車門限位器主臂設計方法研究

袁清輝，楊權，謝樹科

(1.比亞迪汽車工業有限公司，廣東深圳 518118；2. 廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434 ；3. 吉利汽車研究院有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

目前，國內對車門限位器的設計指導資料甚少，國家標準和行業標準未對車門限位器充分描述。而限位器是影響客戶體驗車性能的功能產品，其設計影響客戶對車輛的整體印象。亟需探討一種限位器主臂形狀的設計方法以及設計初始階段性能及功能的驗證方法[1]。

1 車門限位器概述

1.1 車門限位器結構

車門限位器按與鉸鏈的關系分為獨立式和復合式；按彈性元件分為彈簧式和橡膠式；按導桿型式分為拉桿式和齒板式[1]。文中以桿式車門限位器(如圖1—圖2所示)主臂的設計方法進行研究。

圖1 限位器結構圖

圖2 控制盒截面圖

1.2 車門限位器功能

車門限位器屬于車門系統，連接車門框、車門的輔助構件，實現車門開閉及定位開啟角度。

1.3 拉桿式車門限位器的工作原理

限位器控制盒(內含彈簧、滑塊等零件)安裝在車門上，支架固定于車身上，在車門開啟或關閉過程中，車門帶著控制盒在限位桿上滑動，在控制盒內壓縮彈簧的彈力作用下，滑塊穩定處于限位桿上不同限位槽中，從而起到車門半開、全開之功能(如圖3所示)。

圖3 限位位置圖

2 限位器主臂設計方法探討

2.1 限位器主臂設計現狀

限位器的關鍵部件是主臂，其設計要點主要包括：(1)主臂形狀；(2)主臂限位槽開槽位置及方向；(3)主臂限位槽坡度設計[2]。目前各大廠商關于限位器主臂的設計基本上包括：(1)設計無量化的數值(無參數)，無法做到技術繼承與積累；(2)產品功能性及舒適度無法通過數據做到最優；(3)設計效率低下，成本高，驗證方法不科學，驗證周期長，后期設計修改頻繁；(4)存在技術糾紛的風險，如專利等。

2.2 限位器主臂形狀正向設計方法

主臂形狀由鉸鏈位置、限位器支架安裝位置及控制盒安裝位置綜合決定。最理想的限位器導桿形狀是導桿始終與限位器盒垂直，但由于限位盒與主臂的擺動關系，主臂形狀需在限位器與周邊部件不干涉的前提下，通過斷面分析法確定形狀。以66車型前車門限位器為例，引入兩種幾何作圖法求限位器主臂軌跡。

方法一：圖4為66車型前車門鉸鏈軸線、限位器轉動軸軸線和截面線的位置關系，其運動關系是截面線(控制盒中心線)繞鉸鏈軸心旋轉，導桿繞限位器轉動軸旋轉。首先假設導桿為一直桿，圖示各位置為車門不同開度時的位置，每個位置都有其對應的截面線，這里假設車門最大開啟角度為69°，在最大開度范圍內取6個開門位置的截面線。將最大開啟角度的導桿及截面線一起提取出來，如圖5所示，延長1號線和2號線，以這兩條線的交點為圓心，以到1號截面線的中心距離為半徑，畫出圓弧1，同樣的，以2號線和3號線的交點為圓心，以到2號線與圓弧1的交點距離為半徑，畫出圓弧2，以此類推可畫出圖示黑色粗線條；把該黑色粗線條提取出來，選取樣條曲線命令，光順各線條交點，即可得到理想的導桿曲線。該曲線是條近似的曲線，截面線取得越多該線條越接近真實情況。

圖4 截面軌跡

圖5 運用截面法繪制導桿形狀

方法二：(1)將限位器控制盒看作一條直線，直線中心點位于限位器主臂曲線的交點。做出限位器控制盒沿鉸鏈軸旋轉的軌跡，具體將限位器控制盒中心線繞鉸鏈軸心旋轉，旋轉角度取決于步長。例如66車型前門限位器最大限位角度為65°，將其分為10步，每個步長為6.5°。(2)以限位器旋轉中心為圓心，過限位器控制盒直線中心點作圓。(3)過限位器控制盒中心點作垂直于限位器控制盒直線，長度取步驟(2)中兩圓之間長度。如圖6所示。(4)將步驟(3)中所作直線，從最外一根直線開始，以限位器軸為旋轉中心，旋轉至下一直線處，使其與之相接，如圖7所示。(5)依此類推，最終得出限位器主臂曲線(步長越短，所得到的曲線越精確)，如圖7所示。

