新能源汽車塑料后尾門安裝位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮能文

摘? 要：塑料后尾門的安裝匹配是其設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)問題。文章基于塑料后尾門的工作原理，建立了塑料后尾門的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過設(shè)計(jì)指標(biāo)的參數(shù)化建模，應(yīng)用高級編程語言，設(shè)計(jì)開發(fā)出了一套適用于小型汽車后尾門安裝匹配的優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)款車型開發(fā)中獲得了成功的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：塑料后尾門;設(shè)計(jì)優(yōu)化;安裝匹配;輕量化設(shè)計(jì)

中圖分類號：U462.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0097-02

Abstract： The installation and matching of plastic rear tail door is a key and difficult problem in the design process. In this paper， based on the working principle of the plastic rear tail door， the kinematics model of the plastic rear tail door is established. Through the parametric modeling of the design index， the advanced programming language is applied. An optimization system for rear door installation and matching of small vehicles is designed and developed. This system has been successfully applied in the development of several models.

Keywords： plastic rear tail door design; optimization; installation matching; lightweight design

引言

21世紀(jì)，汽車的發(fā)展呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、模塊化、輕量化、小型化、電子化和個(gè)性化的總趨勢[3]。汽車輕量化是節(jié)能減排的有效措施，而汽車輕量化主要體現(xiàn)在汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)、合金材料和非金屬材料的使用。工程塑料等非金屬材料的“減重”效果明顯，其在汽車中的主要作用是使汽車更輕。作為我國汽車發(fā)展的主題，新能源汽車受電池單位質(zhì)量儲能太小和續(xù)航里程的限制[2]，輕量化車身設(shè)計(jì)成為新能源汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)重中之重。作為車身覆蓋件的重要組成，塑料后尾門的設(shè)計(jì)開發(fā)也獲得了越來越多的關(guān)注與重視[1]。傳統(tǒng)的后尾門系統(tǒng)采用純機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開門與關(guān)閉動(dòng)作，已無法滿足智能時(shí)代的用戶體驗(yàn)與要求，逐漸會(huì)被全新的自動(dòng)后尾門系統(tǒng)所取代。針對這種全新的后尾門系統(tǒng)的研究，目前大多集中在控制系統(tǒng)算法的開發(fā)與研究上，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝匹配性研究還不多見。本文主要針對塑料后尾門的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配問題的優(yōu)化進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上尋找到一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來指導(dǎo)塑料后尾門系統(tǒng)的開發(fā)。

1 塑料后尾門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

塑料后尾門系統(tǒng)主要由塑料尾門本體、電動(dòng)撐桿系統(tǒng)、安裝鉸鏈、控制模塊、鎖扣系統(tǒng)構(gòu)成。電動(dòng)撐桿系統(tǒng)又包含撐桿馬達(dá)、變速器、蝸輪蝸桿、回位彈簧等主要部件。塑料尾門本體通過鉸鏈安裝在汽車尾部，尾門可以繞安裝鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)撐桿可以在接收到開啟或者關(guān)閉指令后自動(dòng)打開或者關(guān)閉尾門。塑料尾門在正常使用條件下，必須滿足在任意角度的懸停條件，手動(dòng)開關(guān)門條件，在自動(dòng)開啟與關(guān)閉過程中，還需要匹配撐桿馬達(dá)的使用條件，給定行駛坡道上的正常使用條件，開門行程與電動(dòng)撐桿的幾何尺寸匹配條件等。

2 塑料后尾門系統(tǒng)受力分析

3 電動(dòng)撐桿系統(tǒng)安裝匹配的討論

（1）幾何約束：設(shè)Lmin為電撐桿結(jié)構(gòu)尺寸的最小長度，Lmax為電撐桿結(jié)構(gòu)尺寸的最大長度，A，B的安裝位置必須滿足幾何關(guān)系：Lmin≤|OA-OB|

（2）任意懸停條件：設(shè)F阻尼為電撐桿系統(tǒng)的各類阻尼力之和，任意懸停條件為：

（3）手動(dòng)開關(guān)門力的限制：在手動(dòng)情況下，F(xiàn)手掌為手掌施加的力，L手掌為手掌施力點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)的最大力臂，手動(dòng)開啟尾門的前提條件是：|F螺桿*b*■sin（BOO'+θ-AOO'）|< F手掌*L手掌? ? ? ? （5）

