SUV后背門氣動(dòng)撐桿的設(shè)計(jì)

楊保成，糜澤陽(yáng)，焦洪宇

（常熟理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

SUV后背門氣動(dòng)撐桿的設(shè)計(jì)

楊保成，糜澤陽(yáng)，焦洪宇

（常熟理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

從氣動(dòng)撐桿工作的基本原理出發(fā)，對(duì)氣動(dòng)撐桿的設(shè)計(jì)布置進(jìn)行了研究，利用MATLAB軟件對(duì)氣動(dòng)撐桿在后背門上的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，尋找出了優(yōu)化布置方案.根據(jù)選定的參數(shù)，對(duì)氣動(dòng)撐桿的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中采用力矩平衡原理，對(duì)氣動(dòng)撐桿運(yùn)動(dòng)過程中的受力進(jìn)行了詳細(xì)分析.同時(shí)對(duì)MATLAB軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)和力矩圖像分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化結(jié)果符合人機(jī)工程學(xué)要求.通過對(duì)氣動(dòng)撐桿的設(shè)計(jì)與優(yōu)化布置，完成了后背門的平穩(wěn)開閉和人手的輕松輔助.為氣動(dòng)撐桿的選型與設(shè)計(jì)提供了理論參考，也提高了后背門總成的開發(fā)設(shè)計(jì)效率.

氣動(dòng)撐桿；優(yōu)化布置；MATLAB；力矩平衡

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們不僅對(duì)車身造型的美觀有一定要求，對(duì)車身各部件的安全性要求也逐漸提高.在后背門開啟助力機(jī)構(gòu)中氣動(dòng)撐桿又稱為氣彈簧（下稱“氣彈簧”），與其他彈簧比較，氣彈簧具備很多優(yōu)點(diǎn)，例如：尺寸小、安裝便利、可靠性高，可在-35～70℃范圍內(nèi)工作，彈性性能受溫度影響小等特點(diǎn)［1］，因此在各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中被廣泛運(yùn)用.同時(shí)，在后背門開啟關(guān)閉過程中，氣彈簧拉伸壓縮動(dòng)作緩慢，具有較高的安全性，不會(huì)對(duì)人造成傷害.

氣彈簧是SUV后背門設(shè)計(jì)中的重要部件，通過對(duì)后背門氣動(dòng)撐桿的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化氣動(dòng)撐桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效提高撐桿的強(qiáng)度.合理布置氣動(dòng)撐桿的安裝位置，可以改善空間不足、受力不均帶來的安裝問題，可以有效利用撐桿的工作行程，保證后背門的最佳開啟角度，對(duì)后背門總成設(shè)計(jì)安裝具有重要作用，并且對(duì)于實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐也具有重要的參考價(jià)值.但在氣彈簧設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員大都采用逆向設(shè)計(jì)的方法，因此設(shè)計(jì)過程并不是十分嚴(yán)謹(jǐn)，如氣彈簧選型參數(shù)過大，則會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)干涉、鉸接點(diǎn)不合理、氣彈簧內(nèi)部支撐力過大、浪費(fèi)力矩等弊端，這些都會(huì)使氣彈簧的使用壽命降低，而且浪費(fèi)成本［2］.為此，本文以普通SUV后背門氣動(dòng)撐桿設(shè)計(jì)為例，利用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)過程中氣動(dòng)撐桿在后背門上的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化布置.

1 氣彈簧的結(jié)構(gòu)及工作原理

氣彈簧一般由活塞桿、活塞、缸筒、導(dǎo)向套、閥體以及兩端的接頭組成.氣彈簧的工作原理如圖1所示.其內(nèi)部充有高壓氣體，由于在活塞內(nèi)部設(shè)有通孔，活塞兩端氣體壓力相等，而活塞兩側(cè)的截面積不同，在氣體壓力作用下，產(chǎn)生向截面積小的一側(cè)的壓力，即氣彈簧的彈力F.這個(gè)彈力會(huì)對(duì)后背門產(chǎn)生力矩，使后背門平穩(wěn)開啟，再利用活塞桿的最大行程來限制后背門的最大開度.

