侧开式后背门无级限位撑杆设计方案研究.pdf

汽车研发 Automobile Research and Development 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 79 侧开式后背门无级限位撑杆设计方案研究 冉红彬 刘伟 李风辰 杨贵永（吉利汽车研究院（宁波）有限公司 浙江宁波 315336）摘 要无级限位撑杆运用于多数侧开式后背门车辆，它可以将后背门停留在任意位置，实现无级限位，同时可防止车门自动关闭时对人造成伤害，其布置和设计的合理性直接影响车门的开闭品质。本文结合无级限位撑杆的工作原理，就撑杆的一些力学性能及失效模式进行了简单的分析，为更好的实现车门开闭品质提供一些参考。关键词撑杆；无级限位；后背门；力矩；锁止力 1、概述 无级限位撑杆锁止力的设计与后背门自重、铰链倾角及撑杆布置有关，本文意在通过阐述无级限位撑杆与车门开闭品质的关系，对侧开式车型后背门无级限位撑杆进行力学分析，得到无级限位撑杆锁止力值设计的理论依据。2、无级限位撑杆的结构及工作原理 无级限位撑杆一般由活塞杆导向与密封系统、油、温度补偿空间、末端阻尼区开门阀、关门阀和外罩管 8 个部分组成，关于无级限位撑杆的工作原理，主要体现在以下三个方面：锁止功能：在静态条件下，在活塞两侧的压力是相同的。所有阀均关闭，无级限位撑杆（车门）被锁定并提供相应支撑力；运动功能：当施加力时，油压增大。当压力超过阻挡力时，无级限位撑杆的阀门完全打开，当车门在高速移动时，动态油压在活塞组件作用在阀的表面，以保持它的打开位置。末端阻尼：在车门达到最大开启状态时，活塞系统进入阻尼区，油停留在阻尼区与活塞杆之间，起到阻尼作用，车门的运动是液压减震。3、车门的自关力矩分析 3.1 铰链布置 车门铰链布置首先要满足车门运动要求，车门在运动过程中不应与干涉，其次铰链布置间距要尽可能的大，保证车门具有足够的刚性和稳定性，防止车门下沉。现有的车门铰链布置一般采用内倾角及前/后倾角的方式、铰链内倾可以保证车门具有自动关闭的趋势，而前倾角可以预防车门下沉，后倾角可以增大车门的抬高量，布置铰链时要充分考虑以上因素。3.2 车门自关力矩空间分析 无级限位撑杆的力学分析离不开车门重力的分析，在不考虑密封条、铰链摩擦力等因素的前提下，通过建立车门重力力矩与撑杆力矩之间的关系，分析撑杆的受力情况，通过改变以上 2 个因素，提高车门开闭品质。3.3 数学模型建立的输入条件 车门的重心位置 车门重量 G 车门铰链内倾角、前倾角 车门重力力臂 L 3.4 数学模型的建立 1)输入铰链中心线上的两点坐标，并通过这两点做出铰链中心线；2）输入重心坐标，井通过重心点作重力线，使其长度等于车门重力；3）通过重心点作一条垂直于铰链中心线的线段，即为重力臂的长度 L,4）做辅助平面 XZ/YZ 面，铰链轴线在 XZ 面投影线与Z 轴夹角为前倾角，铰链轴线在 YZ 面投影线与 Z 轴夹角为内倾角。图 1 把车门自关力简化成如下（图 2）模型：汽车研发 Automobile Research and Development 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 80 图 2 重力 G(DC)铰链轴线 BD 内倾角*3.14/180 前倾角*3.14/180 重心至轴心位置 L 开门角度*3.14/180 AB=DC=DC=AB=G AD=AD=BC=BC=AB*tg AA=DD=BB=CC=AB*tg BC2=BC2+CC2 BD2=BC2+DC2 根据三角形相似定理 CE/BC=BD/DC CE2=BC2*DC2/BD2 重力分力的平方 G2=BC2*DC2/BD2 G=(tg2+tg2)/(tg2+tg2+1)重力在关门方向的分力 E=G*abba2222cos/1tgtgtg+（1）重力在关门方向的关门力矩 M=E*L*cos （2）通过以上模型将相关参数带入公式（2）中，求得的重力矩曲线如图 3 所示。图 3 4、无级限位撑杆布置 后背门受力（撑杆力）分析：撑杆对后背门作用力在空间直角坐标轴上的投影：Fx=F sin cos Fy=F sin sin Fz=F cos F -为撑杆输出力，-F 与 Z 轴夹角，-F 在 xy 面投影力值与 X 轴夹角。图 4 根据撑杆的工作原理，后背门撑杆在解锁瞬间产生较大输出力，解锁后输出力消失，对后背门受力情况进行空间分析，撑杆对后背门 Z 向不应受太大作用力，否则可能会导致后背门抖动失效，撑杆旋动轴线与铰链轴线应平行，为减小后背门 Z 向受力作用，后背门铰链倾角设计应尽可能小，这样也可减少后背门自关力矩，减小车门开启力；同时，为防止后背门受 Z 向力作用产生抖动，一般要求撑杆轴线相对于铰链中心线的最小力臂尽量大。