基于Adams 的車用滑移門導軌傾角對操作力影響的研究*

馬嘉楠，苗永存，傅愛軍，張方磊，周 云

(1.廣西科技大學 機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545000； 2.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引 言

不同于傳統(tǒng)鉸鏈門的運動形式，汽車滑移門因車門開度更大、開啟時占據(jù)外部空間更小等優(yōu)點，被廣泛應用于各類MPV 車型中。 在設計汽車滑移門時，不僅要避免車門與車身其他部分出現(xiàn)干涉，還需保證滑移門具備良好的運動平順性。 平順性是滑移門感知質(zhì)量的重要組成部分，直接影響使用者對整車質(zhì)量的評價[1]。 導軌作為承載滑移門運動的重要部件，其安裝布置、幾何形狀、加工工藝等特征均會影響滑移門系統(tǒng)的平順性。

近年來，面向滑移門的設計研究與仿真分析也在逐步完善。 劉鵬飛運用正交實驗設計方法研究了滑移門主要結(jié)構(gòu)件的制造偏差對滑移門平順性的影響，得到了各因素對結(jié)果的不同影響[2]。 Hyung 等人分析了滑移門各部件的布置參數(shù)對滑移門操作力的影響，研究了中軌道彎曲角度的變化對滑移門操作力的影響[3]。 Muneer 等人結(jié)合試驗研究了影響滑移門關門速度的相關參數(shù)，提出氣壓阻力是影響滑移門最小關閉速度的重要因素[4]。

筆者以某MPV 車型滑移門為例，針對導軌的不同姿態(tài)進行運動學仿真，總結(jié)和分析了導軌傾角對滑移門操作力的影響，對滑移門機構(gòu)的設計具有一定的指導意義。

1 滑移門多體動力學模型的建立

1.1 滑移門系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

汽車滑移門系統(tǒng)的主要部件包括門板、走輪臂、滾輪、導軌、鎖體、限位器、緩沖裝置和內(nèi)外把手等[5]。 汽車滑移門主要依靠位于上部、中部、下部的三個走輪臂，走輪臂鉸接數(shù)個滾輪，且滾輪分別固定在導軌凹槽中，以此實現(xiàn)滑移門與車身的連接，滾輪沿導軌滾動時完成滑移門的開啟與關閉。 在滑移門系統(tǒng)中，除滿足強度和基本功能的門體、緩沖件和把手等部件外，走輪臂、滾輪和導軌也是影響滑移門運動的關鍵部件，文中主要研究導軌傾斜角度對滑移門運動平順性的影響。

上導軌主要起導向作用，故上導軌無承重平面且與之相配合的滾輪均為導向輪，即不承受車門重力；中導軌和下導軌起導向和承重作用，與導軌配合的滾輪中既有導向輪也有起垂直支撐作用的承重輪。 于此同時，三條導軌的彎曲程度也不盡相同，其中中導軌的彎曲程度較大。

1.2 設置約束

由于滑移門系統(tǒng)零部件較多，且大多部件如門的內(nèi)板、外板、鎖體、限位器等并不參與仿真運算，為簡化模型首先將這些相對靜止的部件進行布爾加運算，將其合并為一個整體。 隨后在建立多體動力學模型時，可根據(jù)滑移門各個部件之間實際存在的約束關系，在Adams 中設置不同的運動副，以減少部件之間的自由度。 使用固定副、旋轉(zhuǎn)副和接觸約束等即可體現(xiàn)各部件間的約束關系。 主要部件的約束關系是:導軌使用固定副約束其全部自由度、鉸鏈走輪臂使用旋轉(zhuǎn)副、滾輪在輪銷處采用旋轉(zhuǎn)副約束、滾輪與導軌為接觸副。

ADAMS 中提供2 種算法計算約束關系，分別為罰函數(shù)法(Restitution)和沖擊函數(shù)法(Impact)。 罰函數(shù)法根據(jù)損失系數(shù)和恢復系數(shù)計算接觸力，損失系數(shù)限于單向約束，并控制接觸時的能量耗散。 該算法對接觸過程的持續(xù)時間非常敏感，故更適合于沖擊過程的仿真，但對于包含大量接觸事件的仿真得到的結(jié)果往往與實際有較大偏差[6]。 因此文中選擇基于沖擊函數(shù)的算法(Impact-Function-Based contact)計算滾輪與導軌間的接觸力，其接觸力的公式如下:

