皮卡車貨箱門開閉機(jī)構(gòu)氣壓撐桿設(shè)計

張志陽，龔青山，曹占龍，郭慶賀，任愛華

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北十堰 442002）

貨箱門的可靠性和開閉過程中的舒適性對開閉機(jī)構(gòu)提出了高要求，貨箱門開閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究成為學(xué)者關(guān)注的對象。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，張淑坤等［1］以某車型為例，從人機(jī)工程、乘員保護(hù)、撐桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣溫變化對撐桿支撐力的影響以及撐桿布置方式對背門的影響等方面進(jìn)行研究，解決了背門關(guān)閉力過大、背門開閉性不良、背門下垂等問題。優(yōu)化設(shè)計方面，劉豪等［2］以幾個構(gòu)件的材料厚度為設(shè)計變量，采用最優(yōu)拉丁方試驗設(shè)計方法獲得樣本數(shù)據(jù)，并用響應(yīng)面法構(gòu)建近似模型，利用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行多學(xué)科并行優(yōu)化，在保證背門質(zhì)量不增加的情況下，顯著提高了背門的1 階固有頻率。白中浩等［3］針對國內(nèi)SUV 車型背門下垂的問題，設(shè)計了新型的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。汪祥等［4］利用集成優(yōu)化設(shè)計方法對汽車尾門氣彈簧系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，使得汽車尾門系統(tǒng)操作性能在滿足客戶需求的前提下氣彈簧支撐力最小。顧華朋等［5］從后背門安裝點(diǎn)處截面、搭接結(jié)構(gòu)、料厚等多方面對后背門鉸鏈安裝點(diǎn)靜剛度不足的原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)行多方面優(yōu)化。王伯坤等［6］采用正向設(shè)計的方法對汽車電動尾門撐桿進(jìn)行了布置和力學(xué)計算。仇維蓉等［7］通過分析各參數(shù)對發(fā)動機(jī)罩開啟力的影響，并從中選擇開啟力滿足人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計方案。朱鑫等［8］對行李箱蓋鉸鏈桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后鉸鏈桿的強(qiáng)度基本不變，剛度提高了22.7%。近年來學(xué)者對汽車開閉機(jī)構(gòu)的研究主要集中在上翻型的后背門或者發(fā)動機(jī)罩上，大多對機(jī)構(gòu)中某部件如背門、撐桿等單獨(dú)研究，將理論計算、設(shè)計及仿真分析結(jié)合起來對下翻型貨箱門開閉機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行研究則相對較少。皮卡車貨箱門上面裝配氣壓撐桿的不多，文中為了使貨箱門的開閉過程更加省力，針對某款皮卡車的下翻型貨箱門，設(shè)計其開閉機(jī)構(gòu)用氣壓撐桿并進(jìn)行力學(xué)計算及仿真分析。

1 氣壓撐桿受力計算

氣壓撐桿，也叫氣彈簧，一般由缸筒、活塞、活塞桿、液壓油等組成，利用密閉在壓力缸的高壓惰性氣體（一般為氮?dú)猓┗蛘哂蜌饣旌衔?，使腔體內(nèi)的壓力遠(yuǎn)大于大氣壓，然后利用伸縮桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產(chǎn)生壓力差來實(shí)現(xiàn)氣壓撐桿拉伸和壓縮運(yùn)動，結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣壓撐桿分為拉伸式和壓縮式2種類型，拉伸式氣壓撐桿原始狀態(tài)為壓縮狀態(tài)，壓縮式氣壓撐桿原始狀態(tài)為拉伸狀態(tài)，裝配在汽車上面的多為拉伸式氣壓撐桿。將氣壓撐桿裝配到皮卡車貨箱門和車身上后，相比于傳統(tǒng)的不帶氣壓撐桿的貨箱門，可以達(dá)到開閉過程中更省力的目的。

圖1 氣壓撐桿結(jié)構(gòu)圖

氣壓撐桿主要起輔助作用。普通壓縮氣壓撐桿開啟輔助力為45 N 左右，拉伸類氣壓撐桿常態(tài)為收縮狀態(tài)，將氣壓撐桿開啟力設(shè)計為60 N左右；參考以往設(shè)計經(jīng)驗［9］，將關(guān)閉輔助力設(shè)計為160 N。由于拉簧作用，貨箱門在關(guān)閉狀態(tài)時門的重力不足以保持關(guān)閉狀態(tài)，因此需要有額外的機(jī)構(gòu)鎖緊，防止貨箱門自由開啟。鎖緊機(jī)構(gòu)施加的力矩小于開啟貨箱門所施加的力矩，不參與設(shè)計計算。貨箱門從完全關(guān)閉到開啟再到開到最大，分為3個不同的狀態(tài)。完全關(guān)閉狀態(tài)施加的開門外力為開啟力，完全開啟狀態(tài)施加的關(guān)門外力為關(guān)閉力。

