某汽車雜物箱阻尼結構設計

梁慶欽 危學兵

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著生活水平和審美觀念的進步，用戶對汽車內飾的感知體驗也上升到一個新高度，這就要求在內飾零件設計細節方面要做到更精致精細，汽車雜物箱作為用戶放置隨車雜物的重要收納空間，與汽車儀表板相連接，用戶在汽車使用過程中使用的頻率比較高，雜物箱的使用體驗直接影響到用戶對整車的滿意度。過去，設計師通常只會為雜物箱外觀進行設計，忽略了對雜物箱開啟的阻尼進行設計，導致雜物箱開啟的速度快，感知質量差。有阻尼器雜物箱能自由順暢地緩慢開啟，有檔次感。

各種阻尼器，包括拉繩式空氣阻尼、拉桿空氣阻尼、硅油阻尼、塑料簧片阻尼等，它們各有優劣。雜物箱阻尼設計時，需要考慮的因素有：裝配空間、阻尼力的大小、配合方式和布置空間等。

2 基本結構

2.1 雜物箱

圖1為雜物箱在實車上的大致位置，其位于副駕駛前下側。雜物箱裝配在汽車儀表板內部的轉軸上，其運動方式主要是人們通過拉手或者按壓雜物箱蓋板上的開關來開啟雜物箱的鎖止機構，雜物箱在本身重力的作用下圍繞轉軸旋轉，在開啟到一定角度時通過帶緩沖功能的限位機構停止運動。

圖1

2.2 阻尼器

2.2.1 阻尼器的定義

阻尼器，是以提供運動阻力，耗減運動能量的裝置稱為阻尼器。

2.2.2 阻尼器的工作原理

阻尼器通過內部彈簧的拉伸或壓縮、空氣閥門氣流阻力來吸收運動物體的動能，減緩雜物箱開啟的速度，同時雜物箱關閉過程中受到的阻力很小。

2.2.3 常用阻尼器的分類

圖2為幾種常用在汽車雜物箱上的阻尼器。

（1）拉繩式空氣阻尼器

如圖3，4拉繩式空氣阻尼器的三維模型可知，其結構原理是在雜物箱的箱體上布置一個卡扣，阻尼器由筒體，繩子，彈簧，底座等組成，將阻尼器本身的繩子與卡扣相連接，通過雜物箱的旋轉帶動阻尼器繩子，從而帶動彈簧壓縮，產生阻力，在底座活塞上的一個小孔，在活塞向上運動過程中氣體通過小孔進入殼體內部空間，從而產生第二種阻力，兩種阻力一起作用得到阻尼器的阻尼力。但是其阻力并非為兩者簡單相加，后面實驗將進行驗證。拉繩可以向各個方向提供拉力，因此在結構上相對于其他幾款阻尼器給布置阻尼器提供了更大的可選擇的空間范圍，即具有對裝配空間限制小，同時它也具備感知質量好等優點，有利于達到預期的設計效果。

圖3

圖4

（2）拉桿空氣阻尼器

拉桿空氣阻尼主要是由殼體和拉桿組成，在筒體下端設置有一個小孔，在拉動拉桿時筒體內形成真空，在大氣壓作用下，空氣通過筒體下部的小孔進入到筒體內，從而在過程中進氣阻力轉化為阻尼器的阻尼力，在回復過程中通過大出氣閥門將空氣排除，缺點就是由于拉桿軸心必須與雜物箱側面在同一平面內，同時行程短，受空間限制。

（3）硅油阻尼器

硅油阻尼器產生阻尼力的主要原理是物體接觸了阻尼油旋轉，產生扭矩，阻值的大小由阻尼油的粘度，接觸面積決定。粘度高，接觸面積大，產品阻尼力變大；反之，粘度小，接觸面積小，阻值就變小。

還有許多類似的阻尼器，在這里就不一一列舉，主要的幾個阻尼器優缺點表1可供參考。

鑒于拉繩式空氣阻尼器的眾多優點，本文選用拉繩式空氣阻尼器進行研究。

3 雜物箱數模結構分析

3.1 重力及質心位置

經過進行三維建模即數據的分析，得到 轉 軸 位 置 為（X，Y，Z）=（1434.4，557.2，755.8），方向（X，Y，Z）=（0.0，-1.0，-0.0）即與y軸平行。經過賦予雜物箱密度，其中箱體密度為0.68g/cm ，外蓋密度0.33g/cm ，把手密度為1.44g/cm3，其余材質采用PP-T20等，其密度為1.05g/cm 。經過測算雜物箱整體質量為1.173 kg，即重量11.528 N，質心位置Xcbar，Ycbar，Zcbar=1507.6，399.4，847.5。

