某汽車雜物箱阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁慶欽 危學(xué)兵

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著生活水平和審美觀念的進(jìn)步，用戶對汽車內(nèi)飾的感知體驗(yàn)也上升到一個(gè)新高度，這就要求在內(nèi)飾零件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面要做到更精致精細(xì)，汽車雜物箱作為用戶放置隨車雜物的重要收納空間，與汽車儀表板相連接，用戶在汽車使用過程中使用的頻率比較高，雜物箱的使用體驗(yàn)直接影響到用戶對整車的滿意度。過去，設(shè)計(jì)師通常只會(huì)為雜物箱外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽略了對雜物箱開啟的阻尼進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致雜物箱開啟的速度快，感知質(zhì)量差。有阻尼器雜物箱能自由順暢地緩慢開啟，有檔次感。

各種阻尼器，包括拉繩式空氣阻尼、拉桿空氣阻尼、硅油阻尼、塑料簧片阻尼等，它們各有優(yōu)劣。雜物箱阻尼設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的因素有：裝配空間、阻尼力的大小、配合方式和布置空間等。

2 基本結(jié)構(gòu)

2.1 雜物箱

圖1為雜物箱在實(shí)車上的大致位置，其位于副駕駛前下側(cè)。雜物箱裝配在汽車儀表板內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸上，其運(yùn)動(dòng)方式主要是人們通過拉手或者按壓雜物箱蓋板上的開關(guān)來開啟雜物箱的鎖止機(jī)構(gòu)，雜物箱在本身重力的作用下圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在開啟到一定角度時(shí)通過帶緩沖功能的限位機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)。

圖1

2.2 阻尼器

2.2.1 阻尼器的定義

阻尼器，是以提供運(yùn)動(dòng)阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置稱為阻尼器。

2.2.2 阻尼器的工作原理

阻尼器通過內(nèi)部彈簧的拉伸或壓縮、空氣閥門氣流阻力來吸收運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能，減緩雜物箱開啟的速度，同時(shí)雜物箱關(guān)閉過程中受到的阻力很小。

2.2.3 常用阻尼器的分類

圖2為幾種常用在汽車雜物箱上的阻尼器。

（1）拉繩式空氣阻尼器

如圖3，4拉繩式空氣阻尼器的三維模型可知，其結(jié)構(gòu)原理是在雜物箱的箱體上布置一個(gè)卡扣，阻尼器由筒體，繩子，彈簧，底座等組成，將阻尼器本身的繩子與卡扣相連接，通過雜物箱的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)阻尼器繩子，從而帶動(dòng)彈簧壓縮，產(chǎn)生阻力，在底座活塞上的一個(gè)小孔，在活塞向上運(yùn)動(dòng)過程中氣體通過小孔進(jìn)入殼體內(nèi)部空間，從而產(chǎn)生第二種阻力，兩種阻力一起作用得到阻尼器的阻尼力。但是其阻力并非為兩者簡單相加，后面實(shí)驗(yàn)將進(jìn)行驗(yàn)證。拉繩可以向各個(gè)方向提供拉力，因此在結(jié)構(gòu)上相對于其他幾款阻尼器給布置阻尼器提供了更大的可選擇的空間范圍，即具有對裝配空間限制小，同時(shí)它也具備感知質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，有利于達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

圖3

圖4

（2）拉桿空氣阻尼器

拉桿空氣阻尼主要是由殼體和拉桿組成，在筒體下端設(shè)置有一個(gè)小孔，在拉動(dòng)拉桿時(shí)筒體內(nèi)形成真空，在大氣壓作用下，空氣通過筒體下部的小孔進(jìn)入到筒體內(nèi)，從而在過程中進(jìn)氣阻力轉(zhuǎn)化為阻尼器的阻尼力，在回復(fù)過程中通過大出氣閥門將空氣排除，缺點(diǎn)就是由于拉桿軸心必須與雜物箱側(cè)面在同一平面內(nèi)，同時(shí)行程短，受空間限制。

