基于公差的車門限位器包絡(luò)面的參數(shù)化計算

黃國珍

摘 要：文章介紹了汽車前期開發(fā)過程中車門限位器布置的評價模型，提出車門限位器主臂軌跡的計算方法，并且在考慮限位器安裝公差的基礎(chǔ)上計算限位器主臂在車門內(nèi)板內(nèi)的運動包絡(luò)面。

關(guān)鍵字：限位器;主臂;包絡(luò)面;公差

Abstract： This paper introduces the evaluation method of automotive door checker， proposes a calculation method of the check arm contour and calculate the motion envelope of the checker arm between door outer panel and innen panel based on the tolerance of the door system.

Keywords： Door checker; Checker arm; Envelope; Tolerance

1 車門限位器及其功能介紹

汽車車門限位器是車門啟閉系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，其設(shè)計與布置是否合理直接關(guān)系到整車的安全性以及車門啟閉的靈活性等，是控制車門開啟角度并使車門停留在某一預(yù)期開度位置的裝置。轎車上的限位器可分為扭桿式限位器、彈簧式限位器以及盒式限位器。其中，扭桿式和彈簧式是和門鉸鏈固定為一體，而盒式限位器獨立于鉸鏈，是一種最為常見的分體式限位器（如圖1所示），由安裝支架、軸銷、主臂、限位器盒、防塵套和密封墊組成。對于汽車同一廠商，安裝支架和軸銷通常都是一樣的，限位器盒會根據(jù)車門重量的大小可以有有限的幾個模塊可供選擇，但主臂和防塵套則根據(jù)限位器在車門上的位置的不同而不同，同時，主臂的輪廓直接影響著防塵套的形狀。因此可以說，車門限位器的設(shè)計其本質(zhì)上就是車門限位器主臂的設(shè)計。

盒式車門限位器主臂有兩個方向上的輪廓（如圖2所示），一個沿著軸銷軸向方向視角的輪廓，稱之為主臂軌跡，它是限位器盒在限位器主臂上運動;另一個為沿著軸銷徑向方向視角的輪廓，稱之為主臂形狀，它反映了車門各級開啟角度以及開啟力度。這個兩個相互獨立的輪廓也相應(yīng)地可以把車門限位器的設(shè)計分為兩個階段，在前期開發(fā)（總布置）時，僅考慮主臂軌跡，它與限位器在車門上的位置、車門玻璃以及鉸鏈軸線直接相關(guān);零部件設(shè)計階段，考慮主臂形狀，它與車門系統(tǒng)的重量、車門開啟級數(shù)、各級開啟角度以及產(chǎn)品定義要求的車輛駐坡角度相關(guān)。本文僅考慮車門限位器主臂軌跡以及主臂在車門內(nèi)外板內(nèi)運動包絡(luò)面的設(shè)計。

2 限位器布置的關(guān)鍵參數(shù)

一般地，在車身寬度方向上，車門限位器布置在車門玻璃與車門內(nèi)板之間（如圖3所示），而在車身高度方向上，車門限位器則布置在上鉸鏈與下鉸鏈之間，并且盡量靠近下鉸鏈的位置， 但由于車門內(nèi)其他附件的邊界條件限制使得限位器的布置出現(xiàn)偏上或者偏下的現(xiàn)象，通常情況下，限位器的布置遵循以下原則：

（1）限位器的旋轉(zhuǎn)軸線與鉸鏈軸線平行，以避免開關(guān)門過程中主臂與限位器盒之間發(fā)生摩擦產(chǎn)生異響;

（2）限位器的最大開啟角度A應(yīng)該比鉸鏈的最大開啟角度小5°以上，同時，考慮到前門尺寸一般情況下比后門大，其相應(yīng)的限位器最大開啟角度則應(yīng)該比后門小，一般地，前門A值取64°，后門A值取68°;

（3）考慮到側(cè)圍與門內(nèi)板沖壓的便利性，限位器安裝支架以及限位器盒的位置應(yīng)盡量使其對應(yīng)安裝面與車身Y坐標方向的角度B、C大于6°;

（4）軸銷到限位器盒中心點距離L的選擇應(yīng)該保證車門內(nèi)板與車門密封條之間有足夠的接觸面積，如果L的選擇影響到車門內(nèi)板的沖壓角度C，則可以選擇適當加大L的取值，然后將限位器盒安裝到限位器加強板上;

（5）開門過程中，限位器盒中心線與限位器主臂軌跡在限位器中心點位置的切線夾角T小于5°;

（6）限位器運動過程中相對于鉸鏈軸線的力臂E不小于60mm;

（7）限位器包絡(luò)面與車門玻璃等運動零件之間的間距G不小于10mm，與玻璃導(dǎo)槽、車門內(nèi)板等固定零件之間的間距不小于5mm;

