越野車車門過線橡膠護(hù)套的設(shè)計(jì)與分析

侯 超， 韓 彬， 馬文聰， 周智強(qiáng)， 蔡伯松， 劉忠臣

（一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院， 吉林長(zhǎng)春 130000）

1 前言

隨著汽車功能配置的增加， 汽車電氣系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。 越野車車門電氣配置主要包括： 電動(dòng)后視鏡、 后視鏡加熱、 電動(dòng)門鎖、 電動(dòng)玻璃升降器、 車門控制器、 踏步燈、揚(yáng)聲器等。 配置越復(fù)雜， 車門連接處的線束則越多。 汽車車門因頻繁開關(guān)， 車門連接處的線束很容易受到擠壓和摩擦， 長(zhǎng)此以往會(huì)影響線束功能甚至引起短路影響行車安全。因此， 需要設(shè)計(jì)一種過線橡膠護(hù)套連接車門和車體， 保護(hù)內(nèi)部線束。 中國(guó)作為全球第一大汽車市場(chǎng)， 汽車管線帶來的問題與隱患也在不斷増長(zhǎng)。 2018年， 由于起動(dòng)電機(jī)線束固定問題， 長(zhǎng)安福特召回福睿斯19070輛。 同年， 由于動(dòng)力電池電壓采樣線束存在走向不當(dāng)?shù)那闆r， 蔚來召回ES8車型4803輛。 因此， 線束的可靠性在汽車設(shè)計(jì)中是需要著重考慮的。

近年來， 三維建模軟件與CAE有限元分析軟件逐漸成為汽車管線布置與建模的重要手段。 CATIA軟件可以繪制管線的三維模型， 但是無法準(zhǔn)確表示線束的折彎方向和運(yùn)動(dòng)， 因此需要通過專業(yè)的CAE軟件對(duì)線束進(jìn)行仿真。 IPS全稱Industrial Path Solutions， 是專業(yè)的柔性管線建模與仿真軟件。 軟件可以設(shè)置管線的材料屬性、 重力、 扭轉(zhuǎn)等， 能較為真實(shí)地反映線束走向和受力情況。 傅嘯龍等人進(jìn)行過驗(yàn)證： 軟件模擬的管線走向與實(shí)車線束走向基本一致。 并且， IPS軟件可以計(jì)算線束的彎曲半徑、 扭轉(zhuǎn)角度、 端部拉扯力等參數(shù)， 對(duì)線束的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。 目前， 國(guó)內(nèi)基于IPS軟件發(fā)表的相關(guān)論文較少， 軟件在線束設(shè)計(jì)中的應(yīng)用并不廣泛。 本文基于IPS軟件， 首先建立車門過線護(hù)套柔性管線模型， 分析車門開關(guān)時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程及拉伸量， 進(jìn)而優(yōu)化護(hù)套長(zhǎng)度， 最終進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證， 對(duì)IPS軟件的使用具有一定普及性， 同時(shí)對(duì)車門過線橡膠護(hù)套的設(shè)計(jì)具有參考意義。

2 車門過線護(hù)套類型及適用范圍

車門過線護(hù)套由2個(gè)護(hù)套端部和中間膠圈組成， 通過膠圈伸縮減少車門開關(guān)時(shí)對(duì)線束的拉伸與磨損。 常見的有兩種類型： U型護(hù)套和豎型護(hù)套， 如圖1所示。 U型護(hù)套的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)門過程內(nèi)部線束幾乎不竄動(dòng)， 夾線的風(fēng)險(xiǎn)很小，線束不會(huì)疲勞磨損。 但缺點(diǎn)是占用車門的空間較大， 美觀度差。 因此， 適用在車門與車體空間大的車型。 豎型護(hù)套占用的車門空間小， 關(guān)門時(shí)可以隱藏在車門內(nèi)部。 但是開關(guān)門過程中內(nèi)部線束竄動(dòng)和扭轉(zhuǎn)量大， 而且線束竄動(dòng)后可能導(dǎo)致護(hù)套收縮不良， 護(hù)套與線束堆積產(chǎn)生夾線。 根據(jù)車門空間結(jié)構(gòu)， 可以選擇相應(yīng)的過線護(hù)套。 本文所研究的越野車車門和車體之間的間隙較小， 而且考慮到美觀性， 故選擇豎型護(hù)套。

