滑移門系統(tǒng)剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)特性研究

高云凱　馬干干　杜倩倩

（同濟大學(xué)，上?！?01804）

滑移門系統(tǒng)剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)特性研究

高云凱馬干干杜倩倩

（同濟大學(xué)，上海201804）

為解決某車型滑移門滾輪磨損嚴(yán)重、使用壽命不達(dá)標(biāo)的問題，運用多體動力學(xué)理論和模態(tài)綜合法將滑移門開、閉過程中的大變形部件柔性化，基于ADAMS平臺建立了剛?cè)狁詈匣崎T多體動力學(xué)模型?；谠撎摂M樣機模型，通過自定義仿真腳本的控制，仿真分析滑移門系統(tǒng)開、閉過程動力學(xué)特性，輸出了各滾輪所受沖擊載荷的變化規(guī)律，揭示了影響滾輪受力的關(guān)鍵設(shè)計要素，并提出了設(shè)計改進(jìn)方案。

主題詞：滑移門剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)特性滾輪磨損

1　引言

汽車滑移門通過走輪臂滾輪與導(dǎo)軌內(nèi)槽的配合實現(xiàn)與車身的連接。滾輪與導(dǎo)軌在車門開、閉過程中經(jīng)歷連續(xù)碰撞與摩擦，其接觸力大小不僅影響滾輪與導(dǎo)軌的磨損情況及使用壽命，更直接決定了滑移門開、閉的難易程度。因此，在滑移門前期開發(fā)階段，建立滑移門系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型，分析其運動過程的動力學(xué)特性，對汽車滑移門的工程設(shè)計具有重要意義。

目前，針對滑移門系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，且研究方法主要基于多剛體理論，并未考慮滑移門運動過程中零件的受力變形及各部件之間的耦合作用，因而不能從本質(zhì)上解釋影響滾輪沖擊力大小及磨損的原因。國內(nèi)外針對汽車其他部件的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)研究較為集中。J.Ou等［1］基于多體動力學(xué)理論，在ADAMS/Car中建立剛?cè)狁詈系钠嚹Ｐ?，分析?yōu)化汽車的瞬態(tài)響應(yīng)性能。G.Ryu等［2］提出2種辨識柔性體部件模態(tài)貢獻(xiàn)值的方法，解決了多體動力學(xué)仿真時間長、仿真結(jié)果不易收斂的問題。J.Ryu等［3］基于柔性體的有限元模型，采用模態(tài)綜合法對柔性體進(jìn)行動力學(xué)模態(tài)分析，得到其動力學(xué)特性。

本文運用模態(tài)綜合法和有限元法建立剛?cè)狁詈匣崎T虛擬樣機模型［4～5］，基于多體接觸動力學(xué)理論，較為準(zhǔn)確地建立了滾輪與導(dǎo)軌的接觸約束模型［6］。通過合理的仿真控制獲得滑移門開、閉過程的動力學(xué)特性，并通過實車試驗驗證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化滾輪受力，提出了設(shè)計改進(jìn)方案。

2　剛?cè)狁詈匣崎T多體動力學(xué)模型

2.1柔性化方法

基于模態(tài)綜合法，利用有限元軟件HyperMesh/Opti-struct計算得到剛體部件的模態(tài)中性文件，并利用模態(tài)中性文件對剛體部件進(jìn)行柔性化，流程如圖1所示。

圖1　柔性化流程

綜合考慮各部件的受力及變形情況，將車門內(nèi)、外板、滾輪確定為需要柔性化的部件。以車門內(nèi)、外板為例，其有限元求解模型如圖2所示，ADAMS/Flex中的模態(tài)信息如表1所示。

圖2　柔性化車門內(nèi)、外板

表1　車門內(nèi)、外板模態(tài)參數(shù)