1.1 貨箱門關(guān)閉狀態(tài)

貨箱門的輸入?yún)?shù)如表1 所示。貨箱門開啟過程輔助開啟力矩大于氣壓撐桿拉伸力矩。根據(jù)汽車三維坐標(biāo)系的定義，將貨箱門開閉機(jī)構(gòu)投影到XZ平面，貨箱門開啟瞬時的機(jī)構(gòu)簡圖見圖2a。

圖2 貨箱門開閉狀態(tài)示意圖

表1 貨箱門輸入?yún)?shù)

以點(diǎn)A分析貨箱門開啟過程中受力狀況，得到

式中：F1為氣壓撐桿拉伸力；Fw1為開啟輔助力，取60 N；G為貨箱門重力，取324.87 N；Lw為開閉輔助力臂，取473 mm；Lg為重力臂，取33.34 mm；L1為氣壓撐桿拉伸力臂，取49.48 mm。計算得出F1為344.16 N。由于有2根關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對稱的氣壓撐桿，所以單根氣壓撐桿的拉伸力為172.08 N。

1.2 貨箱門平衡狀態(tài)

由于氣壓撐桿內(nèi)阻的存在，貨箱門在10°～13°基本處于平衡狀態(tài)，向2個方向（開啟或關(guān)閉）運(yùn)動都需要輔助外力。超過13°貨箱門可以自由下落。

1.3 貨箱門開啟狀態(tài)

貨箱門由關(guān)閉狀態(tài)到完全開啟翻轉(zhuǎn)角度為90°，關(guān)閉瞬時的機(jī)構(gòu)簡圖如圖2b 所示。以點(diǎn)A分析貨箱門關(guān)閉過程中的受力狀況。

式中：F2為氣壓撐桿收縮力；Fw2為關(guān)閉輔助力，取160 N；L2為氣壓撐桿收縮力臂，取104.43 mm；Lg取310 mm。計算得出F2為240.53 N。單根氣壓撐桿的收縮力為120.27 N。

2 氣壓撐桿設(shè)計及運(yùn)動分析

以鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計用于連接車身和貨箱門的運(yùn)動構(gòu)件氣壓撐桿，并檢驗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，驗證氣壓撐桿的長度是否滿足要求以及運(yùn)動過程中氣壓撐桿是否與其他零部件發(fā)生干涉。

2.1 氣壓撐桿設(shè)計及選型

氣壓撐桿的上下安裝點(diǎn)位置以及行程通過輸入?yún)?shù)得出，通過數(shù)模測量氣壓撐桿伸長及收縮時的長度，得到氣壓撐桿的工作行程。氣壓撐桿的收縮狀態(tài)長度為320.169 mm，取320 mm；伸長狀態(tài)長度為390.107 mm，取390 mm；工作行程為70 mm。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，氣壓撐桿長度L應(yīng)滿足：

式中：Lmin為氣壓撐桿的最小長度（收縮狀態(tài)長度）；S為氣壓撐桿的工作行程。Lmin的定義主要考慮活塞的尺寸及預(yù)留出油氣混合物的空間，保證氣壓撐桿能夠正常伸縮。

根據(jù)背門氣撐桿布置規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［10］，取缸筒直徑為22 mm，活塞桿直徑為10 mm。活塞桿端接頭為單片式，缸筒端接頭為球鉸式，最小伸展力為250 N，型號為LQ10/22-70-390（O-B）250。

2.2 貨箱門開閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

將位于車身和貨箱門上的4 個鉸接點(diǎn)處設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，外缸筒和伸縮桿之間設(shè)置移動副，模擬貨箱門從關(guān)閉到完全打開的運(yùn)動過程。運(yùn)用CA?TIA 中的DMU 運(yùn)動仿真模塊檢驗氣壓撐桿運(yùn)動過程中是否出現(xiàn)與周圍零部件的干涉現(xiàn)象，貨箱門開啟過程如圖3 所示。觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程，使用CATIA 的測量工具測得氣壓撐桿與周圍零部件的最小間距為8.6 mm，氣壓撐桿運(yùn)動過程中沒有出現(xiàn)與周圍零部件的干涉現(xiàn)象。

圖3 貨箱門開啟過程

3 開閉機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

根據(jù)相關(guān)坐標(biāo)點(diǎn)信息，在ADAMS 中建立貨箱門開閉機(jī)構(gòu)的簡化模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，求得鉸接點(diǎn)受力最大位置并提取載荷。

貨箱門結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，若直接導(dǎo)入ADAMS，不利于分析，因此將貨箱門簡化為拉伸體，將其質(zhì)量定義為實(shí)際質(zhì)量；將氣壓撐桿簡化為2根同軸不同半徑的圓柱體，在氣壓撐桿與車身鉸接點(diǎn)處設(shè)置旋轉(zhuǎn)副，氣壓撐桿與貨箱門鉸接點(diǎn)處設(shè)置點(diǎn)線副，圓柱體之間設(shè)置為移動副，模擬貨箱門的開閉過程。建立的簡化模型如圖4所示。