表1

3.2 開啟角度

雜物箱鎖止機構起始點位置：（X，Y，Z）=（1425.5，574.5，904.6），Direction： （X，Y，Z）=（-0.0，1.0，-0.0），即與y軸平行，終止點位置：（X，Y，Z）=（1526.0，598.8，888.9），方向：（X，Y，Z）=（0.0， -1.0，0.0），經過換算可得其圍繞轉軸所轉過的角度為38.4°，可知雜物箱開啟角度為38.4°。

3.3 簡化模型

換算可得雜物箱質心到轉軸在XZ平面內的相對坐標為（73.1，91.6），可以以轉軸中心為圓心，直徑為234.9mm如圖5所示。

將模型簡化，繪制XZ平面草圖，得到以轉軸中心為原點，質心的初始位置，終止位置以及運動軌跡，如圖6所示。

3.4 雜物箱慣性矩分析

在轉軸中心建立如圖所示的工作坐標系wcs，經過測量體命令分析，得到雜物箱慣性矩（wcs）為（76077.9，26398.5，71067.4），其中繞Z軸轉動慣量即慣性矩J=71067.4kg.mm2。

3.5 對純重力狀態下雜物箱運動分析

設初始速度V0=0，轉動角度設為α

可知 V對時間的一階導數為a ，所以V為a的一階原函數

當α=38.4°時，得到t=0.52s，顯然雜物箱開啟過快，不符合設計初衷。

3.6 重力力矩計算

通過代入重力及其力臂進行計算，對其運動過程進行20等分，利用excel進行繪制表格得到表2。

通過繪制曲線圖可以更加直觀地看到旋轉力矩的變化情況，如圖7所示。

通過圖表的分析，可以看到重力使雜物箱產生的旋轉力矩在逐步上升。

圖5

圖6

表2

圖7

4 拉繩式空氣阻尼器

4.1 阻尼器本身數據

4.1.1 外部尺寸

經過實際測量與UG建模，拉繩式空氣阻尼器外部尺寸為Φ16*20*129 ，安裝方式繩子掛鉤+螺釘，極限行程90mm。

4.1.2 彈簧規格

內徑13mm，外徑15mm，鋼絲直徑1mm，自由高度140mm，圈數 22，初始壓縮高度36mm，壓縮后初始狀態高度104mm。

4.2 彈簧勁度系數

為了更好的測量阻尼器本身的阻尼特性，將阻尼器內部彈簧取出，進行壓縮試驗，由自由狀態開始壓縮，分別測量壓縮行程為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm時的壓縮力如何。

將表3中數據進行整理和分析擬合得到圖 8，9。

其中R-Square代表數據與擬合曲線的相關性，數據越接近于1代表相關性越好

這里其數值為0.99681，代表著相關性較好，從表中可以看到直線斜率即彈簧勁度系數為0.089N/mm。

4.3 純空氣阻尼力

再對純空氣阻尼力進行試驗測試，去內部彈簧，進行勻速拉伸試驗，分別控制速度為15mm/s， 20mm/s， 25mm/s進行5次試驗，得到行程為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm時的拉力，記錄數據。

圖8

圖9

將其用origin進行擬合得到圖11，12。

進行此實驗的主要目的是為了探究速度和行程對純空氣阻尼力的大小的影響，影響空氣阻尼力的大小還包括氣孔的大小等，目前市面上有大，中，小氣孔三種規格可供選擇，在選用時需要加以考慮。

4.4 阻尼器阻尼特性

加上彈簧，再次對完整的阻尼器進行阻尼特性研究。

繪制散點圖如圖14。

對實驗數據進行擬合得到圖15，16。

在相同速度下散點程直線的相關性并不是很好，因此進行二次擬合，如圖17，18。

表3

表4

圖10

圖11

圖12

圖13

相較于一次擬合，無論從曲線本身還是數據來看，二次擬合都更加符合原有數據的變化趨勢，因此認為二次擬合結果較為準確，且從圖3-11中看到二次函數系數中，B，C相差不大，而A的數值相差較大。