（8）選擇合適的D、N，讓限位器防塵罩到玻璃以及車門內(nèi)板保持在合適的距離。

3 限位器輪廓的計算方法

通常地，有了門洞止口邊和鉸鏈軸線后，就可以相應(yīng)地設(shè)計限位器的布置方案截面，并初步確定出安裝支架以及限位器盒的位置。然后，就可以做主臂軌跡的設(shè)計。傳統(tǒng)主臂軌跡設(shè)計方法多采用分段畫圓——單元逼近法，這種方法繪制過程比較復(fù)雜，對于確定的安裝支架和限位器盒位置以及確定的門開啟角度，軌跡唯一且容易出錯。事實上，主臂軌跡的主要作用就是限制開門的最終位置，同時在開關(guān)門過程中引導(dǎo)限位器盒順暢地運動，未必是一條唯一的軌跡。一般地，只要在開關(guān)門過程中的任意位置，限位器盒中心線與主臂軌跡切線方向的夾角T都小于5°，即認為限位器盒能在限位器主臂上順暢地運動。因此，對于確定的限位器安裝支架和限位器盒的位置，可以在車門打開到最大位置時，橋接出一條主臂軌跡的曲線，然后反過來檢查其在車門打開的各個中間位置是否都滿足T<5°，如果不滿足，則可以通過調(diào)整橋接曲線，直到所有的T都小于5°。

具體做法如下圖4所示：

（1）確定安裝支架及限位器盒位置，即確定限位器盒初始中線點O0;

（2）門開啟角度A，將限位器盒及其中心點繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)到O8位置，并將O0到O8中心點位置繞鉸鏈做8等分（根據(jù)需要可以更多等分）;

（3）假定門開啟到最大角度A時，主臂繞著軸銷旋轉(zhuǎn)了K角度，即O0點旋轉(zhuǎn)到了O0點，根據(jù)經(jīng)驗，一般K值控制在A±4°范圍之內(nèi);

（4）保留O0點到軸銷之間以及O8點之外的限位器盒中心線的直線段部分，用樣條曲線橋接點O0點到O8點之間的部分，且保證相切連續(xù)，得到主臂軌跡;

（5）將得到的主臂軌跡繞限位器軸銷旋轉(zhuǎn)到各個中間位置O0，O1，O2，…，O8，并作出主臂軌跡在該點的切線，得到角度T0，T1，T2，…，T8;

（6）檢查角度T0，T1，T2，…，T8，如果這些角度都滿足小于5°，則認為限位器盒能比較順滑地在主臂上滑動，則該主臂軌跡滿足技術(shù)要求;反之，如果有其中一個或者多個角度大于5°，則調(diào)整橋接曲線的張量或者角度K值，直到所有角度都滿足為止。

獲得了限位器的主臂軌跡之后，根據(jù)主臂末端限位塊的結(jié)構(gòu)尺寸，可以得到如圖5中主臂位置8所示的限位器主臂。同上述步驟5，可以得到類似的各個主臂的中間位置，然后讓每個中間位置繞鉸鏈軸線反向旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的角度，得到各個主臂相對門內(nèi)板設(shè)計狀態(tài)的位置，主臂位置0，主臂位置1，主臂位置2，…，主臂位置8。這些主臂位置組成的連續(xù)空間，就是理論上限位器主臂在車門內(nèi)板中運動的擺動包絡(luò)面。

4 基于公差的限位器擺動分析

通過上面方法計算出來的主臂擺動包絡(luò)面其實是在非常理論條件下得到的。而事實上限位器安裝支架、限位器盒與門內(nèi)板之間的固定以及門板與車身之間的安裝都存在有公差，這種公差的存在使得限位器主臂在門內(nèi)板之間的實際擺動量遠大于上述計算獲得的理論擺動量。通常，這些公差都等效累積到安裝支架在安裝平面上的公差，一般考慮±2.5mm。這時，公差反應(yīng)到主臂在門內(nèi)板空間內(nèi)的運動其實就是主臂軸銷繞著限位器盒中心點做±2.5mm的擺動（如下圖6中的O3位置所示）。同計算主臂一樣，做出主臂在開始過程中各個位置的擺動分析，然后然鉸鏈軸線反向旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，得到各個位置擺動分析相對門內(nèi)板設(shè)計狀態(tài)的位置。然后用封閉曲線將這些限位器主臂包圍起來，且曲線到限位器主臂之間的距離控制在3mm左右（一般地，防塵套的料厚為1.5mm，留1.5mm間隙）。得到的封閉曲線則認為是限位器主臂在開門過程中在內(nèi)門板中掃掠過的包絡(luò)面。

5 校核及參數(shù)修正

以門洞止口邊、門鉸鏈軸線為輸入，在Catia軟件中構(gòu)建如圖4、圖5、圖6所示的限位器主臂包絡(luò)面的參數(shù)化繪制CAD模型，導(dǎo)入車窗導(dǎo)槽、車門玻璃等零件，構(gòu)建門內(nèi)板結(jié)構(gòu)方案，檢查限位器盒、限位器主臂包絡(luò)面與各周邊零件的間隙是否滿足技術(shù)要求。如果無法滿足，則首先優(yōu)先考慮調(diào)整圖4中的角度K值，仍然無法滿足技術(shù)要求的話，則考慮圖3所示中的D、N值，直到滿足。

6 結(jié)束語

本文簡單介紹了車門限位器的結(jié)構(gòu)與功能，闡述了限位器布置的評價模型及其關(guān)鍵參數(shù)，通過在Catia軟件中構(gòu)建參數(shù)化的CAD模型，控制限位器主臂切線與限位器中心線之間的角度偏差，計算出限位器的主臂軌跡及主臂的擺動包絡(luò)面，最后通過評價模型來判定限位器的布置以及主臂軌跡是否合理。而且可以通過把參數(shù)化的CAD模型做成模板文件，推廣引用到其它的工作項目中去，極大程度地提高了工作效率。

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