一種新的汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統(tǒng)的快捷計算和設(shè)計方法

丁光學(xué)，史富強(qiáng)，楊邦安

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

一種新的汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統(tǒng)的快捷計算和設(shè)計方法

丁光學(xué)，史富強(qiáng)，楊邦安

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通過建立汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用excel辦公軟件編制針對汽車尾門氣彈簧輔助支撐的計算系統(tǒng)，采用程序化設(shè)計方法，使計算系統(tǒng)文件直接讀取3D軟件中支撐系統(tǒng)初步方案的信息，并在計算系統(tǒng)中按照設(shè)計目標(biāo)的要求，完成初步方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將優(yōu)化方案重新導(dǎo)入3D軟件中，最后利用3D軟件的二次開發(fā)成果，在3D軟件中一鍵完成支撐系統(tǒng)細(xì)部結(jié)構(gòu)的自動設(shè)計，整個過程快捷、準(zhǔn)確、科學(xué)。

汽車尾門；氣彈簧；支撐系統(tǒng)；計算系統(tǒng)；操作力；計算優(yōu)化；自動設(shè)計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.009

CLC NO.:U467.3 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-24-04

引言

汽車尾門氣彈簧輔助支撐系統(tǒng)在正向設(shè)計中需要進(jìn)行大量的工程計算，以滿足不同環(huán)境溫度下的操作力及其功能要求，不借助外部計算，不易從3D軟件中直接獲得其力學(xué)特性。如何實現(xiàn)支撐系統(tǒng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)的科學(xué)計算和優(yōu)化？如何將支撐系統(tǒng)諸多布置元素直接連接計算系統(tǒng)以及如何將優(yōu)化方案快捷導(dǎo)入3D軟件？并在其中完成細(xì)部結(jié)構(gòu)的自動設(shè)計是本文研究的對象。

1、建立輔助支撐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

建立氣彈簧輔助支撐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖1所示：這是一個翻轉(zhuǎn)式布置方式，具體建模如下：氣彈簧氣缸的固定端B點與球頭銷連接，軸線為BN球頭銷緊固在車身上，氣彈簧另一端活塞桿的固定端C點與另一球頭銷連接，軸線為CM的球頭銷緊固在尾門上，P、Q分別是鉸鏈軸上的任意一個兩點；D是尾門的質(zhì)量中心；G表示尾門的總重量；過D點作直線PQ的法面交PQ于D0；點E是開啟操作；過E點作直線PQ的法面交PQ于E0；點F是閉合操作；過F點作直線PQ的法面交PQ于F0；過C點作直線PQ的法面交PQ于C0。當(dāng)尾門開閉至θ角度時，則：

M氣表示氣彈簧的支撐力矩；

M重表示尾門重力矩；

M操表示操作力矩；

M重表示摩擦力矩。

圖1 尾門氣彈簧輔助支撐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2、編制針對支撐系統(tǒng)的計算

計算輸入部分：定義氣彈簧主要結(jié)構(gòu)參數(shù)名稱[1]，見圖2：建立不同規(guī)格氣彈簧參數(shù)數(shù)據(jù)庫，見圖3；環(huán)境參數(shù)及目標(biāo)值輸入，見圖4；計算讀入的氣彈簧參數(shù)，見圖5；關(guān)鍵布置點及開閉特性輸入，見圖6。

圖2 氣彈簧主要結(jié)構(gòu)

圖4 環(huán)境參數(shù)及目標(biāo)值輸入

計算部分：通過圖6表中關(guān)鍵布置點數(shù)據(jù)，計算出各運動點隨開啟角度θ的函數(shù)關(guān)系，利用兩個安裝點BC的最大和最小位置長度，即計算出氣缸長度C1和活塞桿長度C2。

圖6 關(guān)鍵布置點及開閉特性輸入

當(dāng)手動或自動選定一個活塞桿外d1時，圖5所示氣彈簧參數(shù)對應(yīng)數(shù)值會自動讀取氣彈簧數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，圖3所示，完成氣彈簧細(xì)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)輸入。氣彈簧內(nèi)部充入的是理想氣體，在常溫下（20℃）通過改變充入理想氣體的壓力p0，來控制充入氣體的量n。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[2]：pV=nRT，計算出不同溫度下的壓力p；在不同溫度下改變氣彈簧內(nèi)部氣體體積就會獲得不同溫度下的壓力曲線見圖7 ，根據(jù)尾門開啟角度θ進(jìn)一步計算出不同溫度下氣彈簧對尾門的支撐力矩和尾門重力矩。

