基于CATIA DMU的尾門氣彈簧運動仿真與設(shè)計優(yōu)化

李超帥，方超，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于CATIA DMU的尾門氣彈簧運動仿真與設(shè)計優(yōu)化

李超帥，方超，林森，于波，李瑞生

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

為解決因尾門氣彈簧球銷方向不合理導(dǎo)致的氣彈簧球窩斷裂失效問題，對尾門氣彈簧開閉系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運動特點進(jìn)行了理論分析，利用CATIA DMU Kinematics模塊對尾門氣彈簧系統(tǒng)建立了運動仿真模型，提出了一種新的氣彈簧安裝球銷方向的設(shè)計方法，并應(yīng)用掃略包絡(luò)體命令以及距離與區(qū)域分析命令對球銷設(shè)計角度進(jìn)行了仿真校核，該方法有效地解決了因氣彈簧安裝球銷方向布置不合理導(dǎo)致的球窩斷裂失效問題。

CATIA DMU；氣彈簧；運動仿真；設(shè)計優(yōu)化

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.019

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-56-03

前言

尾門氣彈簧是兩廂車尾門系統(tǒng)開閉過程中的助力機(jī)構(gòu)，其設(shè)計布置需滿足汽車尾門系統(tǒng)使用舒適方便、安全可靠的需求。隨著近年來我國汽車車身設(shè)計的迅速發(fā)展，尾門氣彈簧在關(guān)于用戶使用舒適性方面（例如開門操作力、關(guān)門操作力以及尾門開啟平衡角度等）的設(shè)計布置有了很大進(jìn)步，基本已經(jīng)達(dá)到國外企業(yè)的設(shè)計水平[1-2]。但是，在尾門氣彈簧的耐久可靠性方面（例如氣彈簧耐久之后的機(jī)械強度與力值衰減等），國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)仍存在一定差距。在尾門氣彈簧失效模式分析方面，由于設(shè)計理論支撐欠缺，失效問題發(fā)生時經(jīng)常錯將設(shè)計問題誤歸類為零部件質(zhì)量問題，忽略了設(shè)計布置對于零部件耐久性能的影響。例如，在售后問題中常見的尾門氣彈簧端部塑料球窩耐久后的斷裂失效問題，通常被歸類為零部件球窩的質(zhì)量問題，而忽略了從設(shè)計角度尋找問題發(fā)生的根源[3-4]。

本文從尾門氣彈簧的設(shè)計布置角度出發(fā)，運用CATIA DMU Kinematics模塊對尾門氣彈簧的布置進(jìn)行運動仿真模型搭建，分析了尾門氣彈簧球銷布置角度對氣彈簧球窩斷裂的影響。并通過CATIA DMU Kinematics模塊提出了一種尾門氣彈簧安裝球銷布置角度的設(shè)計設(shè)計方法，采用該方法對尾門氣彈簧進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，有效地解決了因氣彈簧安裝球銷方向布置不合理導(dǎo)致的球窩斷裂失效問題。

1、尾門氣彈簧開閉機(jī)構(gòu)分析

本文針對翻轉(zhuǎn)布置式氣彈簧進(jìn)行研究。在整車坐標(biāo)系下從Y方向來觀察尾門的開閉過程如圖1所示，氣彈簧尾門連接端處于以鉸鏈軸線為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動，氣彈簧車身連接端相對鉸鏈軸線固定不動，氣彈簧隨著尾門的開閉而伸縮。

如圖2所示，從車輛Z方向進(jìn)行觀察，在尾門關(guān)閉狀態(tài)下，由于車輛尾門造型的原因氣彈簧自身軸線與鉸鏈軸線存在夾角α（一般商用車α≤8°，乘用車α≤12°，過大的角度α?xí)?dǎo)致氣彈簧在尾門Y向分力過大，對尾門剛度不利），在尾門逐漸打開的過程中，該夾角逐漸增大至β，因此，在尾門開啟過程中，存在氣彈簧球窩繞球銷的空間旋轉(zhuǎn)來適應(yīng)氣彈簧軸線與鉸鏈軸線夾角的變化。