圖4 貨箱門關(guān)閉模型

為了使仿真效果更加符合實(shí)際情況，將貨箱門的運(yùn)動設(shè)定為勻速運(yùn)動，仿真時間為5 s。貨箱門從關(guān)閉到完全打開過程中點(diǎn)B受力曲線如圖5 所示。由圖5 可知，在貨箱門下落過程中，點(diǎn)B沿氣壓撐桿軸向方向先向上后向下運(yùn)動，由于氣壓撐桿內(nèi)部的阻尼作用，受力呈增減增的趨勢。當(dāng)貨箱門完全打開時點(diǎn)B處受力最大，為141.15 N，比計算值大17%，證明仿真結(jié)果與計算結(jié)果較相符。

圖5 鉸接點(diǎn)B處受力曲線

4 氣壓撐桿有限元分析

氣壓撐桿在運(yùn)動過程中主要受貨箱門重力、活塞桿的軸向輸出力和摩擦力作用，在力的共同作用下氣壓撐桿會產(chǎn)生一定的軸向形變，因此需要對氣壓撐桿的變形進(jìn)行分析，保證氣壓撐桿的運(yùn)動過程穩(wěn)定可靠。氣壓撐桿與車身和貨箱門均通過球頭銷連接，貨箱門在由關(guān)閉到開啟的過程中，氣壓撐桿繞點(diǎn)C逆時針旋轉(zhuǎn)，貨箱門繞點(diǎn)B順時針旋轉(zhuǎn)（均在XZ平面內(nèi)），且氣壓撐桿逐漸伸長。貨箱門完全開啟時繞點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)90°，此時氣壓撐桿長度為390 mm。若不考慮輔助關(guān)閉力，忽略摩擦力，氣壓撐桿的強(qiáng)度完全可以支撐貨箱門重力的作用。由于此貨箱門內(nèi)部設(shè)計有1個登步梯，需要考慮承載貨物或人員質(zhì)量的情況，將75 kg 質(zhì)量加在貨箱門的質(zhì)心上，貨箱門重力變?yōu)?059.87 N。根據(jù)力矩平衡，得出單根氣壓撐桿拉伸力為1574.48 N。對此狀態(tài)的氣壓撐桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，觀察鉸接點(diǎn)處應(yīng)力以及變形，根據(jù)分析結(jié)果決定是否需要優(yōu)化。

為避免前處理過程太繁瑣導(dǎo)致錯誤，對氣壓撐桿模型進(jìn)行簡化，將簡化后的氣壓撐桿模型導(dǎo)入HyperMesh 中，采用3D 實(shí)體單元四面體和六面體混合的方式進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，得到52 785個單元體和25 877 個節(jié)點(diǎn)，單元尺寸（四面體和六面體的邊長）為2 mm，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

約束氣壓撐桿上端萬向球頭內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)6 個自由度，在下端萬向球頭內(nèi)表面下半部分創(chuàng)建rbe2剛性連接，將載荷施加到剛性單元的中心點(diǎn)，沿氣壓撐桿軸向指向下端萬向球頭方向施加1574.48 N載荷，氣壓撐桿的材料為45號鋼，具體參數(shù)見表2。

表2 氣壓撐桿材料參數(shù)

將氣壓撐桿模型提交給Optistruct 求解器模塊求解，在HyperView 中查看結(jié)果，氣壓撐桿的位移和應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知，氣壓撐桿的最大位移為0.0247 mm，位于下端鉸接點(diǎn)處附近。氣壓撐桿的最大應(yīng)力為45.13 MPa，位于下端萬向球頭與活塞桿連接處及活塞桿與缸筒連接處附近，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足性能要求。

圖6 氣壓撐桿位移和應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

文中根據(jù)設(shè)計要求及空間位置信息，繪制了貨箱門開閉機(jī)構(gòu)的平面運(yùn)動簡圖，對開閉機(jī)構(gòu)用氣壓撐桿進(jìn)行受力分析。據(jù)此設(shè)計了氣壓撐桿，檢驗氣壓撐桿的運(yùn)動特性并進(jìn)行干涉檢查，分析得出，開閉機(jī)構(gòu)滿足運(yùn)動特性要求。在ADAMS 中建立貨箱門開閉機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真，求得氣壓撐桿鉸接點(diǎn)處受力最大位置，結(jié)果表明，當(dāng)貨箱門完全打開時，氣壓撐桿鉸接點(diǎn)處的受力最大?？紤]貨箱門完全打開且增加75 kg 質(zhì)量時的情形，使用HyperMesh 進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，氣壓撐桿的強(qiáng)度較為富足，機(jī)構(gòu)滿足使用要求。