基于CATIA DMU的尾門(mén)氣彈簧運(yùn)動(dòng)仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化

李超帥，方超，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

基于CATIA DMU的尾門(mén)氣彈簧運(yùn)動(dòng)仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化

李超帥，方超，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

為解決因尾門(mén)氣彈簧球銷(xiāo)方向不合理導(dǎo)致的氣彈簧球窩斷裂失效問(wèn)題，對(duì)尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析，利用CATIA DMU Kinematics模塊對(duì)尾門(mén)氣彈簧系統(tǒng)建立了運(yùn)動(dòng)仿真模型，提出了一種新的氣彈簧安裝球銷(xiāo)方向的設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用掃略包絡(luò)體命令以及距離與區(qū)域分析命令對(duì)球銷(xiāo)設(shè)計(jì)角度進(jìn)行了仿真校核，該方法有效地解決了因氣彈簧安裝球銷(xiāo)方向布置不合理導(dǎo)致的球窩斷裂失效問(wèn)題。

CATIA DMU；氣彈簧；運(yùn)動(dòng)仿真；設(shè)計(jì)優(yōu)化

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.019

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-56-03

前言

尾門(mén)氣彈簧是兩廂車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)開(kāi)閉過(guò)程中的助力機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)布置需滿足汽車(chē)尾門(mén)系統(tǒng)使用舒適方便、安全可靠的需求。隨著近年來(lái)我國(guó)汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)的迅速發(fā)展，尾門(mén)氣彈簧在關(guān)于用戶使用舒適性方面（例如開(kāi)門(mén)操作力、關(guān)門(mén)操作力以及尾門(mén)開(kāi)啟平衡角度等）的設(shè)計(jì)布置有了很大進(jìn)步，基本已經(jīng)達(dá)到國(guó)外企業(yè)的設(shè)計(jì)水平[1-2]。但是，在尾門(mén)氣彈簧的耐久可靠性方面（例如氣彈簧耐久之后的機(jī)械強(qiáng)度與力值衰減等），國(guó)內(nèi)企業(yè)與國(guó)外企業(yè)仍存在一定差距。在尾門(mén)氣彈簧失效模式分析方面，由于設(shè)計(jì)理論支撐欠缺，失效問(wèn)題發(fā)生時(shí)經(jīng)常錯(cuò)將設(shè)計(jì)問(wèn)題誤歸類為零部件質(zhì)量問(wèn)題，忽略了設(shè)計(jì)布置對(duì)于零部件耐久性能的影響。例如，在售后問(wèn)題中常見(jiàn)的尾門(mén)氣彈簧端部塑料球窩耐久后的斷裂失效問(wèn)題，通常被歸類為零部件球窩的質(zhì)量問(wèn)題，而忽略了從設(shè)計(jì)角度尋找問(wèn)題發(fā)生的根源[3-4]。

本文從尾門(mén)氣彈簧的設(shè)計(jì)布置角度出發(fā)，運(yùn)用CATIA DMU Kinematics模塊對(duì)尾門(mén)氣彈簧的布置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模型搭建，分析了尾門(mén)氣彈簧球銷(xiāo)布置角度對(duì)氣彈簧球窩斷裂的影響。并通過(guò)CATIA DMU Kinematics模塊提出了一種尾門(mén)氣彈簧安裝球銷(xiāo)布置角度的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法，采用該方法對(duì)尾門(mén)氣彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效地解決了因氣彈簧安裝球銷(xiāo)方向布置不合理導(dǎo)致的球窩斷裂失效問(wèn)題。

1、尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉機(jī)構(gòu)分析

本文針對(duì)翻轉(zhuǎn)布置式氣彈簧進(jìn)行研究。在整車(chē)坐標(biāo)系下從Y方向來(lái)觀察尾門(mén)的開(kāi)閉過(guò)程如圖1所示，氣彈簧尾門(mén)連接端處于以鉸鏈軸線為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣彈簧車(chē)身連接端相對(duì)鉸鏈軸線固定不動(dòng)，氣彈簧隨著尾門(mén)的開(kāi)閉而伸縮。