2 氣彈簧的選型與安裝形式

氣彈簧包括自由型氣彈簧、自鎖式氣彈簧、隨意停氣彈簧、氣壓棒、阻尼器等類型.SUV后背門在開啟關(guān)閉過程中，氣動(dòng)撐桿只需要有恒定的彈力，能起支撐作用即可，故選擇自由型氣彈簧支撐桿.

氣彈簧在汽車后背門上主要有挺舉式和翻轉(zhuǎn)式兩種安裝形式.翻轉(zhuǎn)式安裝適用于后背門質(zhì)量較輕或者氣彈簧受力較小的情況，而挺舉式可以承受較大的后背門質(zhì)量.若后背門質(zhì)量較重，仍采用翻轉(zhuǎn)式安裝，那么要達(dá)到挺舉式安裝時(shí)的力矩，則要提高氣彈簧的彈力，這必然導(dǎo)致氣彈簧缸筒內(nèi)將要充入更加高壓的氣體，這對(duì)氣彈簧密封性的要求將大大提高，使用壽命也會(huì)受到影響；同時(shí)，過大的彈力也使氣彈簧的選材要求更高.故挺舉式安裝的優(yōu)點(diǎn)多于翻轉(zhuǎn)式安裝，所以選擇挺舉式安裝.

氣彈簧活塞桿在后背門開閉機(jī)構(gòu)中宜采用向下位置的安裝形式，這樣的安裝形式可以減小摩擦并且保證最好的阻尼質(zhì)量和緩沖性能［3］.在陰雨天氣還可以防水，防止氣動(dòng)撐桿滲水失效.安裝簡(jiǎn)圖如圖2所示.

圖1 氣彈簧工作原理

圖2 挺舉式后背門氣動(dòng)撐桿

3 氣彈簧的設(shè)計(jì)要求

（1）氣彈簧的伸展壓縮過程平穩(wěn)，不能發(fā)生氣阻現(xiàn)象，且后背門開啟過程中不能有過大的抖動(dòng).

（2）氣彈簧的設(shè)計(jì)行程要能保證后背門的開度符合人機(jī)工程學(xué)要求.

（3）后背門鎖開啟后，后背門應(yīng)在氣彈簧的力矩作用下自動(dòng)打開一個(gè)角度，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)要求，這個(gè)角度大約為30°.

（4）氣彈簧的彈力要設(shè)計(jì)合理，確保人關(guān)閉后背門時(shí)的操作力不能過大.

4 后背門開啟時(shí)的運(yùn)動(dòng)及受力分析

4.1 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

由于后背門厚度及撐桿厚度相對(duì)于后背門長(zhǎng)度來說，尺寸太小對(duì)后背門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)幾乎沒有影響，故可忽略不計(jì).為了更加清晰地分析后背門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以將后背門及氣動(dòng)撐桿簡(jiǎn)化為如圖2所示的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu).

圖中A為鉸鏈中心，B為后背門關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的下邊沿，D為氣動(dòng)撐桿的下安裝點(diǎn)，后背門開啟過程中C點(diǎn)的位置點(diǎn)如圖3中C1，C2，C3所示，其中C1為后背門閉合時(shí)氣動(dòng)撐桿的上安裝點(diǎn)［1］，C2為撐桿力矩與后背門重力矩相等的點(diǎn)，C3為后背門開啟到極限位置時(shí)氣彈簧的上安裝所在的位置，后背門的質(zhì)心位置為點(diǎn)M.

4.2 受力分析

在后背門的開關(guān)過程中，會(huì)受到氣彈簧的彈力F，鉸鏈中心A的反向摩擦力以及后背門本身的重力G.這3個(gè)力都會(huì)產(chǎn)生影響后背門運(yùn)動(dòng)的力矩，由于鉸鏈中心A的反力的作用力矩為0，可忽略不計(jì).后背門在運(yùn)動(dòng)過程中沒有受到側(cè)向力的影響，故可以簡(jiǎn)化為平面受力分析［4］，如圖4所示.

