。（7）為確保安全性，車(chē)門(mén)提升時(shí)速度不宜太快，以免發(fā)生意外；當(dāng)張開(kāi)到最大角度時(shí)，需要減緩速度，使其平穩(wěn)，避免出現(xiàn)抖動(dòng)。

3　支撐桿布置優(yōu)化方法應(yīng)用

3.1支撐力的計(jì)算

在進(jìn)行正式計(jì)算前，應(yīng)將支撐桿布置的操作模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[3]。因支撐桿實(shí)際位置和XZ水平面有一個(gè)小角度，所以可對(duì)其水平布置采取幾何學(xué)分析，如圖所示。

通過(guò)把支撐桿實(shí)際位置的力值經(jīng)過(guò)XZ水平面簡(jiǎn)化后計(jì)算出的力值轉(zhuǎn)化在坐標(biāo)角度基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，有助于提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在XZ水平面內(nèi)應(yīng)用相對(duì)坐標(biāo)，

通過(guò)一系列換算后，最終得到背門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)的力值，其計(jì)算公式為：

其中，θ為汽車(chē)背門(mén)最大的張開(kāi)角度。

3.2應(yīng)用Excel計(jì)算模型來(lái)優(yōu)化布置

汽車(chē)背門(mén)支撐桿優(yōu)化布置的相關(guān)參數(shù)，應(yīng)作為設(shè)計(jì)進(jìn)行輸入。要強(qiáng)調(diào)的是如輸入數(shù)據(jù)未能滿(mǎn)足布置要求時(shí)，應(yīng)重新輸入，并新增一邏輯判斷來(lái)告訴設(shè)計(jì)人員輸入值有無(wú)達(dá)到要求。

在進(jìn)行初次計(jì)算時(shí)，應(yīng)該按照以往布置經(jīng)驗(yàn)把相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)確輸入，進(jìn)而獲取MF和MG存在的關(guān)系，以及F開(kāi)、F關(guān)的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)背門(mén)張開(kāi)時(shí)平衡點(diǎn)保持在8°上下，其張開(kāi)過(guò)程的速度相對(duì)較快，同時(shí)F開(kāi)僅僅26N，F(xiàn)關(guān)則達(dá)到75N，如此是無(wú)法滿(mǎn)足開(kāi)合汽車(chē)背門(mén)的要求。因?yàn)檫@個(gè)力值對(duì)衡量布置具有重要作用，其直接關(guān)系到用戶(hù)的直觀體驗(yàn)，因此每次進(jìn)行支撐桿布置和優(yōu)化時(shí)，應(yīng)該以這兩個(gè)力作為主導(dǎo)；另外，還應(yīng)充分注意到力矩的變化情況，支撐桿的力值盡量往小控制，如此可有利于車(chē)身和背門(mén)的性能，不會(huì)增加成本。通過(guò)不斷調(diào)整和優(yōu)化后，把支撐桿兩端支點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)后，F(xiàn)開(kāi)、F關(guān)及MF具有大幅改善。如果背門(mén)張開(kāi)到約15°時(shí)，MF和MG會(huì)處在平衡范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)和布置要求。但當(dāng)F開(kāi)的值為48N，F(xiàn)關(guān)的值為44N時(shí)，該組數(shù)據(jù)對(duì)于用戶(hù)操作極為科學(xué)合理，不會(huì)出現(xiàn)施力過(guò)大或過(guò)小情況。同時(shí)，當(dāng)張開(kāi)角度通過(guò)平衡范圍時(shí)，MF的值是比MG要大的，而兩者的變化是趨于一致的，如此可有效避免打開(kāi)速度過(guò)快，與此同時(shí)，應(yīng)有效配合阻尼產(chǎn)生的作用，背門(mén)開(kāi)合過(guò)程均能控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

4　結(jié)論

總而言之，汽車(chē)背門(mén)支撐桿布置要到最佳效果應(yīng)充分掌握優(yōu)化方法。在實(shí)際布置中，應(yīng)能創(chuàng)建準(zhǔn)確、客觀、合理的計(jì)算模型，由于汽車(chē)背門(mén)在有一定的摩擦力，支撐桿又存在阻尼，所以大大增加了計(jì)算分析的難度。另外，背門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中的速度計(jì)算只能給予一個(gè)理論參考數(shù)值。本文主要研究了汽車(chē)背門(mén)支撐桿布置的優(yōu)化方法，通過(guò)應(yīng)用Execl計(jì)算模型，有效簡(jiǎn)化了計(jì)算程序，使參數(shù)盡量統(tǒng)一達(dá)標(biāo)，通過(guò)對(duì)平面位置坐標(biāo)的變化對(duì)支撐桿的相關(guān)力值的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行全面剖析，并進(jìn)行優(yōu)化?？茖W(xué)有效的將汽車(chē)背門(mén)支撐桿布置的一些難點(diǎn)問(wèn)題予以解決，該方法不但改進(jìn)了優(yōu)化方式，還提升了設(shè)計(jì)效率，具有重要的實(shí)踐參考價(jià)值。

[1]譚能堃．SUV掀背門(mén)氣撐桿布置與優(yōu)化[J].科技傳播,2013,23(04):94-95.

[2]張文,王征.汽車(chē)背門(mén)支撐桿布置優(yōu)化方法[J].汽車(chē)工程師,2013(01):37-40.

[3]李路.典型汽車(chē)覆蓋件沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].山東大學(xué),2014(05):14-17.

張淑坤（1984—），女，河南新鄉(xiāng)人，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀碩士，新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：機(jī)械制造。