圖8中灰色和黑色線條為運用截面法繪制的導桿形狀，將兩種方法獲得的曲線進行擬合，可以看出，兩種方法獲得的曲線一致，部分不重合的地方由劃線分段不夠密導致。該形狀是限位器導桿的理論最佳曲線，該曲線與目前66車型限位器導桿(目前66車型限位器導桿為一根直桿)的曲線有所區別。因在實際設計過程中，還需綜合考慮與車門鈑金、玻璃升降器等車門附件的間隙，這些間隙可通過UG/CATIA等三維軟件的運動仿真進行校核，如圖9所示為某車型限位器與周邊件的間隙曲線。一般來說，限位器導桿與周邊件的間隙至少要大于10 mm。

圖6 控制盒中心線運動軌跡

圖7 限位器軌跡曲線

2.3 限位器主臂凹槽位置及開槽方向設計

2.3.1 限位器主臂凹槽位置確定

車門開啟角度是由目標使用人群和車輛的性質決定，與門系統的結構尺寸及車體位置相關。關于限位器級數，目前大多數車型采用二級限位，少數采用三級限位。最大開門角度大的比最大開門角度小的級數多(如表1所示)。導桿的開槽位置決定車門開啟角度，而開槽方向的正確與否決定滾動體、滑動體在導桿上運動順暢與否，開槽方向錯誤會導致限位器導桿偏磨，嚴重時可導致限位器失效。

表1 部分車型限位級數及角度表

主臂開槽位置及方向可通過CAD運動分析、UG/CATIA運動仿真來確定，設計時可運用這幾種方法相互驗證，確保導桿開槽位置及方向的正確性。

2.3.2 運動軌跡分析方法

運動軌跡分析方法與上文所述截面法繪制導桿形狀的方法類似，分析之前首先需要知道的參數：鉸鏈軸線位置；限位器支架軸線位置；控制盒初始位置(即車門關閉時控制盒所在的位置)；滾動體、滑動體相對控制盒的位置；導桿的形狀。

2.3.3 UG/CATIA運動仿真

假設某車門一級開門角度為44°，設計步驟：如圖10所示，利用運動仿真模塊，將鉸鏈軸、車門鈑金和滾動體、滑動體設為活動連桿1；將限位器支架設為固定連桿2；將導桿設為活動連桿3；在鉸鏈軸上設置旋轉副1；在限位器支架轉動軸上設置旋轉副2；在旋轉副1上設置恒定的旋轉初速度10 m/s，將旋轉副1轉動44°；取消旋轉副1上的初速度，在旋轉副2上設置旋轉初速度10 m/s，采用單步向前的方式轉動連桿2，直至導桿與滾動體、滑動體正好位置重合，則該位置是導桿一級開門限位槽的位置，滾動體、滑動體的方向是開槽方向。二級槽或三級槽方法與一級槽設計方法相同。

圖10 運用UG/CATIA運動仿真設計導桿開槽位置和方向

2.4 限位桿開槽坡度設計方法

2.4.1 限位桿坡度形式及受力

拉桿式限位器力矩曲線特性主要由導桿坡面形狀決定。如圖11所示，以66車型前門限位器拉桿一級坡為例進行分析。該坡度由三部分組成：(1)開始爬坡的圓弧段；(2)中間坡度斜直線主升端的斜線段；(3)爬坡結束的圓弧段。顯而易見，在“爬坡”過程中，限位力最大值不可能產生于“開始爬坡的圓弧段”。下文中對斜直線主升段與爬坡結束的圓弧段作受力分析。

圖11 導桿坡度形狀

2.4.2 斜直線主升段受力分析

斜直線主升段X方向的受力較簡單。假設限位器作勻速運動，如圖12，則有

F=F摩擦力·cosφ

F摩擦力=fkhcosφ+khsinφ

(1)