如圖2所示，從車(chē)輛Z方向進(jìn)行觀察，在尾門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下，由于車(chē)輛尾門(mén)造型的原因氣彈簧自身軸線與鉸鏈軸線存在夾角α（一般商用車(chē)α≤8°，乘用車(chē)α≤12°，過(guò)大的角度α?xí)?dǎo)致氣彈簧在尾門(mén)Y向分力過(guò)大，對(duì)尾門(mén)剛度不利），在尾門(mén)逐漸打開(kāi)的過(guò)程中，該夾角逐漸增大至β，因此，在尾門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中，存在氣彈簧球窩繞球銷(xiāo)的空間旋轉(zhuǎn)來(lái)適應(yīng)氣彈簧軸線與鉸鏈軸線夾角的變化。

在氣彈簧端部球窩繞安裝球銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，若兩端球窩與球銷(xiāo)的空間嚙合角度無(wú)法適應(yīng)氣彈簧的空間旋轉(zhuǎn)角度，則會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的情況，隨著尾門(mén)的開(kāi)閉過(guò)程，氣彈簧球窩與球銷(xiāo)之間反復(fù)干涉受力，最終導(dǎo)致球窩磨損嚴(yán)重發(fā)生斷裂失效。

2、基于CATIA DMU的尾門(mén)氣彈簧運(yùn)動(dòng)仿真模型

2.1 尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉系統(tǒng)數(shù)字模型建立

根據(jù)新開(kāi)發(fā)車(chē)型中尾門(mén)鉸鏈軸線位置、尾門(mén)重量與重心等條件對(duì)尾門(mén)氣彈簧車(chē)身端與尾門(mén)端氣彈簧安裝點(diǎn)位置進(jìn)行定義，滿足尾門(mén)系統(tǒng)開(kāi)啟力、關(guān)閉力以及平衡角度等要求，具體布置方式本文不再贅述。氣彈簧兩端安裝點(diǎn)定義完成后，在CATIA DMU Kinematics模塊中建立裝配體文件，并按照尾門(mén)各構(gòu)件的實(shí)際空間位置建立各構(gòu)件的位置約束，為下一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真做準(zhǔn)備，裝配體建立完成后結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖4所示。

2.2 尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副建立

在尾門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中，尾門(mén)以鉸鏈為軸線繞車(chē)身進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，氣彈簧缸筒通過(guò)球窩球銷(xiāo)之間的卡接嚙合與車(chē)身側(cè)圍連接，氣彈簧活塞通過(guò)球窩球銷(xiāo)卡接嚙合與尾門(mén)連接，理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)下，氣彈簧缸筒與活塞之間應(yīng)只有軸向伸縮運(yùn)動(dòng)，而無(wú)繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)楦淄才c活塞長(zhǎng)期的繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣彈簧內(nèi)部密封導(dǎo)向構(gòu)件的磨損，影響氣彈簧的耐久性能。針對(duì)尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)裝配體內(nèi)四個(gè)構(gòu)件建立圖5中所示四個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)副，各運(yùn)動(dòng)副的詳細(xì)信息如表1所示。

表1 運(yùn)動(dòng)副詳細(xì)信息

運(yùn)動(dòng)副添加完成后，定義車(chē)身端鉸鏈為固定構(gòu)件，并添加Y1位置旋轉(zhuǎn)副為驅(qū)動(dòng)條件，最大驅(qū)動(dòng)角度調(diào)整為尾門(mén)的最大開(kāi)啟角度，此時(shí)CATIA提示系統(tǒng)自由度DOF=0，至此，表示機(jī)構(gòu)的自由度完全被約束，CATIA自動(dòng)彈出提示信息，機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行運(yùn)行仿真。至此，尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真模型建立完成。

3、基于DMU運(yùn)動(dòng)仿真模型的氣彈簧球銷(xiāo)方向設(shè)計(jì)

尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真模型建立完成后，可在CATIA DMU Kinematics模塊中應(yīng)用相關(guān)工具進(jìn)行氣彈簧兩端球銷(xiāo)方向的設(shè)計(jì)布置。如圖6所示，先采用生成軌跡命令，對(duì)氣彈簧車(chē)身端球窩上一點(diǎn)生成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡1，此軌跡即為該點(diǎn)在整個(gè)尾門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中的所有經(jīng)過(guò)位置，應(yīng)用平均通過(guò)點(diǎn)命令，對(duì)該軌跡生成圖6中所示的平面2，然后過(guò)氣彈簧車(chē)身端球窩安裝球心做出該平均平面2的法線3，直線3的方向即為球窩整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平均朝向，以此方向作為氣彈簧車(chē)身端球銷(xiāo)的理論設(shè)計(jì)方向，則在尾門(mén)的整個(gè)開(kāi)閉過(guò)程中不會(huì)因球窩的旋轉(zhuǎn)與球銷(xiāo)發(fā)生干涉，從而避免球窩長(zhǎng)期受力導(dǎo)致斷裂失效情況的出現(xiàn)。