式中:x為物體之間的距離；為物體間的相對速度；x1為x的自由距離，當x小于x1時表示物體間發(fā)生接觸并產(chǎn)生壓力，x大于等于x1時則代表物體間尚未發(fā)生接觸；k為材料剛度；e為壓力指數(shù)；cmax為最大阻尼系數(shù)；d為接觸表面的臨界相互滲透量，當接觸滲透量小于d時，阻尼系數(shù)是滲透量的三次函數(shù)，大于d時，阻尼值達到最大cmax。

部分約束示意圖如圖1 所示。

圖1 滑移門ADAMS 模型部分約束示意圖

1.3 定義驅(qū)動

為模擬滑移門實際開閉過程，需在把手處設置驅(qū)動，按照企業(yè)對滑移門運動的規(guī)范，設置驅(qū)動運動速度為650 mm/s，將驅(qū)動定義為由STEP 函數(shù)控制的速度，其幅值隨時間變化:650×(STEP(time，0，0，0.5，-1)＋STEP(time，1.4，0，1.5，1)＋STEP(time，1.7，0，2.2，1))，驅(qū)動定義的速度方向指向-X方向(車頭方向)。 該step 函數(shù)表示從0 ～0.5 s 將速度從0 mm/s增大到650 mm/s，在0.5 ～1.4 s 內(nèi)保持速度不變，此時車門正常開啟；隨后速度開始下降，直至1.5 s 減少到0 mm/s，車門靜止后，從1.7 ～2.2 s 將速度再次增大到650 mm/s，由于此時函數(shù)中定義的速度方向與開啟時相反，車門將關閉。

相較于以力作為驅(qū)動輸入的方法，構(gòu)建以初速度為輸入，車門處操作力為輸出的Adams 虛擬樣機模型，不僅符合企業(yè)對滑移門操作力的相關規(guī)定，可以更加直觀地得到在現(xiàn)行開門速度規(guī)定下滑移門操作力的大小，還可通過更改驅(qū)動速度得到不同開門速度下的滑移門操作力數(shù)據(jù)，從而有助于設計人員在設計初期對滑移門的操作力大小有所了解。

理想的滑移門滾輪(包括導輪和承重輪)在導軌上運動時應保持做純滾動，且不與滾輪軸發(fā)生相對運動，這樣可避免滾輪和導軌在切向的相對運動產(chǎn)生異響和摩擦，從而使得整個滑移門系統(tǒng)平順性更好。

2 滑移門模型仿真分析

建模完成后即可在Adams/View 中對樣機模型進行仿真分析，隨后通過其后處理功能可以得到各部件的受力情況[7]。 由于車身上三條導軌的作用各不相同:上導軌和中導軌主要承擔導向作用，下導軌主要起承重和導向作用，故各個導軌的姿態(tài)和定位要求也不同，市場上的一些車型為了使滑移門具有自動關閉的趨勢，其中導軌相較上導軌與下導軌往往存在0.5°～1.5°的微小角度。 微小傾角的存在降低了滑移門在關閉過程中所需的操作力，并且賦予了汽車滑移門自動關閉的趨勢，但是隨著中導軌傾斜角度的增大，開啟滑移門時所需的驅(qū)動力也將增大，過大的開門力不利于提升滑移門的感知質(zhì)量，為研究導軌傾角對滑移門操作力的影響，取中導軌為研究對象，以導軌安裝定位點為基準，旋轉(zhuǎn)中導軌呈0.5°、0.8°、1°、1.2°、1.5°，通過仿真分析研究車門把手處X向力的變化情況。 通過查閱相關企業(yè)規(guī)范和市場調(diào)查，滑移門開門力與消費者使用體驗的關系如表1 所列。

