基于Excel的行李箱蓋拉簧

摘 要：拉簧-氣彈簧助力開啟的三廂車行李箱蓋系統(tǒng)中，其拉簧力值、氣彈簧力值以及布置位置在正向設(shè)計過程中需進行大量的數(shù)據(jù)計算，為簡化布置難度，對行李箱蓋系統(tǒng)開閉過程建立了力學(xué)模型，將拉簧力矩、氣彈簧力矩以及行李箱蓋重力矩表示為以行李箱蓋開閉角度為單一變量的參數(shù)，并應(yīng)用Excel編輯形成了計算表單來簡化計算過程。同時，通過理論分析提出了該系統(tǒng)中拉簧力值與氣彈簧力值的優(yōu)化設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：Excel 行李箱蓋 拉簧 氣彈簧

轎車后行李箱蓋系統(tǒng)助力開啟機構(gòu)設(shè)計是整個行李箱蓋系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)選型、助力零件布置位置以及力值設(shè)計決定了行李箱蓋系統(tǒng)的手動操作舒適性（手動開閉力與開閉速度等）以及極端工況下的開閉可靠性與保持性。目前行李箱蓋助力開啟機構(gòu)主要有扭桿彈簧助力鵝頸式鉸鏈的型式、氣彈簧助力四連桿鉸鏈的型式、氣彈簧助力鵝頸式鉸鏈的型式、拉簧與氣彈簧助力鵝頸式鉸鏈的型式、以及電動驅(qū)動行李箱蓋自動開閉的型式。在所有的手動開閉型式中，拉簧與氣彈簧助力鵝頸式鉸鏈的型式在開閉操作力、開啟速度與可靠性方面表現(xiàn)最佳，且易于實現(xiàn)與電動配置的同鈑金兼容設(shè)計，是高端三廂車行李箱蓋助力機構(gòu)中手動配置結(jié)構(gòu)的優(yōu)選型式[1-2]。

在行李箱蓋拉簧與氣彈簧的設(shè)計開發(fā)過程中，其力值大小與布置位置需與行李箱蓋鉸鏈軸線布置位置以及行李箱蓋質(zhì)量質(zhì)心匹配計算，該過程需要進行大量的數(shù)據(jù)處理與計算。為解決計算量大的問題，本文通過建立拉簧-氣彈簧助力行李箱蓋開閉的力學(xué)模型，將手動開閉力轉(zhuǎn)換為以行李箱蓋開啟角度為單一變量的參數(shù)，并應(yīng)用Excel軟件的公式編輯功能對計算過程進行了編輯，行程計算表單，實際使用過程中僅需輸入各機構(gòu)的布置坐標(biāo)以及初始力值，即可自動運算輸出行李箱蓋開閉全程的手動操作力。

1 拉簧-氣彈簧開閉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

1.1 拉簧-氣彈簧開閉系統(tǒng)幾何模型建立

拉簧-氣彈簧助力開啟的行李箱蓋開閉系統(tǒng)按相對運動關(guān)系可分為鉸鏈固定端、鉸鏈運動端、氣彈簧與拉簧四部分。如圖1所示，O為鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線，A為氣彈簧車身端固定點，B為氣彈簧行李箱蓋端固定點，C為拉簧車身端固定點，D為拉簧行李箱蓋端固定點。行李箱蓋開閉過程中，氣彈簧通過B點施力于行李箱蓋，拉簧通過D點施力于行李箱蓋，推動尾門開啟或關(guān)閉。

1.2 拉簧-氣彈簧開閉系統(tǒng)力學(xué)模型建立

如圖2所示，行李箱蓋在任意開啟角度下，氣彈簧通過B點作用于行李箱蓋的推力為Fgas，其以鉸鏈軸線O為旋轉(zhuǎn)支點的力臂為Lgas；拉簧通過D點作用于行李箱蓋的拉力為FS，其以鉸鏈軸線O為旋轉(zhuǎn)支點的力臂為LS。

在行李箱蓋開啟過程中，氣彈簧力矩Mgas與雙側(cè)拉簧力矩MS共同作用克服行李箱蓋重力力矩MG與鉸鏈摩擦扭矩Mf，實現(xiàn)行李箱蓋開啟至最大開度，開啟全程需滿足：

在行李箱蓋關(guān)閉過程中，需手動施加關(guān)閉力，同重力力矩MG一同克服氣彈簧力矩Mgas、雙側(cè)拉簧力矩MS以及鉸鏈摩擦扭矩Mf，實現(xiàn)行李箱蓋關(guān)閉，其手動關(guān)閉力為：

式中LHAND為手動操作點距鉸鏈軸線的距離。

2 以開閉角度θ為單一變量的參數(shù)計算

2.1 氣彈簧力矩Mgas與開閉角度θ的關(guān)系轉(zhuǎn)換

2.1.1 氣彈簧作用力臂的轉(zhuǎn)換

B（xB，zB）點為氣彈簧與鉸鏈運動端的連接點，行李箱蓋開閉過程中繞O（xO，zO）點旋轉(zhuǎn)運動。如圖3所示，在行李箱蓋關(guān)閉狀態(tài)下（行李箱蓋開閉角度θ=0°），直線OB與水平方向夾角為：

行李箱蓋在任意開閉角度θ時，直線OB'與水平方向夾角為α+θ，則（，）點坐標(biāo)可表示為：

其中，。

A（xA，zA）點為氣彈簧與車身端的連接點，在行李箱蓋開閉全過程中坐標(biāo)不變，行李箱蓋任意開閉角度下氣彈簧以鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線O為支點的力臂為：

