基于ADAMS/view行李廂蓋彈簧力分析及優(yōu)化

趙文多，張 曦，陳 偉

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

基于ADAMS/view行李廂蓋彈簧力分析及優(yōu)化

趙文多，張 曦，陳 偉

Zhao Wenduo, Zhang Xi, Chen Wei

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

利用ADAMS/view軟件建立行李廂蓋多剛體模型，通過動態(tài)仿真對行李廂蓋開啟和關(guān)閉過程進(jìn)行模擬分析，考慮行李廂蓋的開啟角度、開啟力、開啟時間、關(guān)閉力及關(guān)閉速度等設(shè)計參數(shù)。為改善行李廂蓋開啟時間過短現(xiàn)象，對彈簧剛度及預(yù)載進(jìn)行優(yōu)化分析，提升用戶使用滿意度。

ADAMS/view；行李廂蓋；彈簧力

0 引 言

目前，轎車行李廂蓋的開啟機(jī)構(gòu)常見的有繞固定軸旋轉(zhuǎn)的簡單平衡鉸鏈?zhǔn)胶瓦B桿式兩種。簡單平衡鉸鏈?zhǔn)娇赏ㄟ^改變鉸鏈臂的幾何結(jié)構(gòu)與軸線位置，保證達(dá)到一定開啟角度以避免與車身干涉。簡單平衡鉸鏈的彈性元件有多種，如螺旋彈簧、扭桿彈簧和氣動桿。鑒于簡單平衡鉸鏈?zhǔn)骄哂薪Y(jié)構(gòu)簡單與易于設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，故得到廣泛應(yīng)用。行李廂蓋在使用過程中應(yīng)滿足有足夠開度、開閉力輕便、開閉速度適中等要求。

針對某車型行李廂蓋的開啟速度過快現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化改善，以避免行李廂蓋在使用過程中造成人員磕碰，提高消費(fèi)者使用滿意度。

1 行李廂蓋多剛體模型的建立

某車型行李廂蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：行李廂焊接總成、鉸鏈、螺旋彈簧、彈簧安裝支架和緩沖塊等。依據(jù)行李廂蓋開閉運(yùn)動過程、各部件之間的相互受力關(guān)系和運(yùn)動關(guān)系簡化CAD模型，忽略車身、行李廂內(nèi)飾板、密封條、彈簧、彈簧安裝支架以及螺栓鉚釘?shù)龋喕Ｐ筒粌H可以提高計算的速度，也可以確保計算的精度。

1.1 模型的導(dǎo)入

利用CATIA軟件將簡化模型以*.step格式轉(zhuǎn)入到ADAMS/view軟件。為了提高計算速度與精度，盡可能減少零部件和運(yùn)動副的數(shù)量，在ADAMS/view軟件中將簡化模型中沒有相對運(yùn)動的行李廂蓋與鉸鏈進(jìn)行求和、命名并改顏色，便于在以后操作過程中識別零部件。根據(jù)前期設(shè)計要求，賦予行李廂蓋總成質(zhì)量為14.28 kg，質(zhì)心位置為：（5 096 mm，-0.4 mm，882 mm）。

1.2 添加約束和彈簧力

簡化模型中沒有建立與車身及其連接的零部件，故將車身及其連接零部件默認(rèn)為Group。行李廂蓋與 Group之間沿鉸鏈中心軸添加旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)副的摩擦系數(shù)為0.3。

根據(jù)行李廂蓋彈簧的裝配位置創(chuàng)建 2組左右對稱的marker點(diǎn)，每組marker點(diǎn)之間添加彈簧力。彈簧剛度為：1.379 9 N/mm，預(yù)載334.68 N。

1.3 加載工況

行李廂蓋在開啟過程中由于緩沖塊碰觸車身而停止繼續(xù)開啟，避免了行李廂蓋與車身其他零件發(fā)生干涉。行李廂蓋設(shè)計開啟角度為：85°～95°。鑒于多剛體簡化模型中未建立車身模型，為了模擬行李廂蓋彈開和關(guān)閉時接觸車身而停止的工況，仿真時需要建立傳感器（sensor）控制行李廂蓋開啟角度和關(guān)閉角度。