在氣彈簧端部球窩繞安裝球銷旋轉(zhuǎn)的過程中，若兩端球窩與球銷的空間嚙合角度無法適應(yīng)氣彈簧的空間旋轉(zhuǎn)角度，則會出現(xiàn)如圖3所示的情況，隨著尾門的開閉過程，氣彈簧球窩與球銷之間反復(fù)干涉受力，最終導(dǎo)致球窩磨損嚴(yán)重發(fā)生斷裂失效。

2、基于CATIA DMU的尾門氣彈簧運動仿真模型

2.1 尾門氣彈簧開閉系統(tǒng)數(shù)字模型建立

根據(jù)新開發(fā)車型中尾門鉸鏈軸線位置、尾門重量與重心等條件對尾門氣彈簧車身端與尾門端氣彈簧安裝點位置進(jìn)行定義，滿足尾門系統(tǒng)開啟力、關(guān)閉力以及平衡角度等要求，具體布置方式本文不再贅述。氣彈簧兩端安裝點定義完成后，在CATIA DMU Kinematics模塊中建立裝配體文件，并按照尾門各構(gòu)件的實際空間位置建立各構(gòu)件的位置約束，為下一步進(jìn)行運動仿真做準(zhǔn)備，裝配體建立完成后結(jié)構(gòu)樹如圖4所示。

2.2 尾門氣彈簧開閉系統(tǒng)運動副建立

在尾門開閉過程中，尾門以鉸鏈為軸線繞車身進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，氣彈簧缸筒通過球窩球銷之間的卡接嚙合與車身側(cè)圍連接，氣彈簧活塞通過球窩球銷卡接嚙合與尾門連接，理想的設(shè)計狀態(tài)下，氣彈簧缸筒與活塞之間應(yīng)只有軸向伸縮運動，而無繞軸旋轉(zhuǎn)運動，因為缸筒與活塞長期的繞軸旋轉(zhuǎn)運動會導(dǎo)致氣彈簧內(nèi)部密封導(dǎo)向構(gòu)件的磨損，影響氣彈簧的耐久性能。針對尾門氣彈簧開閉系統(tǒng)的運動狀態(tài)，對裝配體內(nèi)四個構(gòu)件建立圖5中所示四個位置的運動副，各運動副的詳細(xì)信息如表1所示。

表1 運動副詳細(xì)信息

運動副添加完成后，定義車身端鉸鏈為固定構(gòu)件，并添加Y1位置旋轉(zhuǎn)副為驅(qū)動條件，最大驅(qū)動角度調(diào)整為尾門的最大開啟角度，此時CATIA提示系統(tǒng)自由度DOF=0，至此，表示機(jī)構(gòu)的自由度完全被約束，CATIA自動彈出提示信息，機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行運行仿真。至此，尾門氣彈簧開閉系統(tǒng)運動仿真模型建立完成。

3、基于DMU運動仿真模型的氣彈簧球銷方向設(shè)計

尾門氣彈簧開閉系統(tǒng)運動仿真模型建立完成后，可在CATIA DMU Kinematics模塊中應(yīng)用相關(guān)工具進(jìn)行氣彈簧兩端球銷方向的設(shè)計布置。如圖6所示，先采用生成軌跡命令，對氣彈簧車身端球窩上一點生成整個運動過程的運動軌跡1，此軌跡即為該點在整個尾門開閉過程中的所有經(jīng)過位置，應(yīng)用平均通過點命令，對該軌跡生成圖6中所示的平面2，然后過氣彈簧車身端球窩安裝球心做出該平均平面2的法線3，直線3的方向即為球窩整個運動過程中的平均朝向，以此方向作為氣彈簧車身端球銷的理論設(shè)計方向，則在尾門的整個開閉過程中不會因球窩的旋轉(zhuǎn)與球銷發(fā)生干涉，從而避免球窩長期受力導(dǎo)致斷裂失效情況的出現(xiàn)。

