限位器及車(chē)門(mén)過(guò)檔力計(jì)算淺析

宋敏鵬，王迎新，張?jiān)品?/p>

限位器及車(chē)門(mén)過(guò)檔力計(jì)算淺析

宋敏鵬，王迎新，張?jiān)品?/p>

（眾泰汽車(chē)工程研究院，浙江 杭州 310018）

車(chē)門(mén)是使用頻率最高的汽車(chē)系統(tǒng)之一，用戶在開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)，對(duì)車(chē)門(mén)過(guò)檔手感會(huì)有直接的體驗(yàn)，好的手感可以提高用戶滿意度、提升品牌形象。過(guò)檔手感主要由車(chē)門(mén)限位器提供，但與把手位置、車(chē)門(mén)重力、鉸鏈等都有重要關(guān)聯(lián)。文章分析了把手位置、車(chē)門(mén)重力、鉸鏈、限位器等對(duì)開(kāi)關(guān)門(mén)手感的影響，并詳細(xì)介紹了車(chē)門(mén)過(guò)檔力的計(jì)算方法，尤其是限位器過(guò)檔力矩的計(jì)算，對(duì)車(chē)門(mén)過(guò)檔力的設(shè)計(jì)和調(diào)整，提供了可靠的理論依據(jù)。

限位器；開(kāi)關(guān)門(mén)手感；車(chē)門(mén)過(guò)檔力；限位器過(guò)檔力

1 前言

新車(chē)型開(kāi)關(guān)門(mén)手感的確定，通常做法是試制階段進(jìn)行實(shí)車(chē)評(píng)審確認(rèn)，如不滿意，則不斷對(duì)限位器進(jìn)行實(shí)物更改，然后再次評(píng)審，直到達(dá)到預(yù)期效果。這個(gè)過(guò)程，一般需要3~5輪的修改才可實(shí)現(xiàn)，周期長(zhǎng)、效率低。造成這種現(xiàn)象的主要原因，一是設(shè)計(jì)前期缺乏系統(tǒng)的計(jì)算，未對(duì)限位器進(jìn)行合理的力矩設(shè)計(jì)；二是實(shí)物評(píng)審調(diào)整階段，每次調(diào)整限位器時(shí)，大多依靠經(jīng)驗(yàn)，未進(jìn)行必要的系統(tǒng)性計(jì)算確認(rèn)。因此，合理的車(chē)門(mén)過(guò)檔力計(jì)算方法，可以大大提高車(chē)門(mén)限位器開(kāi)關(guān)門(mén)手感開(kāi)發(fā)的效率。

2 車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)檔力影響因素

車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)的過(guò)檔力，通常以車(chē)輛水平放置狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其與把手位置、鉸鏈內(nèi)阻、鉸鏈傾角、車(chē)門(mén)重量、限位器等均有直接關(guān)系。

2.1 把手位置

車(chē)門(mén)把手是人開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)的直接操作部位，把手到鉸鏈軸線的距離即為操作力臂，同樣的開(kāi)關(guān)門(mén)阻力，力臂的長(zhǎng)短決定了用戶感受到的力的大小，因此，討論開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)檔力時(shí)必須考慮把手的位置。但對(duì)一個(gè)具體的車(chē)型來(lái)講，把手的位置通常是固定的，是不可改變位置的，不能通過(guò)調(diào)整把手位置來(lái)調(diào)整過(guò)檔力。

2.2 鉸鏈內(nèi)阻

鉸鏈連接著車(chē)門(mén)和車(chē)身，車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)均繞鉸鏈軸線進(jìn)行，鉸鏈旋轉(zhuǎn)時(shí)自身有一定的內(nèi)阻，會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)門(mén)手感產(chǎn)生一定的影響。

2.3 鉸鏈傾角

為了使車(chē)門(mén)具有自動(dòng)關(guān)門(mén)的趨勢(shì)，鉸鏈布置時(shí)一般具有一定的內(nèi)傾角和前后傾角，鉸鏈傾角會(huì)使車(chē)門(mén)重力在開(kāi)關(guān)門(mén)方向產(chǎn)生分力，重力分力會(huì)直接影響開(kāi)關(guān)門(mén)手感。鉸鏈布置是車(chē)門(mén)各附件布置的基礎(chǔ)，影響重大，因此鉸鏈確定以后，通常不會(huì)通過(guò)調(diào)整鉸鏈的方式來(lái)調(diào)整過(guò)檔力。

2.4 車(chē)門(mén)重量

對(duì)于鉸鏈傾角已確定的車(chē)型，車(chē)門(mén)重量的大小，決定了重力分力的大小。一般對(duì)于具體的車(chē)型，各車(chē)門(mén)的重量為定值。

2.5 限位器

限位器具有控制車(chē)門(mén)開(kāi)度、提供過(guò)檔手感的功能，是開(kāi)發(fā)者調(diào)整開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)檔力的最主要手段，即通過(guò)調(diào)整限位器自身的過(guò)檔力，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)系統(tǒng)過(guò)檔力的調(diào)整。具體通過(guò)調(diào)整限位器臂上各斜坡高度、斜度、圓角大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，極少數(shù)情況也會(huì)調(diào)整彈簧的彈力。