（3）硅油阻尼器

硅油阻尼器產(chǎn)生阻尼力的主要原理是物體接觸了阻尼油旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩，阻值的大小由阻尼油的粘度，接觸面積決定。粘度高，接觸面積大，產(chǎn)品阻尼力變大；反之，粘度小，接觸面積小，阻值就變小。

還有許多類似的阻尼器，在這里就不一一列舉，主要的幾個(gè)阻尼器優(yōu)缺點(diǎn)表1可供參考。

鑒于拉繩式空氣阻尼器的眾多優(yōu)點(diǎn)，本文選用拉繩式空氣阻尼器進(jìn)行研究。

3 雜物箱數(shù)模結(jié)構(gòu)分析

3.1 重力及質(zhì)心位置

經(jīng)過進(jìn)行三維建模即數(shù)據(jù)的分析，得到 轉(zhuǎn) 軸 位 置 為（X，Y，Z）=（1434.4，557.2，755.8），方向（X，Y，Z）=（0.0，-1.0，-0.0）即與y軸平行。經(jīng)過賦予雜物箱密度，其中箱體密度為0.68g/cm ，外蓋密度0.33g/cm ，把手密度為1.44g/cm3，其余材質(zhì)采用PP-T20等，其密度為1.05g/cm 。經(jīng)過測算雜物箱整體質(zhì)量為1.173 kg，即重量11.528 N，質(zhì)心位置Xcbar，Ycbar，Zcbar=1507.6，399.4，847.5。

表1

3.2 開啟角度

雜物箱鎖止機(jī)構(gòu)起始點(diǎn)位置：（X，Y，Z）=（1425.5，574.5，904.6），Direction： （X，Y，Z）=（-0.0，1.0，-0.0），即與y軸平行，終止點(diǎn)位置：（X，Y，Z）=（1526.0，598.8，888.9），方向：（X，Y，Z）=（0.0， -1.0，0.0），經(jīng)過換算可得其圍繞轉(zhuǎn)軸所轉(zhuǎn)過的角度為38.4°，可知雜物箱開啟角度為38.4°。

3.3 簡化模型

換算可得雜物箱質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸在XZ平面內(nèi)的相對坐標(biāo)為（73.1，91.6），可以以轉(zhuǎn)軸中心為圓心，直徑為234.9mm如圖5所示。

將模型簡化，繪制XZ平面草圖，得到以轉(zhuǎn)軸中心為原點(diǎn)，質(zhì)心的初始位置，終止位置以及運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。

3.4 雜物箱慣性矩分析

在轉(zhuǎn)軸中心建立如圖所示的工作坐標(biāo)系wcs，經(jīng)過測量體命令分析，得到雜物箱慣性矩（wcs）為（76077.9，26398.5，71067.4），其中繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即慣性矩J=71067.4kg.mm2。

3.5 對純重力狀態(tài)下雜物箱運(yùn)動(dòng)分析

設(shè)初始速度V0=0，轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)為α

可知 V對時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)為a ，所以V為a的一階原函數(shù)

當(dāng)α=38.4°時(shí)，得到t=0.52s，顯然雜物箱開啟過快，不符合設(shè)計(jì)初衷。

3.6 重力力矩計(jì)算

通過代入重力及其力臂進(jìn)行計(jì)算，對其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行20等分，利用excel進(jìn)行繪制表格得到表2。

通過繪制曲線圖可以更加直觀地看到旋轉(zhuǎn)力矩的變化情況，如圖7所示。

通過圖表的分析，可以看到重力使雜物箱產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩在逐步上升。

圖5

圖6

表2

圖7

4 拉繩式空氣阻尼器

4.1 阻尼器本身數(shù)據(jù)

4.1.1 外部尺寸

經(jīng)過實(shí)際測量與UG建模，拉繩式空氣阻尼器外部尺寸為Φ16*20*129 ，安裝方式繩子掛鉤+螺釘，極限行程90mm。

4.1.2 彈簧規(guī)格

內(nèi)徑13mm，外徑15mm，鋼絲直徑1mm，自由高度140mm，圈數(shù) 22，初始壓縮高度36mm，壓縮后初始狀態(tài)高度104mm。

4.2 彈簧勁度系數(shù)