4、基于DMU運動仿真模型的氣彈簧球銷方向校核

在車輛的實際開發(fā)過程中，由于布置空間以及生產(chǎn)工藝方面等因素的限制，以直線3作為球銷方向有時候無法實現(xiàn)，在這種情況下，可繞直線3進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)作為球銷的初步布置方向，然后對此布置方向進(jìn)行可行性校核。

在CATIA DMU Kinematics模塊中應(yīng)用生成包絡(luò)體命令，生成尾門開閉過程中氣彈簧的運動包絡(luò)如圖7所示，包絡(luò)生成后測量球銷與球窩包絡(luò)的空間最小距離，若最小距離大于0，則尾門整個開啟過程中球窩與球銷無干涉，此球銷方向可行。

也可以通過在CATIA DMU Kinematics模塊中先對球銷與球窩端面建立最小距離與區(qū)域分析，然后通過運動仿真輸出整個尾門開閉過程中球銷與球窩端面最小距離隨尾門開啟角度變化圖像如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)定義為尾門開啟角度，縱坐標(biāo)定義為球銷與球窩端面的最小距離，在CATIA DMU模塊中可直接點擊曲線上任意位置讀取橫縱坐標(biāo)數(shù)值。若整條曲線所有位置縱坐標(biāo)數(shù)值均大于0，則證明球銷布置方向可行。

5、結(jié)論

在新車型的開發(fā)過程中，工程師正確地應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計工具可有效地提高設(shè)計效率與設(shè)計準(zhǔn)確性。本文針對尾門氣彈簧開閉系統(tǒng)，應(yīng)用CATIA DMU Kinematics模塊對尾門氣彈簧開閉系統(tǒng)進(jìn)行了運動仿真模型的建立，提出了一種新的氣彈簧安裝球銷方向的設(shè)計方法，并應(yīng)用掃略包絡(luò)體命令以及距離與區(qū)域分析命令對球銷設(shè)計角度進(jìn)行了空間校核，應(yīng)用此方法可在設(shè)計階段高效準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計，對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，提高了尾門氣彈簧的設(shè)計效率與品質(zhì)，有效解決了因氣彈簧安裝球銷方向布置不合理導(dǎo)致的球窩斷裂失效問題。

[1] 周利民.后背門氣彈簧設(shè)計探析[J].汽車實用技術(shù)，2013（11）：70～71.

[2] 汪家利.后背門氣彈簧布置與撐力計算[J].汽車工程師.2010（7）：30～31.

[3] 蒲蕾.氣彈簧在汽車后背門上的優(yōu)化布置[J].汽車工程師.2016（2）：47～48.

[4] 段明德.基于CATIA運動仿真的氣彈簧安裝位置設(shè)計[J].機(jī)械與電子.2008(7):78～79.

Simulation and Design Optimization of Tail Gate Gas Spring Based on CATIA DMU

Li Chaoshuai, Fang Chao, Lin Sen, Yu Bo, Li Ruisheng
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

In order to solve the problem that the ball socket of the tail gate gas spring fractures caused by the unjustified direction of the ball pin of the tail gate gas spring, the theoretical analysis is made on the motion characteristics of the tail gate gas spring. The motion simulation of the tail gate gas spring is established by using the CATIA DMU Kinematics. A new design method of ball pin direction of the gas spring is presented. The design of ball pin is simulated by using the sweep order and the distance and the region analysis command. Finally the problem that the ball socket of the tail gate gas spring fracture caused by the unjustified direction of the ball pin is solved effectively.

CATIA DMU; Gas spring; Simulation; Design optimization

U462.1

A

1671-7988(2016)10-56-03

李超帥，（1989.7-)，男，工學(xué)碩士學(xué)位，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事車身附件設(shè)計工作。