圖1 車門護(hù)套分類

3 系統(tǒng)建模

3.1 模型的構(gòu)建方法

首先在CATIA中創(chuàng)建車門及護(hù)套的三維模型， 并導(dǎo)入IPS軟件中， 模型需要包含車門和部分車體結(jié)構(gòu)、 轉(zhuǎn)軸、 鉸鏈， 如圖2所示。 車門過線護(hù)套為EPDM50材質(zhì)， 豎型護(hù)套常用的有兩種類型， 開口方向夾角分別為90°和180°， 如圖3所示。 導(dǎo)入時(shí)最好取消勾選點(diǎn)和線， 可以簡(jiǎn)化模型， 提高仿真速度。 然后在仿真軟件中設(shè)置運(yùn)動(dòng)， 已知車門打開的最大角度為87°， 需要在軟件中設(shè)置車門從關(guān)閉到開啟到最大角度運(yùn)動(dòng)過程， 從而觀察護(hù)套在過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 最后設(shè)置材料參數(shù)。 仿真全流程見圖4。

圖2 車門模型

圖3 車門過線護(hù)套

圖4 仿真過程流程圖

3.2 材料參數(shù)設(shè)置

為準(zhǔn)確模擬線束的真實(shí)情況， 需要輸入的材料參數(shù)包括； 密度、 直徑、 彎曲剛度、 拉伸剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。 仿真時(shí)將護(hù)套與內(nèi)部線束等效為統(tǒng)一柔性管線， 材料參數(shù)需要使用儀器進(jìn)行測(cè)量， 然后根據(jù)公式進(jìn)行換算。

彎曲剛度的計(jì)算公式為：

式中： GJ——扭轉(zhuǎn)剛度； Φ——扭轉(zhuǎn)量； l——初始長(zhǎng)度； M——扭矩。

最終得到的材料參數(shù)見表1。

表1 柔性管線材料參數(shù)

4 模型分析

首先從彎折方向角度進(jìn)行分析。 圖5為護(hù)套1和護(hù)套2在關(guān)門時(shí)的狀態(tài)， 從圖中可看出，護(hù)套1向轉(zhuǎn)軸方向彎折，容易被車門夾住， 護(hù)套2朝車門內(nèi)側(cè)彎折， 不易夾線。

圖5 關(guān)門時(shí)護(hù)套狀態(tài)

接著從伸長(zhǎng)量的角度分析。 理想狀態(tài)下， 護(hù)套應(yīng)該只扭轉(zhuǎn)， 不伸長(zhǎng)。 伸長(zhǎng)時(shí)， 勢(shì)必要造成內(nèi)部線束和護(hù)套之間產(chǎn)生摩擦， 線束磨損風(fēng)險(xiǎn)很大。 而且如果護(hù)套的橡膠圈收縮不良 （護(hù)套實(shí)物是通過膠圈來伸縮， 不會(huì)像仿真時(shí)理想情況下伸縮拉長(zhǎng)都很順利）， 會(huì)導(dǎo)致關(guān)門時(shí)護(hù)套不能順利恢復(fù)原有長(zhǎng)度， 有夾線風(fēng)險(xiǎn)， 因此伸長(zhǎng)量是仿真分析中著重考慮的參數(shù)。 兩種護(hù)套的伸長(zhǎng)量隨車門運(yùn)動(dòng)時(shí)的變化規(guī)律如圖6所示。 在車門打開到最大角度時(shí)， 伸長(zhǎng)量達(dá)到最大值。 護(hù)套1伸長(zhǎng)量為23.596mm， 護(hù)套2僅為16.286mm。