為了更好的測量阻尼器本身的阻尼特性，將阻尼器內(nèi)部彈簧取出，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，由自由狀態(tài)開始壓縮，分別測量壓縮行程為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm時(shí)的壓縮力如何。

將表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析擬合得到圖 8，9。

其中R-Square代表數(shù)據(jù)與擬合曲線的相關(guān)性，數(shù)據(jù)越接近于1代表相關(guān)性越好

這里其數(shù)值為0.99681，代表著相關(guān)性較好，從表中可以看到直線斜率即彈簧勁度系數(shù)為0.089N/mm。

4.3 純空氣阻尼力

再對純空氣阻尼力進(jìn)行試驗(yàn)測試，去內(nèi)部彈簧，進(jìn)行勻速拉伸試驗(yàn)，分別控制速度為15mm/s， 20mm/s， 25mm/s進(jìn)行5次試驗(yàn)，得到行程為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm時(shí)的拉力，記錄數(shù)據(jù)。

圖8

圖9

將其用origin進(jìn)行擬合得到圖11，12。

進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)的主要目的是為了探究速度和行程對純空氣阻尼力的大小的影響，影響空氣阻尼力的大小還包括氣孔的大小等，目前市面上有大，中，小氣孔三種規(guī)格可供選擇，在選用時(shí)需要加以考慮。

4.4 阻尼器阻尼特性

加上彈簧，再次對完整的阻尼器進(jìn)行阻尼特性研究。

繪制散點(diǎn)圖如圖14。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到圖15，16。

在相同速度下散點(diǎn)程直線的相關(guān)性并不是很好，因此進(jìn)行二次擬合，如圖17，18。

表3

表4

圖10

圖11

圖12

圖13

相較于一次擬合，無論從曲線本身還是數(shù)據(jù)來看，二次擬合都更加符合原有數(shù)據(jù)的變化趨勢，因此認(rèn)為二次擬合結(jié)果較為準(zhǔn)確，且從圖3-11中看到二次函數(shù)系數(shù)中，B，C相差不大，而A的數(shù)值相差較大。

認(rèn)為其阻尼力在某速度下與行程的關(guān)系式F=-0.0015S2+0.2S+A，對A的數(shù)值進(jìn)行分析得到A與速度的關(guān)系程一次線性關(guān)系，A=0.246V+0.647。

4.5 最小初始拉力

產(chǎn)品本身為拉繩連接，為防止在雜物箱關(guān)閉狀態(tài)時(shí)拉繩脫落而設(shè)定了預(yù)緊力，預(yù)緊力能夠使雜物箱在初始開啟位置時(shí)力矩減小，使其開啟平緩。預(yù)緊力比初始最小拉力大。

表5

即初始拉力需大于5.4N。

同時(shí)為了裝配方便，要求在雜物箱開啟到最大角度時(shí)拉繩阻尼器還未達(dá)到極限行程，預(yù)留10mm的安全行程，即在實(shí)際使用過程中，阻尼器的開啟位置需在18-80mm之內(nèi)。

預(yù)設(shè)初始預(yù)拉18mm，結(jié)合原有拉繩長度，經(jīng)過測量，得到阻尼中心到連接點(diǎn)的初始長度為60mm。

圖14

圖15

圖16

圖17

圖18

5 雜物箱掛繩點(diǎn)的范圍及要求

在雜物箱側(cè)面掛繩點(diǎn)，首先在三維模型中測出其可進(jìn)行設(shè)立連接點(diǎn)的范圍，如圖4-1所示，O點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸中心以轉(zhuǎn)軸中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，四點(diǎn)坐標(biāo)分別為A（92，110），B（-11，130），C（-15，36），D（33，8）。為了讓雜物箱盡可能的美觀，即在使用過程中看不見運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，盡量使連接點(diǎn)往X軸負(fù)方向移動(dòng)，即靠近BC線。同時(shí)考慮到雜物箱的注塑成型工藝，越接近BC線越有利于其工藝要求。

