基于UG NX的車門限位器拉桿設(shè)計研究

劉晶,陳文華

上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007

0 引言

車門限位器是車門系統(tǒng)中一個重要的組成部分，對車門開關(guān)的舒適性和駕乘人員出入車輛方便性起到重要作用。

目前市場上的車門限位器有拉桿式、扭桿式和彈簧式3種。拉桿式限位器成本低廉、占用空間小、結(jié)構(gòu)簡單可靠，但對鈑金強度要求較高，目前市場占有量最大，是最常見的車門限位器結(jié)構(gòu);扭桿式限位器噪聲低、壽命長、限位效果好，由于該結(jié)構(gòu)涉及專利，成本較高，在中低端市場占比較小;彈簧式限位器相比前兩種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)占用空間在兩者之間，能提供的扭矩較小，沒有突出的性能表現(xiàn)，在現(xiàn)有市場中該結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍較窄。

對于拉桿式限位器來說，拉桿能給車門限位器提供開門擋位、車門角度定位，對開門舒適性起著關(guān)鍵性作用，是限位器的核心元件。

1 車門限位器拉桿的介紹

常用車門限位器結(jié)構(gòu)如圖1所示。限位器拉桿通過安裝支架安裝于汽車側(cè)圍鈑金焊接總成上，是限位器運動機構(gòu)中的支架;銷軸是連接安裝支架和限位器拉桿的元件，構(gòu)成鉸鏈連接;限位器盒安裝在車門上，通過彈簧頂針結(jié)構(gòu)對限位拉桿凹槽進行夾緊，起定位限距的作用;緩沖墊是限位器的超程保護結(jié)構(gòu)。

圖1 常用車門限位器結(jié)構(gòu)

在車門開關(guān)過程中，限位器的安裝支架不動，限位器拉桿沿銷軸軸線轉(zhuǎn)動，限位器盒會跟隨車門沿車門鉸鏈軸線轉(zhuǎn)動同時沿限位器拉桿切向方向上運動，如圖2所示。由于限位器盒和限位器拉桿不共用旋轉(zhuǎn)軸線，車門打開一個角度后，限位器盒的彈簧頂針線中點與銷軸的連線與其對稱中心線夾角會變，如圖 3所示。因為限位盒和限位器拉桿構(gòu)成移動副，限位器盒沿限位器拉桿做切向運動，為了使開關(guān)門舒適可靠，限位器拉桿的切線與彈簧頂針法向必須保持一致，所以限位器拉桿的曲線為一條復(fù)雜的復(fù)合曲線。

圖2 限位器開門模擬示意

圖3 限位器盒開門分析

2 限位器拉桿的設(shè)計

本文的設(shè)計分為兩個階段進行，首先創(chuàng)建拉桿曲線，然后根據(jù)設(shè)計參數(shù)進行數(shù)模自動創(chuàng)建，得到限位器拉桿實體。

2.1 限位器拉桿曲線計算

在開關(guān)門的過程中，限位器拉桿的切線與彈簧頂針法向保持一致，即限位器拉桿曲線是由無數(shù)條彈簧頂針法線連接而成的，文中基于這個原理對拉桿曲線進行設(shè)計。

由以上原理可得，給定車門的開門角度和分步擬合的步距Δ，以鉸鏈軸線在運動平面上的投影點為旋轉(zhuǎn)中心點，以擬合的步距為旋轉(zhuǎn)角度將限位盒頂針軸線進行旋轉(zhuǎn)，得到限位盒頂針軸線位置。重復(fù)以上步驟，獲得開門角度范圍內(nèi)所有的限位器盒頂針軸線，如圖 4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)限位器盒頂針軸線示意