2.2剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

2.2.1施加約束

根據(jù)滑移門的實際運動過程，建立以下3類約束：

a.固定副：模擬模型中的固定連接，如焊接、螺栓連接等，此外，B柱、后側(cè)圍與絕對坐標(biāo)系之間均建立固定副，約束6個自由度；

b.旋轉(zhuǎn)副：模擬部件間的相對旋轉(zhuǎn)運動，如滾輪與轉(zhuǎn)動銷，約束5個自由度；

c.接觸副：模擬部件間的接觸及碰撞，如滾輪與導(dǎo)軌。2.2.2建立滾輪導(dǎo)軌接觸碰撞模型

ADAMS提供接觸約束關(guān)系的2種算法［5］：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(fù)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。這種基于恢復(fù)的接觸算法對接觸過程的持續(xù)時間非常敏感，對于包含大量接觸事件的仿真求得的結(jié)果并不理想。此外，罰函數(shù)法不能用于計算剛?cè)狁詈辖佑|的接觸力，因此本文選擇沖擊函數(shù)法計算滾輪與導(dǎo)軌間的接觸力。根據(jù)滾輪與導(dǎo)軌的材料特性，接觸參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　滾輪導(dǎo)軌接觸參數(shù)設(shè)置

2.2.3定義驅(qū)動

為真實地反映車門開、閉過程，在外開手柄處施加力邊界條件。通過自定義ADAMS/Step函數(shù)控制力的大小及變化形式，如圖3所示。

圖3　滑移門開、閉過程驅(qū)動力曲線

3　滑移門多體系統(tǒng)動力學(xué)特性仿真分析

滑移門的開、閉過程受到導(dǎo)軌形狀、滾輪位置以及導(dǎo)軌與滾輪的裝配間隙等許多復(fù)雜因素的影響，而走輪臂滾輪所受沖擊載荷的大小是這些因素綜合作用的直接反映。

3.1滾輪受力分析

滾輪運動過程中接觸力異常突變會嚴(yán)重影響其使用壽命并造成滑移門開、閉過程的卡滯現(xiàn)象。因此，仿真輸出得到滑移門開、閉過程中滾輪所受沖擊載荷，并對各導(dǎo)向輪所受沖擊載荷的最大值及均方根值進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。

表3　各導(dǎo)向輪橫向載荷N

由表3可知，中走輪臂前導(dǎo)向輪在開、閉過程中所受沖擊載荷最大值遠(yuǎn)大于其他導(dǎo)向輪，上導(dǎo)向輪次之。此外，由均方根值的比較可知中走輪臂前導(dǎo)向輪開、閉過程受力突變嚴(yán)重，上導(dǎo)向輪次之。

3.2試驗驗證

為驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對該車型進(jìn)行滑移門臺架試驗。試驗設(shè)備由試驗臺架、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成，試驗流程如圖4所示。試驗時，滑動式導(dǎo)軌氣缸安裝在臺架上，通過皮帶與車門外開手柄相連，為車門開閉提供驅(qū)動；門鎖控制氣缸通過鋼絲拉線作用于外開手柄，控制門鎖的啟閉。本試驗主要目的是統(tǒng)計滑移門在不同工況循環(huán)開閉規(guī)定次數(shù)后滾輪的磨損情況，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖4　滑移門臺架試驗

圖5　臺架試驗及試驗結(jié)果

由圖5可以看出，開、閉門臺架試驗后，中走輪臂前導(dǎo)向輪磨損最嚴(yán)重，出現(xiàn)嚴(yán)重的形狀畸變，上導(dǎo)向輪也出現(xiàn)一定程度的損傷，下導(dǎo)向輪則較為完好。試驗中，影響滾輪磨損的最主要因素即滾輪所受的沖擊載荷，根據(jù)試驗結(jié)果可以推斷出中走輪臂前導(dǎo)向輪在開、閉過程中受到的沖擊載荷最大且受力突變嚴(yán)重，上導(dǎo)向輪次之。因此試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果吻合。

3.3優(yōu)化改進(jìn)