圖3 后背門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖4 后背門受力分析

5 數(shù)值仿真計(jì)算

5.1 參數(shù)的選取

后背門開啟和關(guān)閉時(shí)，氣彈簧的上安裝點(diǎn)C和后背門質(zhì)心M繞A點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng).AC1與鉛直方向的夾角為α=28.13°，后背門最大開度β=80°，設(shè)后背門開啟角度為θ，即∠CAD=θ，OA=990 mm，OB=530 mm，AB= 1124 mm，后背門質(zhì)心位置AM=760 mm，AC=a，AD=b，CD=c.普通SUV后背門總成的質(zhì)量可取為26 kg，即G=260 N.

5.2 MATLAB仿真計(jì)算

氣動(dòng)撐桿長(zhǎng)度可在三角形ACD中通過余弦定理［2］求得氣動(dòng)撐桿的力臂d可通過三角形面積求得撐桿力F和重力G對(duì)后背門的力矩隨開關(guān)過程中θ角的變化而變化.據(jù)此可以將氣動(dòng)撐桿力矩表示為后背門重力矩表示為氣動(dòng)撐桿的數(shù)量是n=2，安全系數(shù)K=1.1，則根據(jù)力矩平衡原理得，將已知數(shù)據(jù)代入得

用MATLAB建立數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)化為求解多變量非線性最優(yōu)化問題，約束條件如下：

為了簡(jiǎn)化程序的編寫，將變量a，b，θ分別用χ1，χ2，χ3替代，再寫出MATLAB程序來表達(dá)該數(shù)學(xué)模型.運(yùn)行該程序之后，MATLAB軟件會(huì)取遍約束條件中的所有點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，輸出最優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果如下：

從MATLAB運(yùn)算結(jié)果可以得知，當(dāng)氣動(dòng)撐桿的安裝位置越靠近后背門下邊緣，氣動(dòng)撐桿受到的力F就越小.在極限位置a，b同時(shí)取得最大值時(shí)，撐桿力F取得最小值.

5.3 氣動(dòng)撐桿下安裝點(diǎn)的確定

氣動(dòng)撐桿下安裝點(diǎn)即氣彈簧在車身側(cè)圍上的安裝點(diǎn).根據(jù)MATLAB計(jì)算結(jié)果，再綜合考慮實(shí)際問題，由于受后背門上尾燈布置的影響，為了不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，氣動(dòng)撐桿下安裝點(diǎn)應(yīng)盡量靠下，至少距離后背門下邊緣300 mm，這里初選BD=324 mm，即AD=b=800 mm.

5.4 氣動(dòng)撐桿上安裝點(diǎn)的確定

氣動(dòng)撐桿的上安裝點(diǎn)即撐桿頂部在后背門上的固定點(diǎn).根據(jù)氣彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)X為氣彈簧的有效行程，則氣彈簧的初始長(zhǎng)度為Χ+100(mm)，即C1D=Χ+100(mm).那么AC=800-(Χ+100)=700-Χ(mm).當(dāng)后背門開度達(dá)到最大時(shí)，氣彈簧達(dá)到最大行程，即C3D=2Χ+100(mm).在三角形ADC3中，由余弦定理得(2Χ+100)2=(700-Χ)2+8002-2×800×(700-Χ)COS80，解得氣彈簧有效行程Χ=357 mm，所以氣彈簧初始長(zhǎng)度為457 mm，則a=343 mm.