因此，撑杆中心心线应尽量远离车门铰链中心线，以增大撑杆的力臂，降低撑杆输出力，减缓车门抖动振幅。5、无级限位撑杆锁止力设计及后背门失效分析 5.1 车门开启需满足条件：外把手处作用力矩大于车门自关力矩+撑杆锁止力产生的力矩，即 M1ME+F1*L （3）车门关闭需满足条件：外把手处作用力矩+车门自关力矩大于撑杆锁止力产生的力矩，即 M1+ME F2*L （4）式中：M1-外把手处作用力矩;ME-车门自关力矩;F1-撑杆开启锁止力；F2-撑杆关闭锁止力；L-撑杆锁止力力臂 5.2 撑杆锁止力力臂分析 后背门在开闭过程中，撑杆力臂发生变化，力臂分析模型如图 5：汽车研发 Automobile Research and Development 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 81 图 5 O1 为铰链旋转中心；O2 为撑杆支架一球头；O3 为撑杆支架二球头；a 为铰链旋转中心 O1 到撑杆支架一球头 O2的距离，为定值；b 为撑杆长度；c 为铰链旋转中心 O1 到撑杆支架二球头 O3 的距离，为定值;为车门开启角度;L为撑杆锁止力力臂；O3为车门旋转之后的位置 根据余弦定理 O1 O32=a2+c2-cos(+)(5)O1 O3 O2=arccos(b2+O1 O32-a2)/2b O1 O3 (6)L=c*sinO1 O3 O2 撑杆锁之力矩为 M=F*L 5.3 撑杆最小锁之力分析 假设某车车型后背门重力为 880N，内倾角=0 前倾角=3.2，L=563mm 重力在关门方向的分力 E=G*abba2222cos/1tgtgtg+=48N 平路上撑杆限位：平路上撑杆任意位置限位需满足条件：ME=E*L*cos=48N,车门关闭状态时,最小力臂 L=82.2mm F2*LME，F2E*L*cos/L=328N 故平路上撑杆最小关闭锁止力为 328N。注：以上分析计算忽略密封条及铰链摩擦力影响。撑杆驻坡限位：对于斜坡情况，应考虑其极限状态下的重力矩。但斜坡的极限状态，由于没有统一的技术要求，各厂家考虑的情况不同。我们这里就以上下 8驻坡，车门开启 45以上（无极限位撑杆在最大位置具有手动锁止功能，后背门侧面驻坡一般不做考虑）限位标准来研究撑杆锁止力的求解过程。由于上坡时，车门重力矩对车门产生关门的作用趋势;下坡时，车门重力矩对车门产生开门的作用趋势，因此，对于一个车门而言，上下 8驻坡时的可对撑杆做出以下分析：上下 8驻坡，车门开启 45以上车门可限位：=8 关闭锁止力要求：下坡重力自关力：E=0.194*880=170，F2E*L*cos/L=555N 开门锁止力要求：上坡重力自关力：E=74N，F1E*L*cos/L=245N 由此可推算处撑杆的最小开启锁之力为 245N，最小关闭锁止力为 555N。将通过以上分析取得的参数带入公式（3）（4）中，求得门把手部位力值曲线如图 6 所示。图 6 以上门把手处力值曲线可根据人为感知进行调整（可通过改变撑杆内部开关门阀弹性系数进行调整）。一般要求门把手位置最大作用力为 40N60N。注：以上计算的最小锁止力为撑杆低温时（-30）所要求的锁止力。5.4 后背门失效分析 根据后背门受力分析，撑杆对后背门在 X/Y/Z 向都有力的作用，后背门在开启过程中，必须保证外把手处作用力矩大于车门自关力矩+撑杆锁止力产生的力矩(M1ME+F1*L)，由于撑杆在解锁瞬间及解锁后力相差甚大（一般差值大于 300N），解锁后外把手作用力一旦减小，当其力矩小于车门自关力矩，后背门将出现锁止趋势，故需重新加大外把手作用力使撑杆二次或多次解锁开启车门，进而产生后背门抖动失效。由于后背门关闭过程中，撑杆一旦解锁，外把手处作用力矩+车门自关力矩一定大于撑杆锁止力产生的力矩（M1+ME F2*L），故车门不会产生抖动现象。为避免撑杆锁止力大导致后背门产生抖动失效，建议在保证撑杆限位功能的前提下，选取最小撑杆开启关闭锁止力。其次，在后背门铰链前倾角设计时建议不要太大（建议 3.2之内），否则后背门自关力矩过大导致后背门开启时产生抖动失效，同时需保证铰链具有足够的强度。6、结束语 本文针对侧开式后背门无级限位撑杆布置及锁止力进行设计分析，为无级限位撑杆设计提供了一定参考。希望本文能为后续更具体更深入的研究奠定基础。参考文献：1哈尔滨工业大学.理论力学M.高等教育出版社