多連桿機構在隱藏外開手柄中的設計應用

龐夏光　亓歡寧　謝崇早

關鍵詞：隱藏手柄；四連桿；多連桿；結(jié)構設計；運動分析；技術要求

中圖分類號：U463.85+4 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，汽車技術迅猛發(fā)展，特別是新造車勢力的加入，使得汽車的電動化、智能化成為重要趨勢。汽車外開手柄是汽車的重要部件，是乘客首先看到和觸摸到的零件，承載著車門開啟和造型外觀的雙重要求。隱藏式外開手柄可以為用戶提供更好的開門體驗，正越來越多地被各新車型應用。但由于其屬機電一體化產(chǎn)品，結(jié)構較傳統(tǒng)手柄更為復雜，在設計及開發(fā)存在一定難度。

工業(yè)化發(fā)展迅猛的今天，自動化生產(chǎn)線上的送料機構、快速壓力機、機器人步行機運動構、內(nèi)燃機配氣結(jié)構、裝載機及挖掘機主臂等都基于多連桿機構展開應用。而汽車行業(yè)當中的雨刮、底盤懸架等都基于多連桿機構展開應用。目前具體到隱藏式手柄行業(yè)，同樣可從連桿機構作為突破口，同時結(jié)合CAD、CAE 等輔助設計應用，把多連桿機構在平推外開手柄內(nèi)部關鍵的伸縮功能拓展實現(xiàn)應用。

1 隱藏外開簡介及常規(guī)結(jié)構形式

隱藏外開手柄的工作原理是，在不需要使用車門外開手柄時，整個外開手柄隱藏于車門中。這時外開手柄與車門外板曲面保持一致，猶如門板的一部分，感知好，能有效減小風阻和降低風噪。當需要使用手柄開啟車門時，手柄可以伸出足夠空間供乘員抓握，解鎖并開啟車門。目前，按手柄伸出時的運動形式，市場上的車型主要存在2 種類型的隱藏外開手柄，分別為旋出式外開手柄和平推式外開手柄。

1.1 旋出式外開手柄

旋出式隱藏外開手柄在解鎖時，手柄會繞著旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，在手柄后側(cè)出現(xiàn)足夠的空間供乘員抓握，拉動手柄解鎖后開啟車門（圖1）。這種手柄結(jié)構相對簡單，成本較低，缺點是旋出后供乘員抓握長度短，手柄與門板之前空間不足，人機操作較差。在旋出式隱藏外開手柄的結(jié)構中，手柄本身為一根杠桿，只需把內(nèi)部增加轉(zhuǎn)換的結(jié)構，即可把行程傳遞進而實現(xiàn)拉開解鎖。

1.2 平推式外開手柄

平推式隱藏外開手柄在解鎖時，手柄以近似與門板平行的方式運動，完全伸出時與門板平行（圖2）。這種手柄平出時更具科技感，為乘員提供更佳的人機空間以及操作體驗。但手柄一般要靠復雜的連桿機構實現(xiàn)基本功能，內(nèi)部空間也對結(jié)構復雜的布置帶來較大的挑戰(zhàn)。因此，平推結(jié)構總體成本以及對整體設計開發(fā)要求較高。

2 基本概念性功能原理

如果把實現(xiàn)手柄的伸出、縮回作為基本概念性功能，那么平推式隱藏外開手柄的連桿機構可以以常規(guī)平行四邊形原理做參考（圖3）。手柄作為其中一連桿，限制其只能伸縮運動（圖3 中的上下運動），那么只需要有伸縮機構給手柄對向的連桿（綠色）提供動力做水平的移動。如另外兩根連桿長度差異，表現(xiàn)的運動也產(chǎn)生差異。

2.1 功能拓展原理

平推式隱藏外開手柄一般工作過程共分為3 個位置。第1 個位置是隱藏位置（即圖3a 所示位置），該位置為隱藏手柄未動作時的狀態(tài)，手柄與外板平齊。第2 個位置為平推展開位置（即圖3b所示位置），該位置為手柄接收到相關信號，通過執(zhí)行器的推桿伸出，驅(qū)動手柄內(nèi)部連桿機構運動，轉(zhuǎn)換成手柄趨向平推伸出，使手柄展開到與門外板平行位置，提供足夠空間供乘員抓握。第3 個位置為解鎖位置，該位置在外力作用下，拉動手柄進行旋轉(zhuǎn)運動。

2.1.1 功能拓展示例1

基于以上基本需求，搭建以A、B、C、D 為軸點組成的一個基本四連桿結(jié)構（即四邊形）。把連桿AB 拓展彎曲延伸至E 點，E 點設為固定在基座上的轉(zhuǎn)軸；把連桿AC 拓展延伸至F 點， F 點也設為固定轉(zhuǎn)軸?？梢钥闯?，A 和F 這2 個轉(zhuǎn)軸位置限定后，如AB 連桿繞E 點運動時會帶動整個A、B、C、D 組成的 4 連桿機構進行運動（圖4a）。