2.1.2 氣彈簧作用力的轉(zhuǎn)換

氣彈簧內(nèi)部高壓氣體體積隨行李箱蓋開閉角度θ的變化而變化，在任意開閉角度θ狀態(tài)下氣彈簧的長度變化為：

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV/T=nRT，可得任意開閉角度θ下的其彈簧輸出力FGAS=f（θ）。通過上述計算轉(zhuǎn)換，可將氣彈簧作用力矩Mgas表示為以行李箱蓋開閉角度θ為單一變量的參數(shù)。

2.2 拉簧力矩MS與開閉角度θ的關(guān)系轉(zhuǎn)換

2.2.1 拉簧作用力臂的轉(zhuǎn)換

D（xD，zD）點為拉簧與鉸鏈運動端的連接點，其軌跡變化與B點相同，在行李箱蓋開閉過程中繞O（xO，zO）點旋轉(zhuǎn)運動，同理可得行李箱蓋在任意開閉角度θ時，（，）點坐標(biāo)可表示為：

其中，，β為直線OD與與水平方向的夾角。

C（xC，zC）點為拉簧與車身端的連接點，在行李箱蓋開閉全行程中坐標(biāo)不變，行李箱蓋任意開閉角度下拉簧以鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線O為支點的力臂為：

2.2.2 拉簧作用力的轉(zhuǎn)換

拉簧輸出力變化符合胡克定律，與拉簧長度變化量△L呈正比，在行李箱蓋任意開閉角度θ狀態(tài)下拉簧的長度變化為：

通過公式公式（10）與（11）可將拉簧作用力矩MS表示為以行李箱蓋開閉角度θ為單一變量的參數(shù)。

2.3 重力力矩MG與開閉角度θ的關(guān)系轉(zhuǎn)換

在行李箱蓋開閉過程中，行李箱蓋質(zhì)心G（xG，zG）以鉸鏈旋轉(zhuǎn)點O（xO，zO）為圓心旋轉(zhuǎn)運動，重力力臂LG隨行李箱蓋開閉角度θ的變化而變化。

如圖4所示，在行李箱蓋閉合位置，行李箱蓋質(zhì)心G（xG，zG）與鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心O（xO，zO）的連線OG與豎直方向夾角ω為：

行李箱蓋在任意開閉角度θ位置時，行李箱蓋質(zhì)心與鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心連線與豎直方向夾角為（ω+θ），此時行李箱蓋質(zhì)心x坐標(biāo)為：

其中。

任意開度θ位置行李箱蓋重力以鉸鏈軸O為旋轉(zhuǎn)軸線的力矩為：

上述計算轉(zhuǎn)換，得到以開閉角度θ為單一變量的行李箱蓋重力力矩MG。

3 Excel軟件計算工具的輸入與輸出

3.1 Excel軟件計算工具的輸入條件

通過公式（2）-（14）的計算轉(zhuǎn)換，各作用力均表示為以行李箱蓋開閉角度θ為單一變量的參數(shù)，應(yīng)用Excel軟件對公式進行編輯的輸入條件如表1所示。

3.2 拉簧作用力矩的定義與調(diào)整

拉簧-氣彈簧助力開啟型式的行李箱蓋的開啟速度是關(guān)系用戶感官質(zhì)量的重要關(guān)注點，為避免行李箱蓋彈開速度過快，通常設(shè)計拉簧作用力矩略小于尾門重力力矩。如圖5所示，為通過Excel軟件計算輸出的某車型行李箱蓋拉簧作用力矩與重力力矩隨行李箱蓋開度變化曲線，通過該輸出曲線可直觀地指導(dǎo)拉簧布置點與力值設(shè)計。

3.3 手動關(guān)閉操作力曲線的分析與調(diào)整

顧客操作舒適的拉簧-氣彈簧行李箱蓋設(shè)計目標(biāo)為：（1）行李箱蓋啟動開啟后，自動彈起至最大開度（運行平順且末端緩?fù)＃┎⒈３朱o止（包括有雪載質(zhì)量以及前后駐坡情況）；（2）行李箱蓋關(guān)閉過程中，全程手動操作力不超過60N，初始關(guān)閉力（末端保持力）不超過25N～40N。

如圖6所示，為通過Excel軟件計算輸出的某車型行李箱蓋手動關(guān)閉力曲線，在設(shè)計目標(biāo)不滿足的情況下，可通過調(diào)整氣彈簧與拉簧的安裝點位置坐標(biāo)以及初始力值快速調(diào)整。

4 結(jié)論

通過對拉簧-氣彈簧助力開啟的行李箱蓋系統(tǒng)建立力學(xué)模型，將拉簧的作用效果、氣彈簧的作用效果以及重力的作用效果表示為以行李箱蓋開閉角度為單一變量的參數(shù)，并應(yīng)用Excel編輯形成了計算表單來簡化計算過程。此外，通過理論分析提供了行李箱蓋系統(tǒng)拉簧力與手動操作開閉力的設(shè)計優(yōu)化方法。

參考文獻：

[1]沈茂濤.車門鉸鏈及行李箱蓋扭桿彈簧的布置計算[J].汽車技術(shù)，2012（8）：29-30.

[2]徐璐.扭桿彈簧在行李箱蓋系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2014（5）：169-170.