汽車行李箱蓋鉸鏈機(jī)構(gòu)的分析及優(yōu)化

梁建釗

[摘 ?要]對汽車存放物品的箱蓋電動化進(jìn)行研究，通過研究分析，對其進(jìn)一步開發(fā)，在開發(fā)階段，由于轉(zhuǎn)變了開啟的方式，驅(qū)動點與原來的不一致，這樣就出現(xiàn)了超過常規(guī)的電動開啟力，這就需要調(diào)整原來的四桿鉸鏈，使得開啟力回歸到正常水平。四桿鉸鏈行李箱系統(tǒng)在投入使用之前，需要對其進(jìn)行仿真分析，這樣是為了更好的對行李箱蓋的電動化提供合理的依據(jù)，通過仿真分析，能夠?qū)⒆钚〉拈_啟力進(jìn)行確定，而且通過實驗的方式進(jìn)行比較，進(jìn)一步確定了仿真這種方式的可行性。然后優(yōu)化四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)，將電動行李箱蓋的開啟力降到最低，滿足電動行李箱的各種設(shè)計指標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]行李箱蓋; 四桿鉸鏈; 仿真分析; 可行性; 優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U463.83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0084-02

引言

當(dāng)前階段，汽車行李箱的設(shè)計存在下面的特征，首先其主要的機(jī)構(gòu)是鉸鏈傳動機(jī)構(gòu)，在對后備箱開關(guān)的過程中，采用的方式為純手動方式，將行李箱的手動開啟處的開啟力降到最低是此次設(shè)計的主要目標(biāo)，在打開和關(guān)閉后備箱的過程中，其力的來源為行李箱鉸鏈的支撐端，在打開關(guān)閉行李箱的過程中，通過這樣的方式是十分浪費動力的。在此次優(yōu)化行李箱的四桿鉸鏈系統(tǒng)中，主要的目標(biāo)是對電驅(qū)動端力臂的長度進(jìn)行增加，這樣電驅(qū)動就降低了對扭矩的需要，但在這個優(yōu)化的過程中，需要保持原來行李箱的運動軌跡關(guān)系。但是對于此次系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，通過過去的設(shè)計計算是無法滿足要求的，這是由于汽車行李箱系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。為了更好的觀察機(jī)構(gòu)的運動狀態(tài)，以及對機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，需要借助動力學(xué)仿真來對機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。本文在進(jìn)行動力學(xué)仿真的過程中借助的軟件Adams ，在確定仿真是不是正確方面主要通過實驗的方式，優(yōu)化行李箱的鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計主要以動力學(xué)系統(tǒng)模型為依托，使得行李箱電動化能夠得以實施。

一、構(gòu)建Adams 仿真的模型

1. Adams 模型

首先將計算機(jī)的設(shè)計軟件打開，我們使用的是 CATIA，然后建立裝配體模型，如圖1 所示，其中，手動開啟的施加動力的點在A 處，電動開啟的施加力的點在B 。為了更好的還原鉸鏈的受力情況，在進(jìn)行模型的建立時需要對鉸鏈的負(fù)載以及在驅(qū)動端的物體進(jìn)行分析，這個裝配體主要含有十三個構(gòu)件，分別是行李箱蓋，另外還有左鉸鏈底座，左鉸鏈拉桿1也是其中的一部分，還包含左鉸鏈撐桿，另外還有左鉸鏈連桿，下面也是比較重要的部分右鉸鏈底座，右鉸鏈拉桿1，右鉸鏈撐桿，右鉸鏈連桿，拉桿2、曲柄，減速器輸出軸以及減速器殼體，從圖2里面可以看到。車身，底座，以及減速器這些是固定在一塊的，連桿和行李箱組合在一塊，左鉸鏈和減速器的輸出軸相連接，連桿是和行李箱固定的，相連的地方還有左鉸鏈本體減速器輸出軸，這些都是通過拉桿2進(jìn)行連接。將原始鉸鏈總成（ 全關(guān)狀態(tài)） 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到裝配環(huán)境下，將兩個鉸鏈的坐標(biāo)位置進(jìn)行固定，將它們的位置作為依據(jù)，將其他的零件進(jìn)行制約，則裝配好的模型就是整車坐標(biāo)下行李箱系統(tǒng)全關(guān)狀態(tài)下的幾何模型。在力學(xué)分析軟件中對模型進(jìn)行導(dǎo)入和分析。