具體可以設置伸縮機構提供輸出力，作用于BE 連桿的彎曲段（AE）， 使其產(chǎn)生一定范圍的轉(zhuǎn)動， 從理論上可以實現(xiàn)BD 連桿的趨向平出往上的運動。BD 連桿設定為手握處的手柄（圖4b）。同時，如在AF 連桿上的C 點設置導槽，CD 連桿中C 點可在除了做旋轉(zhuǎn)運動還能做在導槽中做滑動。

平出完成后，AB 連桿旋轉(zhuǎn)到達最大位置不能再動，拉動BD手柄解鎖時，手柄BD 繞B 點進行旋轉(zhuǎn)，此時C、D 點（手柄尾端）翹起。拉動CD 連桿，CD 連桿在導槽中滑動，把D 點（手柄尾端）翹起（圖4c），理論上通過結(jié)構上的設計，把行程傳遞給門鎖外開拉索，進而實現(xiàn)解鎖。這個過程同傳統(tǒng)車門把手解鎖的效果類似。

2.1.2 功能拓展示例2

以同等的基本需求，搭建A、B、C、D 為軸點組成一個基本四連桿，把連桿AB 拓展彎曲延伸至E。E 點設為固定在基座的轉(zhuǎn)軸，D 點也設為固定在基座的轉(zhuǎn)軸，CD 連桿繞D 點旋轉(zhuǎn)。把連桿AC 拓展增加滑槽，F(xiàn)G 連桿中的F 點在滑槽中設為可轉(zhuǎn)動及滑動，BG 設為其中的連桿?？梢钥闯?，E 和D 這2 個轉(zhuǎn)軸位置限定后，如AB 連桿繞E 點運動時，會帶動整個A、B、C、D 及G 組成的5 連桿機構進行運動（圖5）。

具體可以設置伸縮機構提供輸出力，作用于BE 連桿的彎曲段（AE），使其產(chǎn)生一定范圍的轉(zhuǎn)動，從理論上可以實現(xiàn)BG 連桿趨向平出往上的運動。BG 連桿設定為手握處的手柄。同時，F(xiàn)G 連桿上的F 點設置為只要有向上的力作用，都可在導槽中滑動，同時還能隨整個連桿機構做旋轉(zhuǎn)運動。設置伸縮機構提供輸出力，作用于BE 連桿的彎曲段（AE），使其產(chǎn)生一定范圍的轉(zhuǎn)動，從理論上同樣可以實現(xiàn)BG 手柄連桿趨向平出往上的運動。

平出完成后，AB 連桿旋轉(zhuǎn)到達最大位置不能再動。拉動BD手柄解鎖時，手柄BG 繞B 點進行旋轉(zhuǎn)，G 點（手柄尾端）翹起。拉動BG 連桿，F(xiàn)G 連桿的F 點在導槽中滑動，理論上通過結(jié)構上的設計，把行程傳遞給門鎖外開拉索，進而實現(xiàn)解鎖。這個過程理論上也能實現(xiàn)傳統(tǒng)手柄一樣開鎖的效果。

3 多連桿機構設計及校核

3.1 設計基本參數(shù)確定及概念連桿運動模型建立

以上所述僅為很初級的多連桿展開概念理論。實際在隱藏外開手柄設計中，還要結(jié)合目標需求及邊界條件進行約束，確定關鍵的基本目標需求參數(shù)，再進行下一步工作。目標需求參數(shù)主要有以下幾個：①推出手握人機空間需求，手柄整體尺寸；②手柄一段展出距離，手柄二段拉出距離；③拉開解鎖力、輸出解鎖行程[1] ；④伸縮機構的推力、推出行程；⑤ Y 向布置空間[2] ；⑥耐慣性力校核[3]。

基于主要參數(shù)作為限制后，要完成高效、可靠的設計，通常都在如UG、Solid Works 等設計軟件中進行初版運動仿真模型建立，確認運動模型可實現(xiàn)性及各個連桿的受力情況。這個過程需要帶參數(shù)不斷修改調(diào)整連桿長度尺寸以及轉(zhuǎn)軸位置，從而確認各機構的初始值，并且符合基本參數(shù)要求（圖6）。