圖1 限位器示意圖

3 車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)檔力計(jì)算方法及應(yīng)用

人在開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，需要克服的阻力矩有：鉸鏈自身的旋轉(zhuǎn)阻力矩M鉸、限位器的阻力矩M限、車(chē)門(mén)重力的分力矩MG，如圖2所示。因此根據(jù)力矩平衡原理，可知開(kāi)關(guān)門(mén)操作力矩MF：

開(kāi)門(mén)時(shí)：M=鉸+限+M

關(guān)門(mén)時(shí)：M=鉸+限-M

圖2 車(chē)門(mén)受力示意圖

3.1 開(kāi)關(guān)門(mén)操作力矩

人開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)，通過(guò)車(chē)門(mén)把手進(jìn)行操作，操作力矩為：

M=*

其中，F(xiàn)為人開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)使用的力，即開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)檔力，為用戶開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)的直接感受；

L為對(duì)應(yīng)的力臂，即把手到鉸鏈軸線的距離。

3.2 鉸鏈自身的旋轉(zhuǎn)阻力矩

鉸鏈作為一個(gè)單獨(dú)的零部件，其自身旋轉(zhuǎn)存在內(nèi)阻，阻力矩一般為固定的范圍，計(jì)算時(shí)可取中值，即針對(duì)特定的車(chē)型，鉸鏈自身的旋轉(zhuǎn)阻力矩為定值。

3.3 車(chē)門(mén)重力的分力矩

因?yàn)殂q鏈軸線存在傾角，車(chē)門(mén)重力在開(kāi)關(guān)門(mén)方向上存在分力，其大小為：

G=*cos

其中，P為過(guò)重心且垂直于鉸鏈軸線的平面；

GP為重力在平面P上的分力；

G為車(chē)門(mén)重力

A為重力G與平面P的夾角，針對(duì)具體車(chē)型則為恒定值。

車(chē)門(mén)重力分力GP在開(kāi)關(guān)門(mén)方向產(chǎn)生的力矩為：

M=G*L*sinB

其中，LG為車(chē)門(mén)重心到鉸鏈軸線的距離。

B為重力分力GP與重心鉸鏈連線LG的夾角，∠B隨車(chē)門(mén)開(kāi)度變化而變化，因此每個(gè)檔位需分別計(jì)算（注：重力分力GP在重心鉸鏈連線LG的車(chē)內(nèi)側(cè)時(shí)為正，否則為負(fù)）。

圖3 車(chē)門(mén)重力分力矩示意圖

3.4 限位器的阻力矩

3.4.1 限位器彈簧彈力計(jì)算

限位器自身的過(guò)檔力，由限位器滑塊在限位器臂上爬坡時(shí)，壓縮限位器彈簧產(chǎn)生。限位臂兩側(cè)各有一個(gè)彈簧，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，故兩彈簧的總彈力為：

彈= 2**△

其中，K為彈簧的彈性模量；

ΔL為單個(gè)彈簧的壓縮量。

如圖4所示，根據(jù)限位器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，彈簧壓縮量可表示為：

△=0-（H-H1-t）

其中，L0為彈簧自由狀態(tài)下長(zhǎng)度；

H為限位盒閉合高度；

H1為滑塊上彈簧配合端面，到滑塊與限位臂切點(diǎn)的距離；

t為滑塊與限位臂切點(diǎn)，到限位臂中心平面的距離。

圖4 彈簧壓縮示意圖

如圖5所示，根據(jù)限位器滑塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸H1可表示為：

其中，H0為滑塊上，彈簧配合端面到限位臂配合端面的厚度；

R為滑塊圓角半徑；

𝛼為法線與豎直方向的夾角。

圖5 滑塊端部示意圖

如圖6所示，根據(jù)限位器臂斜坡的弧度走勢(shì)，可知最大過(guò)檔力必然出現(xiàn)在頂部圓角區(qū)域內(nèi)，此時(shí)尺寸t可表示為：

其中，r為限位臂凹坑頂部圓角半徑；

h為圓角r的圓心到限位臂中心平面的距離（注：圓心在限位臂中心線下方時(shí)為正，否則為負(fù)）。

圖6 限位臂斜坡局部示意圖

綜合上述分析，兩彈簧總彈力可表示為：

式中，僅角度𝛼隨滑塊爬坡高度而變化，其他均為定值。

3.4.2 限位器沿限位臂方向拉力計(jì)算

滑塊在限位臂上爬坡時(shí)，彈簧彈力為豎直方向的力，部分力轉(zhuǎn)換為水平運(yùn)動(dòng)方向的阻力，滑塊運(yùn)動(dòng)方向的拉力F拉需克服該阻力，其受力分析如圖7所示。

