一種新的汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統的快捷計算和設計方法

丁光學，史富強，楊邦安

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

一種新的汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統的快捷計算和設計方法

丁光學，史富強，楊邦安

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通過建立汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統的數學模型，利用excel辦公軟件編制針對汽車尾門氣彈簧輔助支撐的計算系統，采用程序化設計方法，使計算系統文件直接讀取3D軟件中支撐系統初步方案的信息，并在計算系統中按照設計目標的要求，完成初步方案的結構優化，將優化方案重新導入3D軟件中，最后利用3D軟件的二次開發成果，在3D軟件中一鍵完成支撐系統細部結構的自動設計，整個過程快捷、準確、科學。

汽車尾門；氣彈簧；支撐系統；計算系統；操作力；計算優化；自動設計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.009

CLC NO.:U467.3 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-24-04

引言

汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統在正向設計中需要進行大量的工程計算，以滿足不同環境溫度下的操作力及其功能要求，不借助外部計算，不易從3D軟件中直接獲得其力學特性。如何實現支撐系統的力學結構的科學計算和優化？如何將支撐系統諸多布置元素直接連接計算系統以及如何將優化方案快捷導入3D軟件？并在其中完成細部結構的自動設計是本文研究的對象。

1、建立輔助支撐系統數學模型

建立氣彈簧輔助支撐系統數學模型如圖1所示：這是一個翻轉式布置方式，具體建模如下：氣彈簧氣缸的固定端B點與球頭銷連接，軸線為BN球頭銷緊固在車身上，氣彈簧另一端活塞桿的固定端C點與另一球頭銷連接，軸線為CM的球頭銷緊固在尾門上，P、Q分別是鉸鏈軸上的任意一個兩點；D是尾門的質量中心；G表示尾門的總重量；過D點作直線PQ的法面交PQ于D0；點E是開啟操作；過E點作直線PQ的法面交PQ于E0；點F是閉合操作；過F點作直線PQ的法面交PQ于F0；過C點作直線PQ的法面交PQ于C0。當尾門開閉至θ角度時，則：

M氣表示氣彈簧的支撐力矩；

M重表示尾門重力矩；

M操表示操作力矩；

M重表示摩擦力矩。

圖1 尾門氣彈簧輔助支撐系統數學模型

2、編制針對支撐系統的計算

計算輸入部分：定義氣彈簧主要結構參數名稱[1]，見圖2：建立不同規格氣彈簧參數數據庫，見圖3；環境參數及目標值輸入，見圖4；計算讀入的氣彈簧參數，見圖5；關鍵布置點及開閉特性輸入，見圖6。

圖2 氣彈簧主要結構

圖4 環境參數及目標值輸入

計算部分：通過圖6表中關鍵布置點數據，計算出各運動點隨開啟角度θ的函數關系，利用兩個安裝點BC的最大和最小位置長度，即計算出氣缸長度C1和活塞桿長度C2。

圖6 關鍵布置點及開閉特性輸入

當手動或自動選定一個活塞桿外d1時，圖5所示氣彈簧參數對應數值會自動讀取氣彈簧數據庫內容，圖3所示，完成氣彈簧細部結構的參數輸入。氣彈簧內部充入的是理想氣體，在常溫下（20℃）通過改變充入理想氣體的壓力p0，來控制充入氣體的量n。根據理想氣體狀態方程[2]：pV=nRT，計算出不同溫度下的壓力p；在不同溫度下改變氣彈簧內部氣體體積就會獲得不同溫度下的壓力曲線見圖7 ，根據尾門開啟角度θ進一步計算出不同溫度下氣彈簧對尾門的支撐力矩和尾門重力矩。

圖7 不同溫度下的壓力曲線

根據力矩平衡條件計算出不同溫度下尾門開閉力，如圖9所示。

3、3D數據導入計算文件

在初步布置的3D數據中按照圖8中所示順序分別標注各關鍵點，利用catia的二次開發成果，一鍵另存igs格式文件，再利用其中的Digitized Shape Editor模塊，轉化已經另存的igs點云文件為asc格式文件，計算文件對應坐標點輸入區域就可以直接讀取從3D數據中傳來的坐標數據，避免人為操作而可能導致的數據錯誤，同時大大提高工作效率。