3.2 配合件與連桿布置設計

根據(jù)在設計軟件里建立的概念運動模型，把最終要實現(xiàn)運動功能匹配件的各項細節(jié)零件進行初步布置。主要涉及的零件有底座、伸縮機構（執(zhí)行器）、手柄主體、連桿、旋轉(zhuǎn)軸、推塊和彈簧等。連桿在設計并聯(lián)機構中應具有剛度大、響應快和精度高等優(yōu)點[4]。將布置進一步細化，并確認運動模型的可實現(xiàn)性，這個過程需要帶參數(shù)不斷修改調(diào)整連桿長度尺寸、轉(zhuǎn)軸位置，把各機構進一步確認最優(yōu)值（圖7）。

3.3 連桿機構細化設計

（1）連桿機構中涉及的幾根軸要平行；連桿上有通孔，要與軸等其他件受力。在保證連桿厚度的同時做大加筋條予以加強，然后再進行減料。另外，確定主壁厚，要設計出凸邊并增加加強筋予以加強（圖8）。

（2）為了保證連桿的強度，其在運動包絡占用空間最小，以及單件具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，連桿除了厚度尺寸盡可能做大，寬度尺寸也在保證空間需求滿足的情況下盡量做大，以保證軸強度及軸與連桿配合的強度。

（3）主連桿中間端設計滑動連桿弧形導槽，保證與滑動軸的配合間隙?；瑒虞S配合導槽底部孔設計回位緩沖膠，能實現(xiàn)裝配的情況下盡量把連桿上做成一體注塑轉(zhuǎn)軸。

3.4 連桿機構與其他零件細化設計

隱藏手柄結(jié)構如圖9 所示，還需要對相關的底座、執(zhí)行器、手柄主體、連桿機構、旋轉(zhuǎn)軸、推塊和彈簧等部件進行進一步的細化設計，以更合理地匹配連桿機構。

4 相關CAE 分析校核

產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)中的CAE 分析在階段性理論求證中也尤其重要。CAE 分析可以最大限度地模擬實際工況，在理論層面校核概念原理以及結(jié)構設計。其中涉及的相關CAE 分析內(nèi)容通常有運動仿真、模態(tài)和受力等。其中，運動仿真的目的是為校核機構的實現(xiàn)可行性、各運動件之間的安全間隙以及干涉檢查。模態(tài)主要分析整個機構運動的振動屬性。另外，開啟力校核是車門外把手系統(tǒng)設計布置的一個關鍵控制點，也是對車門外把手結(jié)構、彈簧選擇和基座平衡塊等細分零件的一個綜合考察，在此不做展開。受力部分應采用強度較高的材料[5]。

主基座與連桿機構比較關鍵的性能在CAE 分析軟件中的分析情況如下。

4.1 靜力學分析校核

基座及連桿機構靜力學分析校核如圖10 所示。CAE 分析結(jié)果顯示，在100 N 推出阻力工況下，連桿最大位移為0.554 mm，出現(xiàn)在連桿末端位置（目標值為5.000 mm）。

4.2 受力形變校核

連桿機構受力形變校核如圖11 所示。CAE 分析結(jié)果顯示，連桿機構受Y 方向1 000 N 拉力作用時， 最大變形產(chǎn)生位移12.600 mm，出現(xiàn)在連桿靠近手柄末端處（目標值為13.000 mm）。

4.3 應力校核

連桿機構應力校核如圖12 所示。CAE 分析結(jié)果顯示，連桿機構受Y 方向1 000 N 拉力作用時， 最大應力為280.0 MPa，出現(xiàn)在連桿的銷孔拐角處（目標值為300.0 MPa）。

結(jié)合過往行業(yè)內(nèi)開發(fā)的經(jīng)驗對比分析結(jié)果，連桿結(jié)構方案應用于隱藏把手，其性能可達到常規(guī)把手性能的80% 左右。因此，在科技化智能化的大背景下，平推式隱藏外開手柄成為造車新勢力主推結(jié)構。

4 結(jié)束語

隱藏手柄作為一種汽車新興技術，已經(jīng)被越來越多的主機廠應用。隨著汽車設計水平與生產(chǎn)工藝的不斷提升，隱藏手柄逐漸成為汽車特別是新能源汽車的主流應用手柄，因此也給設計開閉件的技術人員提出了此方面技術儲備的要求及研究課題。

本文基于多連桿結(jié)構作為基礎技術的切入點，并結(jié)合采用CAD、CAE 設計軟件，對隱藏外開手柄在實現(xiàn)關鍵的伸縮功能方面開展了技術研究和開發(fā)應用，使設計開發(fā)效率及產(chǎn)品可靠性進一步提升。希望通過本文拋磚引玉，結(jié)合具體實踐，為廣大整車及零部件從事人員提供一些參考。

作者簡介：

龐夏光，本科，工程師，研究方向為車門附件。

亓歡寧，本科，高級工程師，研究方向為車門附件。

謝崇早，本科，工程師，研究方向為車門附件。