2.邊界的條件

對固定件和運動件進(jìn)行確定，經(jīng)過分析固定件是底座以及減速器的外殼，剩余的部件為運動件。固聯(lián)副主要運用在下面的部件上，其為左右鉸鏈底座之間，另外還有輸出軸與曲柄，另外固聯(lián)副還采用在左右鉸鏈推桿與箱蓋之間，對自由度進(jìn)行全部的約束。另外的機(jī)構(gòu)采用的是旋轉(zhuǎn)副作為運動副，有五個方向的自由度是被控制的，只能做旋轉(zhuǎn)運動。十一個旋轉(zhuǎn)副被運用在這個模型上，如果運動的軌跡是一樣的，那么就采用固聯(lián)副進(jìn)行連接，我們對整體系統(tǒng)的自由度進(jìn)行計算得出11 × 6 - 11 × 5 - 4 × 6 = - 13。此時計算出來的值是負(fù)的，這就表明約束狀態(tài)是過約束，如果要想系統(tǒng)能夠正常運轉(zhuǎn)，必須將過多的約束進(jìn)行解除。為了能夠?qū)⒅貜?fù)的約束進(jìn)行解除，需要對旋轉(zhuǎn)副進(jìn)行取代，運用點-線副的方式進(jìn)行取代。

3.模型的屬性

對運動副的摩擦系數(shù)進(jìn)行定義，動摩擦系數(shù)是0.1，動摩擦因數(shù)定為0.3。為了將圍繞三個坐標(biāo)軸的主動慣量進(jìn)行提取，對質(zhì)心點的坐標(biāo)進(jìn)行提取，需要借助軟件的測量功能，如表1 所示。按提取的值，在ADAMS 中對部件的質(zhì)量屬性進(jìn)行修改。

4.氣彈簧力的施加

在建立彈簧作用力和長度變化的Spline 曲線過程中，主要借助的是氣彈簧的實驗剛度參數(shù)，單分量的力載荷需要建立在在氣彈簧兩端的作用點之間，該力的驅(qū)動參數(shù)是通過Spline 曲線來進(jìn)行確立的，使SFORCE 力按照表2 的數(shù)據(jù)變化，對氣彈簧的作用變化進(jìn)行真實的仿真。

二、仿真與驗證

依照人工啟動及電動啟動這兩類方式，分別加以仿真探究。研究模型里面A 處（具體見圖1） 的實際施加力，對人工開啟行李箱蓋的現(xiàn)狀加以模擬;在模型里面的B 處（具體見圖1） 的實際施加力，對電動啟動行李箱蓋的現(xiàn)狀加以模擬。

在此兩個研究里面，分別把A及B處（具體見圖1） 的實際力值當(dāng)做構(gòu)設(shè)變量，讓它自某一相當(dāng)小的初始值，按照1 N的現(xiàn)實增量漸趨增大，對每一次研究所獲的行李箱蓋啟動視角加以提取，當(dāng)啟動視角等于、大于100°的時候，覺得行李箱蓋屬于被全部開啟的，合乎構(gòu)設(shè)需要。歷經(jīng)研究所獲的行李箱全部啟動時的狀況具體見圖3顯示的。

當(dāng)A處運用的力跟72 N相等的時候，行李箱蓋啟動視角-時間曲線具體見圖4顯示的。自圖4里面能夠知道： 如果力矩比72 N要大，行李箱蓋可以全部啟動;如果力矩比這一值要小，行李箱蓋僅僅可以打開一部分。所以，手動端啟動（ A處） 施加的力不可以比72 N要小。跟這一樣，研究運算獲得電動端啟動（ B處） 施加的力不可以比630 N要小。

