車門限位器主臂設(shè)計(jì)方法研究

袁清輝，楊權(quán)，謝樹科

(1.比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118；2. 廣州汽車集團(tuán)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(nèi)對(duì)車門限位器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)資料甚少，國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)車門限位器充分描述。而限位器是影響客戶體驗(yàn)車性能的功能產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)影響客戶對(duì)車輛的整體印象。亟需探討一種限位器主臂形狀的設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)初始階段性能及功能的驗(yàn)證方法[1]。

1 車門限位器概述

1.1 車門限位器結(jié)構(gòu)

車門限位器按與鉸鏈的關(guān)系分為獨(dú)立式和復(fù)合式；按彈性元件分為彈簧式和橡膠式；按導(dǎo)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(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。

圖1 限位器結(jié)構(gòu)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(tǒng)，連接車門框、車門的輔助構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(guān)閉過程中，車門帶著控制盒在限位桿上滑動(dòng)，在控制盒內(nèi)壓縮彈簧的彈力作用下，滑塊穩(wěn)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(shè)計(jì)方法探討

2.1 限位器主臂設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

限位器的關(guān)鍵部件是主臂，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(shè)計(jì)[2]。目前各大廠商關(guān)于限位器主臂的設(shè)計(jì)基本上包括：(1)設(shè)計(jì)無量化的數(shù)值(無參數(shù))，無法做到技術(shù)繼承與積累；(2)產(chǎn)品功能性及舒適度無法通過數(shù)據(jù)做到最優(yōu)；(3)設(shè)計(jì)效率低下，成本高，驗(yàn)證方法不科學(xué)，驗(yàn)證周期長，后期設(shè)計(jì)修改頻繁；(4)存在技術(shù)糾紛的風(fēng)險(xiǎn)，如專利等。

2.2 限位器主臂形狀正向設(shè)計(jì)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(dǎo)桿形狀是導(dǎo)桿始終與限位器盒垂直，但由于限位盒與主臂的擺動(dòng)關(guān)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(zhuǎn)動(dòng)軸軸線和截面線的位置關(guān)系，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系是截面線(控制盒中心線)繞鉸鏈軸心旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)桿繞限位器轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。首先假設(shè)導(dǎo)桿為一直桿，圖示各位置為車門不同開度時(shí)的位置，每個(gè)位置都有其對(duì)應(yīng)的截面線，這里假設(shè)車門最大開啟角度為69°，在最大開度范圍內(nèi)取6個(gè)開門位置的截面線。將最大開啟角度的導(dǎo)桿及截面線一起提取出來，如圖5所示，延長1號(hào)線和2號(hào)線，以這兩條線的交點(diǎn)為圓心，以到1號(hào)截面線的中心距離為半徑，畫出圓弧1，同樣的，以2號(hào)線和3號(hào)線的交點(diǎn)為圓心，以到2號(hào)線與圓弧1的交點(diǎn)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(diǎn)，即可得到理想的導(dǎo)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(shí)情況。

圖4 截面軌跡

圖5 運(yùn)用截面法繪制導(dǎo)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(diǎn)位于限位器主臂曲線的交點(diǎn)。做出限位器控制盒沿鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)的軌跡，具體將限位器控制盒中心線繞鉸鏈軸心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)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(gè)步長為6.5°。(2)以限位器旋轉(zhuǎn)中心為圓心，過限位器控制盒直線中心點(diǎn)作圓。(3)過限位器控制盒中心點(diǎn)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(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)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(yùn)用截面法繪制的導(dǎo)桿形狀，將兩種方法獲得的曲線進(jìn)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(dǎo)致。該形狀是限位器導(dǎo)桿的理論最佳曲線，該曲線與目前66車型限位器導(dǎo)桿(目前66車型限位器導(dǎo)桿為一根直桿)的曲線有所區(qū)別。因在實(shí)際設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)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(dǎo)桿與周邊件的間隙至少要大于10 mm。

圖6 控制盒中心線運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)

2.3.1 限位器主臂凹槽位置確定

車門開啟角度是由目標(biāo)使用人群和車輛的性質(zhì)決定，與門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸及車體位置相關(guān)。關(guān)于限位器級(jí)數(shù)，目前大多數(shù)車型采用二級(jí)限位，少數(shù)采用三級(jí)限位。最大開門角度大的比最大開門角度小的級(jí)數(shù)多(如表1所示)。導(dǎo)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(dòng)體、滑動(dòng)體在導(dǎo)桿上運(yùn)動(dòng)順暢與否，開槽方向錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致限位器導(dǎo)桿偏磨，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致限位器失效。

表1 部分車型限位級(jí)數(shù)及角度表

主臂開槽位置及方向可通過CAD運(yùn)動(dòng)分析、UG/CATIA運(yùn)動(dòng)仿真來確定，設(shè)計(jì)時(shí)可運(yùn)用這幾種方法相互驗(yàn)證，確保導(dǎo)桿開槽位置及方向的正確性。