圖7 不同溫度下的壓力曲線

根據(jù)力矩平衡條件計算出不同溫度下尾門開閉力，如圖9所示。

3、3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算文件

在初步布置的3D數(shù)據(jù)中按照圖8中所示順序分別標(biāo)注各關(guān)鍵點，利用catia的二次開發(fā)成果，一鍵另存igs格式文件，再利用其中的Digitized Shape Editor模塊，轉(zhuǎn)化已經(jīng)另存的igs點云文件為asc格式文件，計算文件對應(yīng)坐標(biāo)點輸入?yún)^(qū)域就可以直接讀取從3D數(shù)據(jù)中傳來的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，避免人為操作而可能導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤，同時大大提高工作效率。

圖8 3D點數(shù)據(jù)批量導(dǎo)出至計算文件

4、布置方案的優(yōu)化

布置優(yōu)化是將初步布置的數(shù)據(jù)信息納入系統(tǒng)計算，選擇直接影響操作性及功能性的布置點或充氣量作為優(yōu)化對象，以操作力要求作為考核對象，本例采用B點的三個坐標(biāo)值以及充氣壓力和活塞桿直徑作為優(yōu)化對象，以常溫下開閉力作為考核對象，如圖9所示：在輸入?yún)^(qū)域給定需要優(yōu)化的對象，設(shè)置優(yōu)化對象的范圍，給定范圍為“0”時作為固定值帶入計算，定義優(yōu)化方案搜索間距，使搜索按一定增量進(jìn)行，形成若干分方案，總方案是全部分方案之積。在計算區(qū)域按照全部方案進(jìn)行排列，每一分方案都與排列的序號建立計算關(guān)系，使各分方案都進(jìn)行循環(huán)組合，計算出具體分方案數(shù)據(jù)。當(dāng)序號從1開始遞增時，計算獲得對應(yīng)分方案值，每一組具體序號下的分方案值被綜合計算區(qū)域讀入并完成該方案的完整計算，獲得對應(yīng)分方案常溫下的最大開閉力，再將分別帶入對應(yīng)的“偏離系數(shù)”計算區(qū)域，當(dāng)本序號對應(yīng)的方案計算獲得的偏離系數(shù)不小于上一個序號對應(yīng)的偏離系數(shù)，則繼續(xù)下一序號的方案計算；當(dāng)本序號對應(yīng)的方案計算獲得的偏離系數(shù)小于上一個序號對應(yīng)的偏離系數(shù)，則將計算區(qū)域所有值復(fù)制并選擇性粘貼到儲備區(qū)域，再繼續(xù)下一序號的方案計算，如此反復(fù)，直至完成所有方案的計算，計算結(jié)束前計算區(qū)域序號單元格讀取儲備區(qū)域序號單元格的值，使最終的計算顯示的是最接近目標(biāo)值的方案。

圖9 優(yōu)化計算動態(tài)可視化

通過對excel進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)了方案優(yōu)化過程的自動計算，點擊“布置方案優(yōu)化”窗體，開始自動執(zhí)行計算，計算結(jié)束后，停止在最接近要求的方案上，其中，各環(huán)境溫度下的操作力曲線，隨自動搜索過程的進(jìn)展動態(tài)展示曲線變化。

“宏”代碼，略。

5、優(yōu)化后的方案快捷導(dǎo)入3D數(shù)據(jù)