圖8 3D點數據批量導出至計算文件

4、布置方案的優化

布置優化是將初步布置的數據信息納入系統計算，選擇直接影響操作性及功能性的布置點或充氣量作為優化對象，以操作力要求作為考核對象，本例采用B點的三個坐標值以及充氣壓力和活塞桿直徑作為優化對象，以常溫下開閉力作為考核對象，如圖9所示：在輸入區域給定需要優化的對象，設置優化對象的范圍，給定范圍為“0”時作為固定值帶入計算，定義優化方案搜索間距，使搜索按一定增量進行，形成若干分方案，總方案是全部分方案之積。在計算區域按照全部方案進行排列，每一分方案都與排列的序號建立計算關系，使各分方案都進行循環組合，計算出具體分方案數據。當序號從1開始遞增時，計算獲得對應分方案值，每一組具體序號下的分方案值被綜合計算區域讀入并完成該方案的完整計算，獲得對應分方案常溫下的最大開閉力，再將分別帶入對應的“偏離系數”計算區域，當本序號對應的方案計算獲得的偏離系數不小于上一個序號對應的偏離系數，則繼續下一序號的方案計算；當本序號對應的方案計算獲得的偏離系數小于上一個序號對應的偏離系數，則將計算區域所有值復制并選擇性粘貼到儲備區域，再繼續下一序號的方案計算，如此反復，直至完成所有方案的計算，計算結束前計算區域序號單元格讀取儲備區域序號單元格的值，使最終的計算顯示的是最接近目標值的方案。

圖9 優化計算動態可視化

通過對excel進行二次開發，實現了方案優化過程的自動計算，點擊“布置方案優化”窗體，開始自動執行計算，計算結束后，停止在最接近要求的方案上，其中，各環境溫度下的操作力曲線，隨自動搜索過程的進展動態展示曲線變化。

“宏”代碼，略。

5、優化后的方案快捷導入3D數據

優化后的方案導入3D數據重新建模，也是一項繁瑣的工作，現在計算文件中在開辟一個模塊，根據氣彈簧各段長度進一步轉換為點和直線，圓的半徑也可以轉化為圓周上任一點來替代，這樣所有氣彈簧的細部結構均融合在具體的點和線之間，標準件不在導入3D數據范圍。具體計算見圖10所示。按照catia自帶的向出文件《GSD_CAAGsiCreate Stair.xls》中格式排列所要導出的順序，啟動該文件中“宏”文件《main》選擇輸出“2”，所列數據快速導入已經打開的caita文件，并在其中顯示點或線。

圖10 氣彈簧細部結構尺寸的計算

6、支撐系統細部結構的自動設計

導入到3D軟件的數據只有點和線，這些點和線都是最優方案的計算結果，僅依據它就可以完成氣彈簧細部結構的數據制作。具體制作步驟：新建一個“part”，將計算結果按照宏《main》文件要求，一鍵導入到新建的“part”中，直接選擇catia→工具→宏→啟動錄制→使用語言選擇“CATScript”給宏起名《氣彈簧自動設計》→錄制開始，制作氣彈簧細部結構，將氣彈簧各部件制作過程全部錄制下來，錄制過程中的設計步驟不能出錯，否則宏文件無效。錄制結束后保存。

自動設計操作步驟：

第一步：在catia新建一個新“part”；

第二步：打開計算文件，一鍵運行《main》，瞬間完成全部計算數據導入至catia軟件；

第三步：在catia界面一鍵運行《氣彈簧自動設計》瞬間完成氣彈簧細部結構數據的設計。

7、結論

該設計方法，將尾門氣彈簧輔助支撐機構從設計前期的初步布置由3d數據狀態直接與excel格式的計算盡心對接，并在計算中自動尋找最接近目標要求的優化方案，優化方案結果通過軟件的二次開發，輕松的完成一鍵導入至3D軟件中，繼續基于catia的二次開發。一鍵完成氣彈簧細部結構數據的設計，在效率方面：大大縮短設計時間，降低設計者勞動強度；在實用方面：只要設計者對軟件二次開發稍有認知，就可以自如應對。在精益設計方面，可以獲得最精確的設計方案，是設計更準確、更具有目標性，因此本設計方案和值得在汽車正向設計領域廣泛推廣。

[1] QC/T 207-1996.汽車用普通氣彈簧[S].

[2] 肖猻.左正興.王文瑞，固定缸筒式油氣彈簧動態特性研究與分析[J]. 液壓與氣動 2008年第11期. 18 -19.

[3] 金朝銘,液壓流體辦學[M]：北京理工工大學,1994.

A new method of fast calculation and design about the gas spring sub-support system of the automobile tailgate

Ding Guangxue, Shi Fuqiang, Yang Bang’an
( Anhui Jiang Huai Automobile Corp, Anhui Hefei 230601 )

In this article,the study describesusing office-software Excel to program the computing system of gas spring sub-support of the automobile tailgate by establishing the mathematical model for the gas spring sub-support system of the automobile tailgate. First, using programed designing method to read the basic plan’s information of the support system which included in the 3D system. Then, finish the optimized structure calculation of the basic plan as the design required. Third, put the optimized plan into the 3D software and finally with the help of twice develop result, on click attachments for completing the support system’s detailed structure autodesign. The whole process is very quick and exact and scientific.

automobile tailgate; gas spring; support system; computing system; operating force;optimizing calculation; autodesign

U467.3

A

1671-7988(2016)01-24-04

丁光學，就職于江淮汽車技術中心，從事門蓋系統布置計算研究。