圖6 伸長(zhǎng)量隨車門運(yùn)動(dòng)變化曲線

綜合分析， 護(hù)套2從折彎方向和伸長(zhǎng)量的角度都優(yōu)于護(hù)套1。 但是車門和車體之間為護(hù)套提供的間隙很小， 橫向空間只有27.5mm， 而且更改車門結(jié)構(gòu)需要昂貴的模具費(fèi)用。護(hù)套2由于2個(gè)接頭呈90°， 而且彎曲時(shí)占用橫向空間比護(hù)套1大， 需要較大的布置空間， 因此護(hù)套2并不適用， 最終只能采用護(hù)套1的方案。

5 長(zhǎng)度優(yōu)化

根據(jù)護(hù)套的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)， 原則上應(yīng)保證護(hù)套內(nèi)部線束在開關(guān)門過程中竄動(dòng)量小于10mm， 即伸長(zhǎng)量小于10mm。 根據(jù)前文分析， 護(hù)套1的伸長(zhǎng)量較大， 減小伸長(zhǎng)量需要增大護(hù)套長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)。 但是由于車體空間很小， 車門和車體之間的間隙無法容納過長(zhǎng)的護(hù)套堆積， 甚至可能夾線， 因此只能放寬優(yōu)化目標(biāo)， 將伸長(zhǎng)量控制在20%以內(nèi)， 并盡量縮短護(hù)套長(zhǎng)度。 通過軟件對(duì)護(hù)套長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化， 結(jié)果如圖7所示。 當(dāng)護(hù)套長(zhǎng)度為105mm時(shí)， 伸長(zhǎng)量減少到18.596mm， 可以滿足要求， 從三維上來看布置空間也足夠。

圖7 仿真結(jié)果

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于車門空間限制， 最終優(yōu)化護(hù)套的伸長(zhǎng)量超過了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值， 因此開關(guān)門線束竄動(dòng)后可能導(dǎo)致護(hù)套收縮不良，護(hù)套與線束堆積產(chǎn)生夾線。 為識(shí)別護(hù)套在實(shí)車開關(guān)門過程的風(fēng)險(xiǎn)性， 需試制護(hù)套搭載車門開關(guān)門10萬次試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 如圖8所示。

圖8 10萬次開關(guān)門臺(tái)架試驗(yàn)

從圖8b中可以看出， 關(guān)門時(shí)護(hù)套彎折方向靠近轉(zhuǎn)軸，這與仿真結(jié)果一致。 10萬次開關(guān)門試驗(yàn)中， 沒有出現(xiàn)夾線情況， 線束表面的PVC膠帶有輕微磨損， 但是不影響線束功能。 需對(duì)線束表面防護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)， 纏繞一些耐磨材料，或者增加PVC膠帶的厚度， 改進(jìn)后的護(hù)套可以滿足要求。

7 結(jié)束語

本文基于IPS軟件， 建立了兩種車門過線護(hù)套的仿真模型， 從空間布置、 折彎方向以及伸長(zhǎng)量的角度對(duì)兩種護(hù)套進(jìn)行對(duì)比。 護(hù)套2從折彎方向和伸長(zhǎng)量的角度都優(yōu)于護(hù)套1，但無法布置在現(xiàn)有車門空間內(nèi)， 最后只能選取護(hù)套1的方案。 但是護(hù)套1無論如何優(yōu)化， 都不能保證伸長(zhǎng)量在10mm以內(nèi)， 因此還需要借助臺(tái)架試驗(yàn)， 驗(yàn)證護(hù)套的可靠性與夾線風(fēng)險(xiǎn)性。 試驗(yàn)結(jié)果顯示， 護(hù)套沒有出現(xiàn)夾線情況， 但是需要加強(qiáng)表面防護(hù)。 如果后續(xù)其他車型可以更改車門結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選用護(hù)套2， 并且可以進(jìn)一步通過軟件優(yōu)化護(hù)套2的接頭角度。 本文實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到仿真， 最終試驗(yàn)驗(yàn)證的閉環(huán)，對(duì)車門過線橡膠護(hù)套的設(shè)計(jì)具有參考意義。