3.3.1磨損機理

滾輪所受沖擊載荷的最大值對其磨損情況和使用壽命起決定性作用，因此，選取受力最大的中走輪臂前導(dǎo)向輪、上導(dǎo)向輪，對比分析滾輪受力最大時刻及其在導(dǎo)軌上的位置，如圖6所示。

圖6　滾輪橫向載荷及受力最大位置

由圖6可以看出：中走輪臂前導(dǎo)向輪受力最大位置出現(xiàn)在車門關(guān)閉過程導(dǎo)軌直線段與彎曲段的交點處，且由受力方向可以判定導(dǎo)向輪此時緊壓導(dǎo)軌外側(cè)；上導(dǎo)向輪受力最大位置出現(xiàn)在車門關(guān)閉過程導(dǎo)軌彎曲段與直線段的交點處。由于中走輪臂前導(dǎo)向輪進(jìn)入導(dǎo)軌彎曲段時與導(dǎo)軌外側(cè)發(fā)生異常擠壓，摩擦力驟增而引起異常磨損。由此推斷結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷為中走輪臂旋轉(zhuǎn)中心與滾輪旋轉(zhuǎn)中心的距離過大。

3.3.2優(yōu)化設(shè)計

基于上述分析，通過改變仿真模型中走輪臂旋轉(zhuǎn)中心的位置模擬工程實際中走輪臂裝配位置的調(diào)整，減小走輪臂旋轉(zhuǎn)中心與滾輪旋轉(zhuǎn)中心的距離，達(dá)到優(yōu)化滾輪受力的設(shè)計目標(biāo)。優(yōu)化前、后滾輪受力的最大值及均方根值如表4所示。

表4　優(yōu)化前、后導(dǎo)向輪受力統(tǒng)計

由表4可以看出，優(yōu)化后中走輪臂前導(dǎo)向輪受力最大值明顯降低，且開、閉過程所受沖擊載荷更加平穩(wěn)，優(yōu)化效果顯著。

1Ou J，Zhang Q L，Yang E C，et al.Simulation Analysis and Optimization of Vehicle Transient Response Characteristics under Steering Angle Input.SAE Technical Paper，2015.

2Ryu G，Jeon J.Improvement of Virtual Vehicle Analysis Efficiency with Optimal Modes Selection in Flexible Multi-Body Dynamics.SAE International Journal of Passenger Cars—Mechanical Systems，2013.

3Ryu J，Kim H J，Wang S.A Method of Improving Dynamic Stress Computation for Fatigue Life Prediction of Vehicle Structure.SAE Technical Paper，1997.

4朱慶成，王軍杰.某微型車中滑門開啟性能分析與優(yōu)化.機械設(shè)計與制造，2011（6）：149～151.

5Prabakar R S，Mangalaramanan S P.Flexible Multi-body Dynamic Analysis of Multi-Cylinder Engine Valve Train. SAE Technical Paper，2011.

6安雪斌，潘尚峰.多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真中的接觸碰撞模型分析.計算機仿真，2008（10）：98～101.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年7月15日。

A Study on Dynamic Characteristics of Sliding Door System Based on Rigid-flexible Coupling Multi-body Model

Gao Yunkai，Ma Gangan，Du Qianqian
（Tongji University，Shanghai 201804）

In a vehicle，serious roller wear and non-compliance of service life of sliding door were identified，to solve these problems，we used multi-body dynamics theory and modal synthesis method to make the large deformation parts of the sliding door in the motion process flexible，and established multi-body dynamic model of rigid-flexible coupled sliding door in ADAMS environment.Based on the virtual prototype model，dynamic characteristics of the sliding door system were simulated and analyzed，which controlled by the custom simulation script，and variation of impact load of rollers were obtained.The key design elements that affecting the force of the roller are revealed and an improvement design scheme is proposed.

Sliding door,Rigid-flexible coupling,Dynamic characteristics,Roller wear

U463.83+4

A

1000-3703（2016）09-0001-03