表1 滑移門操作力與用戶體驗

綜上所示，具有較高感知質(zhì)量的滑移門其開啟力應控制在38 N 以下。

2.1 開門力仿真分析

當滑移門以650 mm/s 的速度開啟，當導軌平直不存在傾斜角度時，車門把手處的開啟力的變化如圖2(a)所示。 在車門剛剛開啟時，由于受到驅(qū)動施加的力作用，車門把手處的載荷存在短暫的突變現(xiàn)象，隨著車門的開啟，載荷逐漸趨向平穩(wěn)。 隨后把手處的載荷出現(xiàn)較大程度的波動，經(jīng)過對運動過程的分析，發(fā)現(xiàn)載荷出現(xiàn)波動的主要原因是滑移門在開啟過程中從導軌的平直段通過中導軌的彎曲段，滾輪與導軌中出現(xiàn)軌跡改變發(fā)生碰撞所致。 取車門關閉方向為正方向，故此時車門在開啟時操作力為負值，取其絕對值。 當導軌不存在傾角時，開門過程中，開門力的平均值為31.4 N，均方根(RMS)為32.6，開啟較為順暢。 開門力仿真結(jié)果示意圖如圖2 所示，開門力的變化情況如表2 所列。

圖2 開門力仿真結(jié)果示意圖

表2 不同傾角下滑移門的開門力

仿真結(jié)果由表2 可知，隨中導軌傾角的增大，開門力由傾角為0°時的31.4 N 增長到1.5°時的41.1 N，增長率為28.2%，傾角小于等于1°時，滑移門的開啟均較為順暢，不存在卡滯現(xiàn)象。

2.2 關門力仿真分析

關門力仿真結(jié)果示意圖如圖3 所示，關門力的變化情況如表3 所列。

表3 不同傾角下滑移門的關門力

圖3 關門力仿真結(jié)果示意圖

由仿真結(jié)果可知，由于中導軌傾角的存在，滑移門存在“自關”的趨勢，關門力的平均值也由導軌傾角為0°時的34.4 N 降低至25.2 N，關門力降低26.7%，此時滑移門具有較高的平順性，具備較好的感知質(zhì)量。 在實際生產(chǎn)中，在開門力滿足標準的情況下，可適當增加中導軌傾角，使滑移門獲得自動關閉的趨勢以提高感知質(zhì)量。

2.3 分析結(jié)果

根據(jù)以上仿真結(jié)果，保持其他外界條件不變的情況下，設導軌傾角為自變量，開/關門力為因變量，利用MATLAB 軟件中的數(shù)據(jù)擬合功能，對仿真結(jié)果進行擬合處理，得到傾角與開/關門力的近似函數(shù)關系表達式。 首先將數(shù)據(jù)導入MATLAB 中。 使用線性擬合模型y＝a0＋a1x進行擬合，線性模型具有計算簡單、應用廣泛的特點，故擬合類型選擇多項式(Polynomial)，Degrees 取1。 開/關門力的擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 操作力與傾斜角度關系示意圖

由擬合結(jié)果可知，在其他條件不變時，開/關門力的大小均和導軌傾角存在線性相關。 由圖4 可知，開門力擬合結(jié)果為:

其確定系數(shù)(R-square)接近1，說明該方程的變量對y具備較強的解釋能力，即該模型對數(shù)據(jù)的擬合程度也比較好；由圖4 可知，關門力與導軌傾角呈負相關，擬合結(jié)果為:

其結(jié)果也具有較強的可信度，方差(SSE)接近于0，說明模型選擇和擬合程度較好。

3 結(jié) 語

文中以某車型滑移門系統(tǒng)為例，以滑移門導軌為研究對象，對滑移門系統(tǒng)的動力學仿真進行了研究。介紹了滑移門系統(tǒng)的運動原理，并構(gòu)建了滑移門系統(tǒng)ADAMS 虛擬樣機模型。

在其他條件不變時，改變不同導軌角度，對比不同條件下的開/關門力的大小，可以看出導傾角對滑移門的操作力存在一定程度的影響，通過比對無傾角與1.5°傾角時的操作力大小后得到開啟力增大28.2%，關閉力減少26.7%，并通過MATLAB 軟件的擬合功能得到了擬合程度較高的操作力與導軌傾角的函數(shù)關系式。 因此，在實際生產(chǎn)中可以在此結(jié)論基礎上有針對性地調(diào)整導軌傾角，以達到提高滑移門系統(tǒng)感知質(zhì)量的目的。 研究結(jié)果對滑移門系統(tǒng)的設計提供了理論參考。