模擬開啟狀態(tài)時建立sensor，開啟時旋轉(zhuǎn)副逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)副角度小于或等于-90°時仿真停止。將前述仿真終止模型另存，為下面模擬關(guān)閉狀態(tài)準(zhǔn)備模型。模擬關(guān)閉狀態(tài)時旋轉(zhuǎn)副初始角度為-90°，旋轉(zhuǎn)副順時針旋轉(zhuǎn)，創(chuàng)建sensor，當(dāng)旋轉(zhuǎn)副角度大于或等于0°時仿真停止。

根據(jù)實際操作情況，行李廂蓋開啟與關(guān)閉時，因施力點(diǎn)位置不同，故驅(qū)動力的添加分為2種情況：

1）開啟時，對行李廂蓋施力創(chuàng)建step函數(shù)，隨開啟角約至15°時力值失效。初始施力方向豎直向上，施力方向隨物體運(yùn)動而改變，即施力方向與物體之間沒有相對移動。模擬開啟工況的多體模型如圖2所示。

2）關(guān)閉時，對行李廂蓋施力隨關(guān)閉過程力值恒定，初始施力方向斜向下45°，施力方向隨物體運(yùn)動而改變，即施力方向與物體之間沒有相對移動。模擬關(guān)閉工況的多體模型如圖3所示。

2 基于ADAMS動態(tài)仿真分析結(jié)果

某車型行李廂蓋初始設(shè)計參數(shù)為：行李廂蓋總成質(zhì)量為14.28 kg，質(zhì)心位置為：（5 096 mm，-0.4 mm，882 mm），彈簧剛度為1.379 9 N/mm，預(yù)載為334.68 N。設(shè)計要求：開啟力為10 ～50 N，開啟時間為（3±1）s，關(guān)閉力為10～60 N，關(guān)閉速度<1 m/s。

通過ADAMS/view對初始設(shè)計狀態(tài)的行李廂蓋進(jìn)行開閉模擬仿真，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)仿真曲線可以看出初始設(shè)計狀態(tài)的行李廂蓋無需施力自動彈開，打開時間過短。將圖 4所示的曲線結(jié)果匯總，如表1所示。

對比設(shè)計要求可以看出，初始設(shè)計狀態(tài)的行李廂蓋開啟力為0 N，開啟時間1.2 s，開啟時不滿足設(shè)計要求；關(guān)閉力10 N，最大速度<500 mm/s，關(guān)閉時滿足設(shè)計要求。初始設(shè)計狀態(tài)的行李廂蓋在解鎖后自動彈開，容易造成人員磕碰，因此，需要對行李廂蓋結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表1 設(shè)計狀態(tài)的行李廂蓋開啟和關(guān)閉仿真結(jié)果

3 優(yōu) 化

影響行李廂蓋開啟力大小及開啟時間的主要因素有：行李廂蓋質(zhì)量及質(zhì)心位置、鉸鏈結(jié)構(gòu)形式、彈簧剛度及預(yù)載等?？紤]到盡可能少地變動零部件設(shè)計，針對行李廂蓋開啟過快現(xiàn)象，對彈簧剛度及預(yù)載進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

行李廂蓋開啟過快說明彈簧剛度及預(yù)載過大，降低彈簧剛度及預(yù)載可以達(dá)到預(yù)期效果，彈簧剛度及預(yù)載不能過低，否則將出現(xiàn)行李廂蓋開啟力過大，行李廂蓋開啟角度過小。針對彈簧剛度和預(yù)載做幾組合理變化，彈簧剛度選?。?.379 9 N/mm、1.3 N/mm、1.2 N/mm、1.1 N/mm、1.0 N/mm；彈簧預(yù)載選取范圍：-320～-270 N，彈簧剛度匹配不同彈簧預(yù)載進(jìn)行模擬仿真，得到最長開啟時間，如表2所示。