優(yōu)化后的方案導(dǎo)入3D數(shù)據(jù)重新建模，也是一項繁瑣的工作，現(xiàn)在計算文件中在開辟一個模塊，根據(jù)氣彈簧各段長度進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為點和直線，圓的半徑也可以轉(zhuǎn)化為圓周上任一點來替代，這樣所有氣彈簧的細(xì)部結(jié)構(gòu)均融合在具體的點和線之間，標(biāo)準(zhǔn)件不在導(dǎo)入3D數(shù)據(jù)范圍。具體計算見圖10所示。按照catia自帶的向出文件《GSD_CAAGsiCreate Stair.xls》中格式排列所要導(dǎo)出的順序，啟動該文件中“宏”文件《main》選擇輸出“2”，所列數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入已經(jīng)打開的caita文件，并在其中顯示點或線。

圖10 氣彈簧細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸的計算

6、支撐系統(tǒng)細(xì)部結(jié)構(gòu)的自動設(shè)計

導(dǎo)入到3D軟件的數(shù)據(jù)只有點和線，這些點和線都是最優(yōu)方案的計算結(jié)果，僅依據(jù)它就可以完成氣彈簧細(xì)部結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)制作。具體制作步驟：新建一個“part”，將計算結(jié)果按照宏《main》文件要求，一鍵導(dǎo)入到新建的“part”中，直接選擇catia→工具→宏→啟動錄制→使用語言選擇“CATScript”給宏起名《氣彈簧自動設(shè)計》→錄制開始，制作氣彈簧細(xì)部結(jié)構(gòu)，將氣彈簧各部件制作過程全部錄制下來，錄制過程中的設(shè)計步驟不能出錯，否則宏文件無效。錄制結(jié)束后保存。

自動設(shè)計操作步驟：

第一步：在catia新建一個新“part”；

第二步：打開計算文件，一鍵運行《main》，瞬間完成全部計算數(shù)據(jù)導(dǎo)入至catia軟件；

第三步：在catia界面一鍵運行《氣彈簧自動設(shè)計》瞬間完成氣彈簧細(xì)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的設(shè)計。

7、結(jié)論

該設(shè)計方法，將尾門氣彈簧輔助支撐機(jī)構(gòu)從設(shè)計前期的初步布置由3d數(shù)據(jù)狀態(tài)直接與excel格式的計算盡心對接，并在計算中自動尋找最接近目標(biāo)要求的優(yōu)化方案，優(yōu)化方案結(jié)果通過軟件的二次開發(fā)，輕松的完成一鍵導(dǎo)入至3D軟件中，繼續(xù)基于catia的二次開發(fā)。一鍵完成氣彈簧細(xì)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的設(shè)計，在效率方面：大大縮短設(shè)計時間，降低設(shè)計者勞動強(qiáng)度；在實用方面：只要設(shè)計者對軟件二次開發(fā)稍有認(rèn)知，就可以自如應(yīng)對。在精益設(shè)計方面，可以獲得最精確的設(shè)計方案，是設(shè)計更準(zhǔn)確、更具有目標(biāo)性，因此本設(shè)計方案和值得在汽車正向設(shè)計領(lǐng)域廣泛推廣。

[1] QC/T 207-1996.汽車用普通氣彈簧[S].

[2] 肖猻.左正興.王文瑞，固定缸筒式油氣彈簧動態(tài)特性研究與分析[J]. 液壓與氣動 2008年第11期. 18 -19.

[3] 金朝銘,液壓流體辦學(xué)[M]：北京理工工大學(xué),1994.

A new method of fast calculation and design about the gas spring sub-support system of the automobile tailgate

Ding Guangxue, Shi Fuqiang, Yang Bang’an
( Anhui Jiang Huai Automobile Corp, Anhui Hefei 230601 )

In this article,the study describesusing office-software Excel to program the computing system of gas spring sub-support of the automobile tailgate by establishing the mathematical model for the gas spring sub-support system of the automobile tailgate. First, using programed designing method to read the basic plan’s information of the support system which included in the 3D system. Then, finish the optimized structure calculation of the basic plan as the design required. Third, put the optimized plan into the 3D software and finally with the help of twice develop result, on click attachments for completing the support system’s detailed structure autodesign. The whole process is very quick and exact and scientific.

automobile tailgate; gas spring; support system; computing system; operating force;optimizing calculation; autodesign

U467.3

A

1671-7988(2016)01-24-04

丁光學(xué)，就職于江淮汽車技術(shù)中心，從事門蓋系統(tǒng)布置計算研究。