則：F=(fkhcosφ+khsinφ)×cosφ=fkhcos2φ+khsinφcosφ

(2)

h=h0+xtanφ

(3)

將式(3)代入式(2)中，得

F=fkh0cos2φ+kh0sinφcosφ+fkxsinφcosφ+kxsin2φ

(4)

式中：F為限位器過擋力；f為摩擦因數，0.1；k為彈性元件彈性系數，130；h為彈性元件變形量；h0為彈性體初始變形量，0.9 mm；x為沿導桿水平方向位移；φ為斜坡角度，35°。

圖12 斜直線段受力分析

將各常數代入公式(4)中，并轉化為ADAMS軟件可識別的函數：

F=11.7*COS(35d)*COS(35d)+117*SIN(35d)*

COS(35d)+13*SIN(35d)*COS(35d)*time+130*SIN(35d)*SIN(35d)*time

將以上公式通過ADAMS繪制曲線，如圖13所示。

圖13 斜直線主升段上限位器的過擋力曲線

2.4.3 爬坡結束段X方向受力分析

爬坡結束的圓弧段受力分析如圖14所示，由圖示可得

(5)

(6)

sinφ=(L-X)/R

(7)

圖14 爬坡結束的圓弧段受力分析

將式(5)、(6)、(7)代入式(2)中，得

(8)

式中：F為限位器過擋力；f為摩擦因數，0.1；k為彈性元件彈性系數，130；h為彈性元件變形量；h0為彈性體初始變形量，2.3 mm；x為沿導桿水平方向位移；φ為斜坡角度；R為圓角半徑，10 mm；L為圓角水平長度，5.63 mm。

將各常數代入公式(8)中，并轉化為ADAMS軟件可識別的函數：

F=(SQRT(68.3+11.26*time-time*time)-5.96)*(8.88+1.46*time-0.13*time*time+(7.3-1.3*time)*SQRT(68.3+11.26*time-time*time))

將以上公式通過ADAMS繪制曲線，如圖15所示。

圖15 爬坡結束段限位器的過擋力曲線

由圖15可知：爬坡結束段的力值先增大后減小，限位器爬坡的最大力值產生于爬坡結束段。最大力值經過簡單力矩計算后就是通常說的車門限位力值。

2.5 通過ADAMS軟件驗證設計

利用CAE技術軟件，具體參數如圖16所示，建立ADAMS模型[3]如圖17所示，將仿真計算相關參數如圖18設置，輸出相關曲線結果如圖19所示。對比上文理論分析得出的曲線，可以看出兩者是一致的。

圖16 UG草圖相關參數

圖17 ADAMS模型

圖18 ADAMS參數設置

圖19 限位器過擋力曲線

3 總結

(1)限位器主臂設計(不考慮與周圍附件的位置關系)的3個關鍵要素：限位器主臂軌跡曲線、限位器主臂開槽位置以及限位器主臂槽的坡度設計。文中給出限位器主臂軌跡曲線、開槽位置的設計方法，分析限位器在主臂槽處的受力分析，并運用ADAMS軟件對坡段處進行力的仿真驗證，為后續對限位器主臂的正向設計提供一種系統方法。

(2)主臂形狀設計主要由鉸鏈轉動軸線、限位器轉軸軸線、車門關閉時限位器控制盒安裝位置、車門開啟最大角度決定。通過這兩種方法均可確定，并且可以進行相互驗證。通過運動仿真確定功能及性能，利用手板和模具件進行對標。

(3)主臂限位槽及方向設計主要由鉸鏈轉動軸線、限位器轉軸軸線、車門關閉時限位器控制盒安裝位置、車門限位角度決定。利用平面幾何繪圖工具和運動仿真軟件獲取軌跡參數，以及各種設計方法，均可相互驗證其功能及性能。

(4)主臂限位槽坡度設計主要由車門限位力數值、滑動摩擦因數決定。通過公式進行計算，利用仿真軟件和手板及模具件進行功能和性能驗證，可以獲得限位槽開始爬坡圓弧段半徑、斜直線主升段坡度、爬坡結束段圓弧半徑、彈性元件剛度、彈性元件預壓縮量。