表2 不同彈簧剛度對應(yīng)行李廂蓋最長開啟時間

表2為5種不同彈簧剛度匹配不同預(yù)載得到的最長開啟時間，彈簧剛度為1.1 N/mm、1.0 N/mm的仿真結(jié)果符合設(shè)計要求。

3.1 彈簧剛度為1.1 N/mm時的優(yōu)化結(jié)果

當(dāng)彈簧剛度為1.1 N/mm、彈簧預(yù)載為-300 N時，仿真結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)仿真曲線可以看出，10 N力提升行李廂約至15°時力值失效，行李廂蓋打開時間為2 s，關(guān)閉力15 N，關(guān)閉最大速度<1 m/s。將圖5所示的曲線結(jié)果匯總，如表3所示。

表3 行李廂蓋開啟和關(guān)閉仿真結(jié)果

對比設(shè)計要求，當(dāng)彈簧剛度為1.1 N/mm、彈簧預(yù)載為-300 N時，開啟力10 N，開啟時間為2 s，關(guān)閉力15 N，最大關(guān)閉速度<1 m/s，符合設(shè)計要求。

當(dāng)彈簧剛度為1.1 N/mm、彈簧預(yù)載-280 N時，仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)仿真曲線可以看出，28 N力提升行李廂約至15°時力值失效，行李廂蓋打開時間為2.45 s，關(guān)閉力10 N，最大關(guān)閉速度<1 m/s。將圖6所示的曲線結(jié)果匯總，如表4所示。

表4 行李廂蓋開啟和關(guān)閉仿真結(jié)果

對比設(shè)計要求，當(dāng)彈簧剛度為1.1 N/mm、彈簧預(yù)載為-280 N時，開啟力28 N，開啟時間為2.45 s，關(guān)閉力10 N，最大關(guān)閉速度<1 m/s，符合設(shè)計要求。

綜上，當(dāng)彈簧剛度為1.1 N/mm時，匹配彈簧預(yù)載范圍為-300～-280 N的行李廂蓋開閉過程滿足設(shè)計要求。

3.2 彈簧剛度為1.0 N/mm時的優(yōu)化結(jié)果

當(dāng)彈簧剛度為1.0 N/mm，預(yù)載為-295 N，仿真結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)仿真曲線可以看出，10 N力提升行李廂約至15°時力值失效，行李廂蓋打開時間為2 s，關(guān)閉力15 N，最大關(guān)閉速度<1 m/s。將圖7所示的曲線結(jié)果匯總，如表5所示。

表5 行李廂蓋開啟和關(guān)閉仿真結(jié)果

對比設(shè)計要求，當(dāng)彈簧剛度為1.0 N/mm、彈簧預(yù)載為-295 N時，開啟力10 N，開啟時間為2 s，關(guān)閉力15 N，最大關(guān)閉速度<1 m/s，符合設(shè)計要求。

當(dāng)彈簧剛度為1.0 N/mm，預(yù)載為-270 N，仿真結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)仿真曲線可以看出，50 N力提升行李廂約至15°時力值失效，行李廂蓋打開時間為3.2 s，關(guān)閉力10 N，最大關(guān)閉速度<1 m/s。將圖8所示的曲線結(jié)果匯總，如表6所示。

表6 行李廂蓋開啟和關(guān)閉仿真結(jié)果

對比設(shè)計要求，當(dāng)彈簧剛度為1.0 N/mm、彈簧預(yù)載為-270 N時，開啟力50 N，開啟時間為3.2 s，關(guān)閉力10 N，最大關(guān)閉速度<1 m/s，符合設(shè)計要求。

綜上，當(dāng)彈簧剛度為1.0 N/mm時，匹配彈簧預(yù)載范圍為-295～-270 N的行李廂蓋開閉過程滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

基于ADAMS/view軟件對行李廂蓋開啟力和關(guān)閉力進(jìn)行優(yōu)化分析，可以計算得到任一開啟、關(guān)閉角度下的速度、彈簧力值，比一般傳統(tǒng)計算方式更精準(zhǔn)、方便、快捷。根據(jù)設(shè)計要求對彈簧剛度及預(yù)載進(jìn)行優(yōu)化，得到以下匹配結(jié)果符合設(shè)計要求：

1）彈簧剛度：1.1 N/mm，匹配預(yù)載：-300～-280 N；

2）彈簧剛度：1.0 N/mm，匹配預(yù)載：-290～-270 N。

U463.83.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.06.003

2014-07-04

1002-4581（2014）06-0010-06