以銷軸在運動平面上的投影點為圓心，在運動平面上過限位器盒頂針的中點做圓，獲得所有在運動平面上通過限位器盒頂針線中點的圓，如圖 5所示。

圖5 在運動平面上過限位器盒頂針中點的圓

對限位器盒頂針線作垂直平分線，使該垂直平分線兩端點分別落在通過當(dāng)前限位器盒頂針線中點和下一個限位器盒頂針軸線中點的圓上。重復(fù)以上步驟，做出所有的垂直平分線，如圖6所示。

圖6 限位器盒頂針軸線的垂直平分線

分別使用直線將垂直平分線的端點與銷軸軸線在運動平面上的投影點連接，如圖7所示。

圖7 連接垂直平分線的端點和銷軸軸線在運動平面上的投影點

拉桿曲線創(chuàng)建過程如圖8所示。

圖8 拉桿曲線創(chuàng)建過程

由圖8可知，以兩條垂直平分線相鄰直線的夾角為旋轉(zhuǎn)角度，以銷軸軸線在運動平面上的投影點為旋轉(zhuǎn)中心，將垂直平分線旋轉(zhuǎn)，使其首尾相連，獲得拉桿曲線。

采用樣條線將首尾相連的直線擬合為一條光順的曲線，該曲線可近似看成拉桿曲線，通過調(diào)節(jié)分步擬合的步距，使擬合出來的拉桿曲線的誤差在公差范圍之內(nèi)，此時獲取的拉桿曲線就是工程中所求的拉桿曲線。

2.2 拉桿金屬鑲件設(shè)計

將拉桿曲線沿限位器銷軸軸向?qū)ΨQ拉伸半個拉桿厚度，沿拉伸的法向?qū)ΨQ偏置半個拉桿寬度，獲得限位器拉桿的主體。拉伸限位主體的根部到銷軸在運動平面上的投影點，拉伸拉桿銷軸位置的加強環(huán)，并對其進行打孔，導(dǎo)入緩沖結(jié)構(gòu)，獲得如圖9所示的限位器拉桿金屬鑲件。

圖9 限位器拉桿金屬鑲件

2.3 限位器拉桿塑料殼創(chuàng)建

2.3.1 限位器卡口設(shè)計

限位器拉桿的卡口是限位器拉桿的限位定距結(jié)構(gòu)，能給車門提供開啟角度定位功能。車門開關(guān)門時手感的輕重、順暢，是對開關(guān)門的第一感覺，最大操作力和最小操作力所表現(xiàn)的手感是評價車門的重要標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計車門限位器時，需要考慮開關(guān)門的操作力、限位器的擋位、車門自重產(chǎn)生的力矩、車門鉸鏈軸線的傾角、限位器安裝點到車門鉸鏈軸線的距離、泊車斜坡時車門的限位功能、限位器的摩擦力和預(yù)緊力等。

三擋限位器拉桿在拉桿曲線上的截面如圖10所示，圖中的限位器盒是車門關(guān)門的位置，限位器拉桿安裝支架側(cè)的端部尺寸與安裝支架的結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)安裝支架的尺寸而定。與限位器盒開孔大小有關(guān)，為限位器盒孔的高度減去兩個配合間隙。的大小與、限位器需要的彈簧彈力、拉桿強度有關(guān)。為了保證限位器定位的可靠性，彈簧頂針會有一個傾斜角，拉桿一擋位置的初始坡角與彈簧頂針的傾斜角有關(guān)。為了保證車門閉合時能與門框貼合，限位器有一定的預(yù)緊力，和限位器的預(yù)緊力有關(guān)。拉桿卡口每個擋位都有兩斜角，和是限位器拉桿的一擋卡口，和是限位器拉桿的二擋卡口，和是限位器拉桿的三擋卡口，大小與限位力有關(guān)。為車門最大開門角度下限位器盒相對拉桿的位移，、和分別為在拉桿曲線上限位器拉桿3個擋位限位器盒相對拉桿的位移量，與預(yù)設(shè)的開門角度有關(guān)。