2.3.2 運(yùn)動(dòng)軌跡分析方法

運(yùn)動(dòng)軌跡分析方法與上文所述截面法繪制導(dǎo)桿形狀的方法類似，分析之前首先需要知道的參數(shù)：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(guān)閉時(shí)控制盒所在的位置)；滾動(dòng)體、滑動(dòng)體相對(duì)控制盒的位置；導(dǎo)桿的形狀。

2.3.3 UG/CATIA運(yùn)動(dòng)仿真

假設(shè)某車門一級(jí)開門角度為44°，設(shè)計(jì)步驟：如圖10所示，利用運(yùn)動(dòng)仿真模塊，將鉸鏈軸、車門鈑金和滾動(dòng)體、滑動(dòng)體設(shè)為活動(dòng)連桿1；將限位器支架設(shè)為固定連桿2；將導(dǎo)桿設(shè)為活動(dòng)連桿3；在鉸鏈軸上設(shè)置旋轉(zhuǎn)副1；在限位器支架轉(zhuǎn)動(dòng)軸上設(shè)置旋轉(zhuǎn)副2；在旋轉(zhuǎn)副1上設(shè)置恒定的旋轉(zhuǎn)初速度10 m/s，將旋轉(zhuǎn)副1轉(zhuǎn)動(dòng)44°；取消旋轉(zhuǎn)副1上的初速度，在旋轉(zhuǎn)副2上設(shè)置旋轉(zhuǎn)初速度10 m/s，采用單步向前的方式轉(zhuǎn)動(dòng)連桿2，直至導(dǎo)桿與滾動(dòng)體、滑動(dòng)體正好位置重合，則該位置是導(dǎo)桿一級(jí)開門限位槽的位置，滾動(dòng)體、滑動(dòng)體的方向是開槽方向。二級(jí)槽或三級(jí)槽方法與一級(jí)槽設(shè)計(jì)方法相同。

圖10 運(yùn)用UG/CATIA運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)導(dǎo)桿開槽位置和方向

2.4 限位桿開槽坡度設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jí)坡為例進(jìn)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(jié)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(chǎn)生于“開始爬坡的圓弧段”。下文中對(duì)斜直線主升段與爬坡結(jié)束的圓弧段作受力分析。

圖11 導(dǎo)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(shè)限位器作勻速運(yùn)動(dòng)，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(shù)，0.1；k為彈性元件彈性系數(shù)，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(dǎo)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(shù)代入公式(4)中，并轉(zhuǎn)化為ADAMS軟件可識(shí)別的函數(shù)：

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(jié)束段X方向受力分析

爬坡結(jié)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(jié)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(shù)，0.1；k為彈性元件彈性系數(shù)，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(dǎo)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(shù)代入公式(8)中，并轉(zhuǎn)化為ADAMS軟件可識(shí)別的函數(shù)：

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(jié)束段限位器的過擋力曲線

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

2.5 通過ADAMS軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)

利用CAE技術(shù)軟件，具體參數(shù)如圖16所示，建立ADAMS模型[3]如圖17所示，將仿真計(jì)算相關(guān)參數(shù)如圖18設(shè)置，輸出相關(guān)曲線結(jié)果如圖19所示。對(duì)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(guān)參數(shù)

圖17 ADAMS模型

圖18 ADAMS參數(shù)設(shè)置

圖19 限位器過擋力曲線

3 總結(jié)

(1)限位器主臂設(shè)計(jì)(不考慮與周圍附件的位置關(guān)系)的3個(gè)關(guān)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(shè)計(jì)。文中給出限位器主臂軌跡曲線、開槽位置的設(shè)計(jì)方法，分析限位器在主臂槽處的受力分析，并運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)坡段處進(jìn)行力的仿真驗(yàn)證，為后續(xù)對(duì)限位器主臂的正向設(shè)計(jì)提供一種系統(tǒng)方法。

(2)主臂形狀設(shè)計(jì)主要由鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)軸線、限位器轉(zhuǎn)軸軸線、車門關(guān)閉時(shí)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(jìn)行相互驗(yàn)證。通過運(yùn)動(dòng)仿真確定功能及性能，利用手板和模具件進(jìn)行對(duì)標(biāo)。

(3)主臂限位槽及方向設(shè)計(jì)主要由鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)軸線、限位器轉(zhuǎn)軸軸線、車門關(guān)閉時(shí)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(yùn)動(dòng)仿真軟件獲取軌跡參數(shù)，以及各種設(shè)計(jì)方法，均可相互驗(yàn)證其功能及性能。

(4)主臂限位槽坡度設(shè)計(jì)主要由車門限位力數(shù)值、滑動(dòng)摩擦因數(shù)決定。通過公式進(jìn)行計(jì)算，利用仿真軟件和手板及模具件進(jìn)行功能和性能驗(yàn)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(jié)束段圓弧半徑、彈性元件剛度、彈性元件預(yù)壓縮量。