認為其阻尼力在某速度下與行程的關系式F=-0.0015S2+0.2S+A，對A的數值進行分析得到A與速度的關系程一次線性關系，A=0.246V+0.647。

4.5 最小初始拉力

產品本身為拉繩連接，為防止在雜物箱關閉狀態時拉繩脫落而設定了預緊力，預緊力能夠使雜物箱在初始開啟位置時力矩減小，使其開啟平緩。預緊力比初始最小拉力大。

表5

即初始拉力需大于5.4N。

同時為了裝配方便，要求在雜物箱開啟到最大角度時拉繩阻尼器還未達到極限行程，預留10mm的安全行程，即在實際使用過程中，阻尼器的開啟位置需在18-80mm之內。

預設初始預拉18mm，結合原有拉繩長度，經過測量，得到阻尼中心到連接點的初始長度為60mm。

圖14

圖15

圖16

圖17

圖18

5 雜物箱掛繩點的范圍及要求

在雜物箱側面掛繩點，首先在三維模型中測出其可進行設立連接點的范圍，如圖4-1所示，O點為轉軸中心以轉軸中心為原點建立直角坐標系，四點坐標分別為A（92，110），B（-11，130），C（-15，36），D（33，8）。為了讓雜物箱盡可能的美觀，即在使用過程中看不見運動機構，盡量使連接點往X軸負方向移動，即靠近BC線。同時考慮到雜物箱的注塑成型工藝，越接近BC線越有利于其工藝要求。

圖19

表6

阻尼力矩在運動過程中不斷增大，在設計時選擇卡扣運動到中間點時的力矩進行計算。中間點的重力旋轉力矩為1120.522N.mm，重力較大，阻尼力較小，且重力力臂較大，所以盡可能將拉繩與卡扣旋轉軌跡程相切角度，在更大限度地提供阻尼力矩情況下減小力臂。

6 掛繩點運動軌跡分析及計算

布置運動機構時，保持鉸鏈的運動軌跡在平面內運動。從動扭矩一定要小于驅動扭矩，保持一定的裕度，確保驅動力是足夠的。初始連接阻尼器的位置，需要保證滿足阻尼器初始開啟位置，以確保安裝方便。[1]

預設配合點的位置為B點，旋轉中心為O點，當雜物箱轉動38.4°時，B點位移到B’點，阻尼中心A點位于OBB’平面內。OH垂直于AB，為雜物箱剛開啟時阻尼力臂L1，OH’垂直于AB’，為雜物箱開啟完成時阻尼力臂L2，如圖20所示。

假設軌跡運動半徑為R，以旋轉中心為圓心畫圓，如圖21。

從圖21中看到當半徑增大時，其角度減小地越慢，相應的力臂也減小得越慢。但是相應的其行程也會增大。

通過假設分析，當半徑為100mm時，其行程為18-82mm，超出了預設的18-80mm的范圍，不利于裝配和拆卸，因此初選半徑應盡量小于100mm。

由圖24可知，中點行程與半徑關系為S=0.33R+17.93，最終行程與半徑關系為S=0.65R+17.35

以上分析得到阻力關系為F=-0.0015S2+0.2S+A，A=0.246V+0.647

在整個過程中需要控制速度變化不大，因此在這里假設中點速度為平均速度， 弧 長 L=弧 度 *半 徑=（38.4/180）*3.14*R=0.67Rmm，時間t=2.5S，速度V=0.268Rmm/s

即F=-0.0015S2+0.2S+0.246*0.26 8R+0.647

=-0.0015*（0.65R+17.35）2+0.2*（0.65R+17.35）+0.066R+0.647

=-0.0 0 1 5*（0.6 5 R+1 7.3 5）2+0.196R+4.117

在經過類似方法測量和加以分析后的得到在中點的角度為α=0.027R+71.573

即中點力矩M=FR*SINα。

后者變化實在小，在這里近似以α=73°帶入，M=中點重力力矩=1120.522N.mm，解得R=86.5mm。

綜合以上分析，設定卡扣位置在離旋轉中心86.5mm，離阻尼中心60mm位置。初始角度為90°，此結果只是一個理論上的參考位置，其結果并不唯一。

7 實物驗證及分析結論

基于上述理論分析，對設計計算結果進行實物的校驗，以檢驗計算結果的合理性。將掛鉤設置在與轉軸中心距離86.5mm。與阻尼中心距離60mm的位置，兩者夾角為90度。

若將阻尼器橫置即與Y軸平行更有利于其運動。

為了更好的驗證理論分析的合理性，做一個對比試驗，即改變初始角度，位置一為成鈍角狀態，位置二將阻尼器下降即使其角度更加接近90度，通過實驗得到以下結論：

圖20

圖21

表7

圖22

圖23

當角度大時，開啟速度過快，且在初始階段出現迅速下降的情況，不符合設計目標，當角度更加接近90度時，開啟速度明顯變慢，且程大致勻速狀態，在校驗時間，得到其開啟時間在2-3秒之間，達到設計目的。