圖10 三擋限位器拉桿在拉桿曲線上的截面

目前，市場上的限位器拉桿主要有兩種，一種是金屬件，另一種是含金屬鑲件的塑料件，本文是對含金屬鑲件的塑料拉桿進行設(shè)計。為了滿足限位器的開關(guān)門過載試驗，限位器拉桿金屬鑲件一般采用厚度為3 mm的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，塑料材料為尼龍PA66材料，其中金屬鑲件主要起支撐作用，塑料外殼主要用于設(shè)計卡口結(jié)構(gòu)。

2.3.2 限位器卡口計算

在拉桿曲線上限位器拉桿3個擋位限位器盒相對拉桿的位移量可以利用作圖法求出。將限位盒頂針軸線沿鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)開門角度，以銷軸在運動平面上的投影點為圓心，在運動平面上過限位器盒頂針軸線的中點作圓，獲得所有在運動平面上通過限位器盒頂針線中點的圓，圓與拉桿曲線交于一點，拉桿曲線上點到點的弧長，如圖 11所示。

圖11 開門角度為β時限位器盒相對拉桿的位移量

根據(jù)受力關(guān)系，利用力矩平衡得：

=++2

(1)

式中：為門把手到鉸鏈的距離;

為操作力;

為限位器力矩;

為車門自關(guān)力矩;

為鉸鏈轉(zhuǎn)動阻力矩。

限位器力矩：

=2

(2)

式中：為限位器力;

為限位器銷軸到車門鉸鏈軸線的距離。

限位器力：

=Δ(+sin)(cos)

(3)

式中：為彈簧彈力系數(shù);

Δ為限位器彈簧的壓縮量;

為摩擦因數(shù);

為限位器拉桿卡口斜角。

車門自關(guān)力矩：

=sin(-)+cos(-)

(4)

式中：、分別為車門重力在車門開啟平面的分力;

為車門重心到鉸鏈軸線的距離;

為開門角度;

為車門閉合時重心到鉸鏈軸線的垂線與汽車坐標(biāo)系平面的夾角。

車門重力在車門開啟平面的分力：

(5)

式中：為車門自重;

為車門鉸鏈內(nèi)傾角;

為車門鉸鏈后傾角;

為駐坡角度;

為輪距;

為左右輪中心高度差。

車門重力在車門開啟平面的分力：

(6)

將以上公式和表1的設(shè)計參數(shù)輸入UG NX公式編輯器中。

表1 設(shè)計參數(shù)

利用UG NX的公式編輯器計算限位器拉桿卡口斜角，結(jié)果見表2。

表2 限位器拉桿卡口斜角計算結(jié)果

2.3.3 拉桿塑料殼體創(chuàng)建

輸入卡口斜角、弧長和拉桿厚度的設(shè)計參數(shù)，根據(jù)輸入的設(shè)計參數(shù)，拉伸出如圖12所示的卡口輪廓體。

圖12 卡口輪廓體

將拉桿曲線沿鉸鏈軸線對稱拉伸/2偏置半個拉桿寬度得到拉桿塑料殼體，將卡口輪廓體按曲線整體變形到拉桿曲線上，如圖13所示。

圖13 拉桿塑料殼體及卡口輪廓體

利用卡口輪廓體修剪拉桿塑料殼體，創(chuàng)建拉桿塑料殼體的卡口，得到如圖14所示的殼體。

圖14 拉桿塑料殼體創(chuàng)建

對拉桿塑料殼體進行倒角處理，調(diào)入拉桿塑料殼體兩端的結(jié)構(gòu)并求和，利用求和后的殼體與拉桿金屬鑲件求差，獲得如圖15所示的拉桿塑料殼。

圖15 拉桿塑料殼

3 包絡(luò)分析

在開門時，拉桿繞著銷軸轉(zhuǎn)動和相對限位器盒移動，設(shè)計車門限位器時，除了要考慮限位器的尺寸，還需要考慮工具空間和拉桿的運動空間，限位器的尺寸、工具空間與選用的安裝設(shè)備有關(guān)，設(shè)計中拉桿的運動空間使用包絡(luò)分析進行計算，計算過程如下。