5.5 氣動(dòng)撐桿支撐力的確定

當(dāng)后背門的門鎖打開后，后背門會(huì)在氣動(dòng)撐桿的彈力作用下自動(dòng)打開一個(gè)角度，這個(gè)角度所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就是氣動(dòng)撐桿力矩與后背門重力矩的平衡點(diǎn)［6-7］.根據(jù)人機(jī)工程學(xué)要求，這個(gè)角度可取為30°，即后背門自動(dòng)開啟的高度大約到人的腰部，這樣人可以更加方便地拉動(dòng)車門.根據(jù)θ=30°時(shí)的力矩平衡列出方程

5.6 后背門開啟角度與人施力關(guān)系

使用MATLAB的plot命令，輸出氣動(dòng)撐桿支撐力矩、重力矩與后背門開啟角度變化的關(guān)系曲線（圖5）以及人力與后背門開啟角度變化的關(guān)系曲線（圖6）.

從圖5、圖6可看出，后背門開啟角度小于30°的范圍內(nèi)，重力矩大于氣彈簧支撐力矩，后背門在這兩個(gè)力矩作用下，有關(guān)閉的趨勢(shì)，可防止后背門自動(dòng)打開.在后背門開啟30°附近，后背門處于懸停狀態(tài)，人手可輕松實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉.隨著后背門開度的增大，人手所需要施加的力逐漸減小，符合人機(jī)工程學(xué)的要求.當(dāng)后背門的開啟角度大于30°后，隨著開啟角度的增大，氣彈簧的支撐力矩和重力矩的合力距逐漸減小，后背門的開啟速度也會(huì)慢慢降低，這樣就避免了后背門開啟到行程末端時(shí)與汽車頂蓋的剛性撞擊，有利于提高氣彈簧和后背門鉸鏈的使用壽命.

圖5 支撐力矩和重力矩與后背門開啟角度變化的關(guān)系

6 結(jié)論

（1）建立了數(shù)學(xué)模型，由MATLAB運(yùn)算的結(jié)果可以得知，當(dāng)氣動(dòng)撐桿的安裝位置越靠近后背門下邊緣，氣動(dòng)撐桿受到的力越小.

（2）應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)SUV后背門氣彈簧的布置進(jìn)行了分析.在后背門開啟30°左右后，隨著后背門開度的增大，人手所需要施加的力會(huì)逐漸減小，符合人機(jī)工程學(xué)的要求.

本設(shè)計(jì)的計(jì)算過程并不復(fù)雜，原理也較簡(jiǎn)單，但優(yōu)化布置過程中變量較多，通過MATLAB軟件優(yōu)化的算法和強(qiáng)大的計(jì)算能力，很好地解決了計(jì)算問題.可為其他車型后背門氣彈簧的優(yōu)化布置與設(shè)計(jì)提供參考.

圖6 人所施加的力與后背門開啟角度變化的關(guān)系

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The Design of SUV Back Door Pneumatic Struts

YANG Baocheng,MI Zeyang,JIAO Hongyu
(School of Automotive Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Starting from the basic working principle of pneumatic struts,the authors of this paper studied the design and layout of the pneumatic strut,used the MATLAB software to calculate the position of the pneumatic strut on the back door with optimization calculation and found out the optimal layout scheme.According to the selected parameters,the structure of the pneumatic strut was designed.In the design process,the principle of the moment balance was used to analyze the stress in the movement process of the pneumatic strut in detail.At the same time,the data and moment images were analyzed and it was found that the results of design and optimization met the requirements of ergonomics.The design and optimal layout of the pneumatic strut enable the back door to open and close steadily with easy assistance by the staff,which not only provides a theoretical reference for the selection and design of pneumatic struts,but also improves the back door assembly development and design efficiency.

pneumatic strut;optimal layout;MATLAB;moment balance

U463.92+9；TH123+.1

A

1008-2794（2017）02-0022-04

2016-10-19

國(guó)家自然科學(xué)基金“結(jié)構(gòu)周期性布局優(yōu)化理論與方法研究”（51605046）

楊保成，副教授，碩士，研究方向：汽車及其零部件數(shù)字化設(shè)計(jì)，E-mail：ybc1996@cslg.cn.