圖19

表6

阻尼力矩在運(yùn)動(dòng)過程中不斷增大，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇卡扣運(yùn)動(dòng)到中間點(diǎn)時(shí)的力矩進(jìn)行計(jì)算。中間點(diǎn)的重力旋轉(zhuǎn)力矩為1120.522N.mm，重力較大，阻尼力較小，且重力力臂較大，所以盡可能將拉繩與卡扣旋轉(zhuǎn)軌跡程相切角度，在更大限度地提供阻尼力矩情況下減小力臂。

6 掛繩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析及計(jì)算

布置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，保持鉸鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)扭矩一定要小于驅(qū)動(dòng)扭矩，保持一定的裕度，確保驅(qū)動(dòng)力是足夠的。初始連接阻尼器的位置，需要保證滿足阻尼器初始開啟位置，以確保安裝方便。[1]

預(yù)設(shè)配合點(diǎn)的位置為B點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)中心為O點(diǎn)，當(dāng)雜物箱轉(zhuǎn)動(dòng)38.4°時(shí)，B點(diǎn)位移到B’點(diǎn)，阻尼中心A點(diǎn)位于OBB’平面內(nèi)。OH垂直于AB，為雜物箱剛開啟時(shí)阻尼力臂L1，OH’垂直于AB’，為雜物箱開啟完成時(shí)阻尼力臂L2，如圖20所示。

假設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)半徑為R，以旋轉(zhuǎn)中心為圓心畫圓，如圖21。

從圖21中看到當(dāng)半徑增大時(shí)，其角度減小地越慢，相應(yīng)的力臂也減小得越慢。但是相應(yīng)的其行程也會(huì)增大。

通過假設(shè)分析，當(dāng)半徑為100mm時(shí)，其行程為18-82mm，超出了預(yù)設(shè)的18-80mm的范圍，不利于裝配和拆卸，因此初選半徑應(yīng)盡量小于100mm。

由圖24可知，中點(diǎn)行程與半徑關(guān)系為S=0.33R+17.93，最終行程與半徑關(guān)系為S=0.65R+17.35

以上分析得到阻力關(guān)系為F=-0.0015S2+0.2S+A，A=0.246V+0.647

在整個(gè)過程中需要控制速度變化不大，因此在這里假設(shè)中點(diǎn)速度為平均速度， 弧 長 L=弧 度 *半 徑=（38.4/180）*3.14*R=0.67Rmm，時(shí)間t=2.5S，速度V=0.268Rmm/s

即F=-0.0015S2+0.2S+0.246*0.26 8R+0.647

=-0.0015*（0.65R+17.35）2+0.2*（0.65R+17.35）+0.066R+0.647

=-0.0 0 1 5*（0.6 5 R+1 7.3 5）2+0.196R+4.117

在經(jīng)過類似方法測量和加以分析后的得到在中點(diǎn)的角度為α=0.027R+71.573

即中點(diǎn)力矩M=FR*SINα。

后者變化實(shí)在小，在這里近似以α=73°帶入，M=中點(diǎn)重力力矩=1120.522N.mm，解得R=86.5mm。

綜合以上分析，設(shè)定卡扣位置在離旋轉(zhuǎn)中心86.5mm，離阻尼中心60mm位置。初始角度為90°，此結(jié)果只是一個(gè)理論上的參考位置，其結(jié)果并不唯一。

7 實(shí)物驗(yàn)證及分析結(jié)論

基于上述理論分析，對設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)物的校驗(yàn)，以檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的合理性。將掛鉤設(shè)置在與轉(zhuǎn)軸中心距離86.5mm。與阻尼中心距離60mm的位置，兩者夾角為90度。

若將阻尼器橫置即與Y軸平行更有利于其運(yùn)動(dòng)。

為了更好的驗(yàn)證理論分析的合理性，做一個(gè)對比試驗(yàn)，即改變初始角度，位置一為成鈍角狀態(tài)，位置二將阻尼器下降即使其角度更加接近90度，通過實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

圖20

圖21

表7

圖22

圖23

當(dāng)角度大時(shí)，開啟速度過快，且在初始階段出現(xiàn)迅速下降的情況，不符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，當(dāng)角度更加接近90度時(shí)，開啟速度明顯變慢，且程大致勻速狀態(tài)，在校驗(yàn)時(shí)間，得到其開啟時(shí)間在2-3秒之間，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。