將拉桿曲線和拉桿的對象沿車門鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)一個開門角度并移除體上的小面，如圖16所示。

圖16 開門角度為β時的銷軸位置

以拉桿曲線限位器銷軸側(cè)的端點為圓心作為過限位器盒頂針線中點在運動平面上畫圓，連接圓心和圓與拉桿曲線的交點、圓心和限位器盒頂針線中點，獲得兩直線的夾角，是限位器拉桿在開門角度為時的旋轉(zhuǎn)角，如圖17所示。

圖17 限位器拉桿在開門角度為β時的旋轉(zhuǎn)角

將拉桿沿拉桿曲線限位器銷軸軸線旋轉(zhuǎn)，獲得在開門角度為時的限位器拉桿的位置如圖18所示。

圖18 開門角度為β時的限位器拉桿的位置

通過給定一個開門角度的步距，重復(fù)以上步驟，獲得拉桿在各個開門角度的位置，求得拉桿掃過的區(qū)域。如圖19所示，該區(qū)域為包絡(luò)分析的結(jié)果，通過調(diào)整開門角度的步距大小控制包絡(luò)分析精度。

圖19 包絡(luò)分析結(jié)果

4 NX二次開發(fā)

基于C++語言和NXOpen++函數(shù)庫，將以上限位器的設(shè)計算法固化到代碼中，程序流程如圖20所示，輸入限位器相關(guān)的設(shè)計參數(shù)，利用計算機計算得到拉桿的關(guān)鍵尺寸，然后進行自動建模。

圖20 程序流程

根據(jù)以上的設(shè)計思路，可以利用3個輔助設(shè)計工具來完成限位器的自動建模，創(chuàng)建初版數(shù)模。根據(jù)需求，搭建NX二次開發(fā)工具的工程，創(chuàng)建Application、Data、Startup和Template文件，將工具的路徑掛到Custom_dirs文件中，編輯Menu文件，創(chuàng)建并修改菜單及下拉菜單。利用NX自帶的UI編輯器分別做出其UI界面如圖21至圖23所示，將限位器的設(shè)計過程固化到代碼中，實現(xiàn)限位器的自動建模。

圖21 限位器拉桿金屬鑲件輔助設(shè)計工具UI界面

圖22 限位器拉桿塑料殼輔助設(shè)計工具UI界面

圖23 限位器拉桿包絡(luò)分析工具UI界面

限位器拉桿經(jīng)過多代的設(shè)計優(yōu)化，限位器拉桿的創(chuàng)建算法已經(jīng)固定，但限位器拉桿的緩沖墊和接頭結(jié)構(gòu)一般需要和汽車車型對應(yīng)，同一車型的限位器其接頭結(jié)構(gòu)和尺寸相同，為降低設(shè)計成本、節(jié)約時間、降低風(fēng)險，限位器兩端一般為重用結(jié)構(gòu)，將其固化到重用庫中，可以通過車型直接調(diào)用。利用重用庫技術(shù)能使工具的靈活性得到提高，后期車型遇到結(jié)構(gòu)差異較大的限位器拉桿接頭時可以通過修改重用庫來提高工具的適應(yīng)性。

5 結(jié)束語

本文的設(shè)計方法基于UG NX平臺，將限位器拉桿的設(shè)計和校核都在3D數(shù)據(jù)上進行，并開發(fā)出了自動化程序，實現(xiàn)了限位器拉桿設(shè)計和作圖一體化、建模自動化，使得限位器設(shè)計效率和質(zhì)量都有大幅提高。該設(shè)計方法使用比較直觀的三維數(shù)據(jù)代替抽象的文本數(shù)據(jù)，設(shè)計過程中有3D模型預(yù)覽的功能，使得設(shè)計過程更直觀。