4、基于DMU運(yùn)動(dòng)仿真模型的氣彈簧球銷(xiāo)方向校核

在車(chē)輛的實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于布置空間以及生產(chǎn)工藝方面等因素的限制，以直線3作為球銷(xiāo)方向有時(shí)候無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，可繞直線3進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)作為球銷(xiāo)的初步布置方向，然后對(duì)此布置方向進(jìn)行可行性校核。

在CATIA DMU Kinematics模塊中應(yīng)用生成包絡(luò)體命令，生成尾門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中氣彈簧的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)如圖7所示，包絡(luò)生成后測(cè)量球銷(xiāo)與球窩包絡(luò)的空間最小距離，若最小距離大于0，則尾門(mén)整個(gè)開(kāi)啟過(guò)程中球窩與球銷(xiāo)無(wú)干涉，此球銷(xiāo)方向可行。

也可以通過(guò)在CATIA DMU Kinematics模塊中先對(duì)球銷(xiāo)與球窩端面建立最小距離與區(qū)域分析，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真輸出整個(gè)尾門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中球銷(xiāo)與球窩端面最小距離隨尾門(mén)開(kāi)啟角度變化圖像如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)定義為尾門(mén)開(kāi)啟角度，縱坐標(biāo)定義為球銷(xiāo)與球窩端面的最小距離，在CATIA DMU模塊中可直接點(diǎn)擊曲線上任意位置讀取橫縱坐標(biāo)數(shù)值。若整條曲線所有位置縱坐標(biāo)數(shù)值均大于0，則證明球銷(xiāo)布置方向可行。

5、結(jié)論

在新車(chē)型的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，工程師正確地應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具可有效地提高設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。本文針對(duì)尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉系統(tǒng)，應(yīng)用CATIA DMU Kinematics模塊對(duì)尾門(mén)氣彈簧開(kāi)閉系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真模型的建立，提出了一種新的氣彈簧安裝球銷(xiāo)方向的設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用掃略包絡(luò)體命令以及距離與區(qū)域分析命令對(duì)球銷(xiāo)設(shè)計(jì)角度進(jìn)行了空間校核，應(yīng)用此方法可在設(shè)計(jì)階段高效準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高了尾門(mén)氣彈簧的設(shè)計(jì)效率與品質(zhì)，有效解決了因氣彈簧安裝球銷(xiāo)方向布置不合理導(dǎo)致的球窩斷裂失效問(wèn)題。

[1] 周利民.后背門(mén)氣彈簧設(shè)計(jì)探析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2013（11）：70～71.

[2] 汪家利.后背門(mén)氣彈簧布置與撐力計(jì)算[J].汽車(chē)工程師.2010（7）：30～31.

[3] 蒲蕾.氣彈簧在汽車(chē)后背門(mén)上的優(yōu)化布置[J].汽車(chē)工程師.2016（2）：47～48.

[4] 段明德.基于CATIA運(yùn)動(dòng)仿真的氣彈簧安裝位置設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子.2008(7):78～79.

Simulation and Design Optimization of Tail Gate Gas Spring Based on CATIA DMU

Li Chaoshuai, Fang Chao, Lin Sen, Yu Bo, Li Ruisheng
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

In order to solve the problem that the ball socket of the tail gate gas spring fractures caused by the unjustified direction of the ball pin of the tail gate gas spring, the theoretical analysis is made on the motion characteristics of the tail gate gas spring. The motion simulation of the tail gate gas spring is established by using the CATIA DMU Kinematics. A new design method of ball pin direction of the gas spring is presented. The design of ball pin is simulated by using the sweep order and the distance and the region analysis command. Finally the problem that the ball socket of the tail gate gas spring fracture caused by the unjustified direction of the ball pin is solved effectively.

CATIA DMU; Gas spring; Simulation; Design optimization

U462.1

A

1671-7988(2016)10-56-03

李超帥，（1989.7-)，男，工學(xué)碩士學(xué)位，工程師，就職于華晨汽車(chē)工程研究院，主要從事車(chē)身附件設(shè)計(jì)工作。