（4）電流的限制：設(shè)T為電機(jī)輸出扭矩，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)的輸出功率：P=U*i=T*ω? （6）

（5）不同坡度的影響：坡度影響到的是后尾門重力對轉(zhuǎn)動(dòng)中心O的力矩。將坡度角φ引入后，螺桿的輸出力表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

4 優(yōu)化分析的模型建立

考慮到A、B安裝位置點(diǎn)在滿足基本方程的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足所有約束條件后，仍可能存在解的不唯一性，因此，引入功率最小化來達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)，一次開啟門過程中，電撐桿旋合力矩做功的平均功率最小，tk為關(guān)門時(shí)間，θk為尾門的最大開啟角度，平均功率為：

5 優(yōu)化算法程序開發(fā)

為方便尾門系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文借助C++高級語言程序，以電動(dòng)撐桿在尾門上的安裝位置點(diǎn)為優(yōu)化目標(biāo)，開發(fā)出了具有友好界面的參數(shù)優(yōu)化程序，本程序可以根據(jù)實(shí)際需要，對塑料尾門系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、部件的幾十種設(shè)計(jì)參數(shù)做優(yōu)化分析。

6 優(yōu)化設(shè)計(jì)算例

現(xiàn)以某車型為例，已經(jīng)知道電動(dòng)撐桿兩頭的安裝位置空間范圍S1、S2，如圖2所示，現(xiàn)要確定電動(dòng)撐桿在車尾與塑料尾門上的最佳安裝位置，以保證整個(gè)尾門系統(tǒng)的安裝匹配性，同時(shí)滿足尾門的使用條件與設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)。

已知車身數(shù)據(jù)：尾門旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)（3000，0，1200），撐桿上安裝點(diǎn)布置范圍中心坐標(biāo)（3150，-600，1100），撐桿下安裝點(diǎn)布置范圍中心坐標(biāo)（3500，-650，820），尾門重心坐標(biāo)（3400，0，850），上下安裝點(diǎn)A、B布置范圍為50mm×30mm。撐桿固定長度部分：280mm，撐桿伸張范圍：380～750mm，撐桿阻尼力：220N，撐桿彈簧系數(shù)：1N/mm，彈簧原長：810mm，尾門重量：20kg，尾門開啟角度：760，尾門開啟時(shí)間：10s，手動(dòng)開門閥值：90N，電機(jī)額定電壓：12V，電機(jī)效率：0.75，減速箱效率：0.8，渦輪蝸桿效率：0.65，最大允許電流：1200mA。

從優(yōu)化計(jì)算結(jié)果來看，安裝點(diǎn)A、B位于預(yù)先設(shè)定的安裝空間內(nèi)，保證了電動(dòng)撐桿與尾門以及車尾的設(shè)計(jì)尺寸匹配。當(dāng)車身無論處于正、負(fù)坡度下時(shí)，電動(dòng)撐桿均能保證后尾門的任意角度懸停要求，手動(dòng)開啟、關(guān)閉尾門的使用要求，馬達(dá)電流控制在額定電流以下，同時(shí)也保證了最小的功率損耗。

7 結(jié)束語

本文通過建立塑料后尾門的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，揭示了塑料后尾門系統(tǒng)各部件以及子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)與后尾門運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。針對這一復(fù)雜的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用高級語言編寫了參數(shù)優(yōu)化程序并成功應(yīng)用于相關(guān)車型的后尾門系統(tǒng)開發(fā)，大大縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間。該優(yōu)化系統(tǒng)還具有開放性，能對整個(gè)塑料尾門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究尾門系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾乎所有細(xì)節(jié)，對塑料后尾門的設(shè)計(jì)開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳吉清，蘭鳳崇.汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與分析方法[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2017.

[2]Michael N.Advanced Hybrid and Electric Vehicles[M].Berlin，Germany，2015.

[3]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014（1）：1-16.