圖7 滑塊上坡時(shí)受力分析示意圖

根據(jù)受力平衡，有：

其中，F(xiàn)N為滑塊受到的支持力；

f為滑塊受到的摩擦力；

μ為摩擦系數(shù)。

據(jù)此可推導(dǎo)出以下公式：

在有潤(rùn)滑脂條件下，滑塊（POM）與限位器臂（PA66）的摩擦系數(shù)較小，所以通常在計(jì)算時(shí)，會(huì)忽略摩擦力的作用，故上式又可表示為：

3.4.3 限位器合力計(jì)算

開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)，限位器不僅有滑塊沿限位臂方向的運(yùn)動(dòng)，還有限位盒、限位臂繞軸線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，其受力過(guò)程可簡(jiǎn)化為圖8模型：

圖8 限位器合力與分力關(guān)系示意圖

圖中：

O：鉸鏈軸線；

A：限位器旋轉(zhuǎn)中心；

B：初始狀態(tài)的限位盒中心點(diǎn)；

B’：為任意檔位時(shí)的限位盒中心點(diǎn)位置；

b：限位盒中心點(diǎn)到鉸鏈軸線的距離，為定值；

c：限位器旋轉(zhuǎn)中心到鉸鏈軸線的距離，為定值；

β：限位盒中心點(diǎn)和鉸鏈軸線連線，與限位盒安裝面的夾角，為定值；

γ：初始位置時(shí)，限位盒中心點(diǎn)和鉸鏈軸線連線OB，與限位器旋轉(zhuǎn)中心和鉸鏈軸線連線OA的夾角，為定值；

λ：任意檔位時(shí)的開(kāi)門(mén)角度；

F合：限位器合力；

F拉：F合在沿限位臂方向上的分力；

F旋：F合在限位臂旋轉(zhuǎn)方向上的分力。

由圖可知，限位器合力F合與沿限位臂方向拉力F拉的關(guān)系為：

又因：

故：

式中，限位器合力F合與沿限位臂方向拉力F拉的關(guān)系，僅與開(kāi)門(mén)角度λ有關(guān)，代入各個(gè)檔位的開(kāi)門(mén)角度即可。

3.4.4 限位器阻力矩計(jì)算

如圖9所示，限位器阻力矩為：

其中，L限為當(dāng)前檔位時(shí)的限位器力臂。

3.4.5 車(chē)門(mén)及限位器過(guò)檔力設(shè)計(jì)應(yīng)用

上文詳細(xì)介紹了車(chē)門(mén)過(guò)檔力的計(jì)算方法，開(kāi)發(fā)者在前期數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段，需首先確定車(chē)門(mén)各個(gè)檔位時(shí)的開(kāi)關(guān)門(mén)力目標(biāo)值，然后根據(jù)該方法確定限位器自身的過(guò)檔力，即確定限位器臂各檔位斜坡的弧度特征。然后在試制階段，對(duì)實(shí)車(chē)的開(kāi)關(guān)門(mén)手感進(jìn)行確認(rèn)，如需調(diào)整，則根據(jù)過(guò)檔力實(shí)測(cè)值，對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行修正，再根據(jù)計(jì)算調(diào)整限位器臂特征。需特別注意的是，零部件實(shí)際質(zhì)量往往與前期設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)估值存在一定的差異，試制階段需對(duì)車(chē)門(mén)的實(shí)際重量進(jìn)行確認(rèn)修正。

4 結(jié)論

本文主要從開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)檔力的影響因素出發(fā)，系統(tǒng)的闡述了開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)的受力情況，并詳細(xì)介紹了人手操作力矩、鉸鏈自身阻力矩、車(chē)門(mén)重力分力矩、限位器阻力矩的計(jì)算方法和應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)。此系統(tǒng)涉及多個(gè)零部件，運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力情況復(fù)雜，通過(guò)本文的介紹，可以給從事相關(guān)專(zhuān)業(yè)的開(kāi)發(fā)者們提供合理的參考幫助。

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Calculation Analysis of Check's Operation Force

Song Minpeng, Wang Yingxin, Zhang Yunfeng

( Zotye Automobile Engineering Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310018 )

Door is one of the most frequently used systems in the vehicle. When users open and close the door, they will have an intuitive feelings through the check's stop. A comfortable experience can improve customersatisfaction and enhance brand image. The experience is mainly provided by the check, but is also significantly related to the handle position, door gravity, hinges, etc. This paper not only analyzes the influence of handle position, door gravity, hinge and check, but introduces the calculation method of the door's operation force in detail, which includes the calculation of the check's resisting moment. It provides a reliable theoretical basis for the design and adjustment of the door's opening and closing feel.

Check; Door’s opening and closing feel; Door's operation force; Check's operation force

U463.83+4

A

1671-7988(2019)13-79-04

U463.83+4

A

1671-7988(2019)13-79-04

宋敏鵬（1989-），男，主管工程師，先后就職于奇瑞汽車(chē)股份有限公司和浙江眾泰汽車(chē)制造有限公司杭州分公司，主要從事汽車(chē)開(kāi)閉件和附件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，對(duì)門(mén)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作有著較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.028