為對研究情況加以檢驗，分別于A及B處運用推拉力計，對行李箱蓋啟動力加以測量。實際測量了A處啟動大致需要68 N的力，B處啟動大致需要609 N的力，實測值跟仿真情況大致吻合。

三、機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

為逐步研究檢驗行李箱電動啟動的實際扭矩情況，搞清鉸鏈構(gòu)造優(yōu)化構(gòu)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，借助扭力扳手分別對減速器輸出軸處、拉桿1及底座連接處（ 圖5里面的O3軸） 啟動后備箱需要的力矩加以實際測量，測量具體情況是： 在減速器的輸出軸處，啟動扭矩最起碼要求59 N·m;在O3軸處，啟動扭矩最起碼要求75 N·m，具體見表3顯示的。

依照實測情況，在減速器輸出軸處、拉桿1及底座連接處啟動行李箱蓋需要的力矩均超出構(gòu)設(shè)需要（對于減速器來說，最大的輸出扭矩是56 N·m） ，所以，必須在研究的前提下對鉸鏈體系加以較優(yōu)構(gòu)設(shè)，從而下降這兩個地方的啟動力矩。意識到裝配空間及構(gòu)造安排的局限，在優(yōu)化的前前后后，行李箱閉合現(xiàn)狀下鉸鏈構(gòu)造具有的實際空間難以加大;為不給行李箱啟動閉合狀況帶來影響，在進(jìn)行優(yōu)化的前前后后，連桿啟動閉合方位很難變化;依照仿真對這一構(gòu)造加以初次力學(xué)研究，借助加大拉桿1的實際長度，縮減撐桿實際長度抑或變化支撐點的方位會下降啟動力矩。

依照前面根本需要，按照1 mm 移動量當(dāng)做具體步長，對O1方位加以移動，從而縮減撐桿實際長度，另外對O3、O4加以移動，變化支撐點方位，保障新四連桿構(gòu)造運動關(guān)聯(lián)跟諸桿件長度合乎需要。歷經(jīng)多次移動研究比對，把O1、O3、O4方位轉(zhuǎn)移至具體見圖5顯示的虛線方位，驅(qū)動力會實現(xiàn)最小值。新方位值變化參數(shù)具體見下面：

（1） O1： 對于原O1孔來說，沿著x軸的負(fù)向移動15 mm，再沿著y軸的正向移動7 mm。

（2）O3： 對于原O3孔來說，沿著x軸的負(fù)向移動6 mm，再沿著y軸的正向移動7 mm。

（ 3） O4： 對于原O4孔（黑色）來說，沿著y 軸的負(fù)向移動11 mm。

依照優(yōu)化之后O1、O3、O4方位變化鉸鏈體系，之后再次加以研究，自仿真研究情況能夠發(fā)現(xiàn)： 在優(yōu)化之后，在減速器輸出軸位置，啟動扭矩最起碼需要28 N·m，在O3軸處，啟動扭矩最起碼要求51 N·m。歷經(jīng)變化之后，啟動力矩早已可以合乎構(gòu)設(shè)需要，在優(yōu)化的前前后后，啟動力矩衡量具體見表3顯示的。

四、結(jié)束語

運用動力學(xué)對手動和電動開啟方式進(jìn)行分析，分析運用的軟件是Adams 軟件，采用的開啟方式不同，其開啟力也是不一樣的，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，對實際的數(shù)據(jù)和分析的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者是相近的，因此可以說分析是可靠的。在優(yōu)化鉸鏈機(jī)構(gòu)的過程中，動力學(xué)系統(tǒng)模型是主要的依據(jù)，將電動開啟力降低，進(jìn)而滿足設(shè)計的需求。

參考文獻(xiàn)

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[2] 馬知才，何興華.一種經(jīng)典的周轉(zhuǎn)箱蓋啟閉機(jī)構(gòu)[J].專用汽車.2013（02）.