汽車(chē)尾門(mén)質(zhì)心測(cè)量試驗(yàn)方法研究

摘 要：為解決設(shè)計(jì)時(shí)，尾門(mén)鈑金減薄率、尾門(mén)附件重量誤差等使得尾門(mén)設(shè)計(jì)質(zhì)心與實(shí)際尾門(mén)質(zhì)心不符，尾門(mén)氣彈簧安裝點(diǎn)布置無(wú)法達(dá)到最佳布置點(diǎn)，從而導(dǎo)致尾門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)力與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在較大偏差的問(wèn)題，文章對(duì)汽車(chē)尾門(mén)零件的實(shí)際質(zhì)心的測(cè)量方法進(jìn)行研究，得出使用臺(tái)架輔助測(cè)量、利用臺(tái)架或工具測(cè)量整車(chē)、解決部分角度測(cè)量?jī)x角度測(cè)試限制問(wèn)題三種方法。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 尾門(mén)質(zhì)心 測(cè)量

隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)越多人開(kāi)上了汽車(chē)，大家對(duì)汽車(chē)使用的需求也越來(lái)越高，人們對(duì)汽車(chē)的要求從原來(lái)的汽車(chē)耐用、實(shí)用慢慢升級(jí)到汽車(chē)需要像手機(jī)一樣多功能、智能化、自動(dòng)化。而汽車(chē)的感知也從最初的外造型好看提升至現(xiàn)在的整車(chē)零件都需要滿足五感體驗(yàn)，即形、聲、色、味、觸都需要滿足客戶(hù)日益提升的需求。自SUV生產(chǎn)以來(lái)，尾門(mén)的大空間進(jìn)出性，存放貨物或行李的便利性一直為SUV的優(yōu)勢(shì)所在。但同樣的，尾門(mén)的大小、重量增加了，帶來(lái)的尾門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)力過(guò)大也是人們對(duì)SUV的詬病所在。文章通過(guò)解決尾門(mén)質(zhì)心測(cè)量問(wèn)題改善尾門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)力與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在較大偏差的問(wèn)題。

1 背景

隨著汽車(chē)用戶(hù)對(duì)汽車(chē)使用體驗(yàn)的要求越來(lái)越高，汽車(chē)各部位的感知問(wèn)題都亟須改善，尾門(mén)的開(kāi)關(guān)門(mén)力一直是汽車(chē)用戶(hù)抱怨的一個(gè)點(diǎn)。

文章設(shè)定尾門(mén)質(zhì)心處的力為G，用戶(hù)開(kāi)關(guān)門(mén)操作力為F1，氣彈簧提供的力為F2，不考慮夾角與摩擦力的情況下，G=F1+F2。當(dāng)我們需求F1處于一個(gè)開(kāi)關(guān)門(mén)力舒適區(qū)時(shí)，必須要求F2能滿足一定的力值。而氣彈簧的F2力值受限于氣彈簧前后布置點(diǎn)，氣彈簧布置點(diǎn)又受限于尾門(mén)質(zhì)心的位置。

在前期設(shè)計(jì)時(shí)，文章統(tǒng)計(jì)尾門(mén)各個(gè)部位的零件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)質(zhì)心、鉸鏈軸線、開(kāi)關(guān)門(mén)施力點(diǎn)等用于布置尾門(mén)氣彈簧安裝點(diǎn)。但是由于鈑金類(lèi)零件減薄率等原因，尾門(mén)附件實(shí)際密度、大小，尾門(mén)涂膠等，造成尾門(mén)理論質(zhì)心與尾門(mén)實(shí)際質(zhì)心差異較大，從而使得氣彈簧布置點(diǎn)不是最佳布置點(diǎn)，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)門(mén)力的要求。因此，我們需要一些方法去測(cè)量尾門(mén)實(shí)際質(zhì)心，以下三種方法是通過(guò)多次驗(yàn)證得到的結(jié)論，僅供大家參考。

2 汽車(chē)尾門(mén)質(zhì)心測(cè)量方法

2.1 方法1：使用臺(tái)架輔助測(cè)量

方法1為使用臺(tái)架進(jìn)行輔助測(cè)量的一種方法。臺(tái)架如下圖1所示。

臺(tái)架要求：臺(tái)架前端需要有2個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)上帶有連接繩或其他固定裝置用于固定尾門(mén)鉸鏈，后端至少需要1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)上帶有連接繩或其他固定裝置用于固定尾門(mén)鎖或鈑金。測(cè)量點(diǎn)上帶有力值傳感器，用于檢測(cè)受力情況。各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的繩子或固定裝置要求保證垂直，長(zhǎng)度相同，使得尾門(mén)相對(duì)水平。

尾門(mén)要求：尾門(mén)要求零件裝配齊全，包括其上的玻璃、鉸鏈、鎖、線束等。

接下來(lái)是測(cè)量方法。第一步，利用臺(tái)秤或其他稱(chēng)重設(shè)備，測(cè)量尾門(mén)系統(tǒng)的質(zhì)量m。

第二步，測(cè)量尾門(mén)質(zhì)心在測(cè)量系統(tǒng)中的X、Y、Z坐標(biāo)。如圖2示意圖，首先，測(cè)量尾門(mén)質(zhì)心Y坐標(biāo)。兩個(gè)人把尾門(mén)懸掛在同一水平橫梁的兩個(gè)力傳感器的連接繩上，尾門(mén)保持不動(dòng)，使用傳感器測(cè)量尾門(mén)，根據(jù)公式（1），我們推出公式（2）。

式中：G為尾門(mén)重力，m為尾門(mén)質(zhì)量，F(xiàn)a1和Fa2為傳感器F1和F2測(cè)量尾門(mén)重量時(shí)力值的數(shù)據(jù)，b為兩個(gè)傳感器間的距離，y為定義的尾門(mén)中心Y軸坐標(biāo)。

再者，測(cè)量尾門(mén)質(zhì)心的X坐標(biāo)。如圖3所示，將尾門(mén)的鉸鏈側(cè)懸掛在同一水平的橫梁的兩個(gè)力傳感器F1和F2的連接繩上，再把后端測(cè)量點(diǎn)的連接繩固定住尾門(mén)的尾部固定點(diǎn)，使得尾門(mén)位置處于一個(gè)水平狀態(tài)。

根據(jù)海倫公式（3）（4）（5），推出得到公式（6）。我們?cè)O(shè)此水平狀態(tài)下質(zhì)心的位置為（X，Y，0），根據(jù)力矩在X軸上的平衡得公式（7），再根據(jù)公式（1），推出公式（8）得出x軸坐標(biāo)。

式中：S為ABC三角形面積，P為ABC三角形半周長(zhǎng)，a、b、c為ABC三角形中邊BC、邊AC、邊AB間的長(zhǎng)度，h為點(diǎn)B到邊AC間的直線距離，F(xiàn)1 、F2 、F3分別為A、C、B點(diǎn)傳感器測(cè)量的拉力值，G為尾門(mén)重力，x為尾門(mén)重心X軸坐標(biāo)。

最后，測(cè)量尾門(mén)質(zhì)心的Z坐標(biāo)。如圖4所示，將尾門(mén)的鉸鏈側(cè)懸掛在同一水平的橫梁的兩個(gè)力傳感器F1和F2的連接繩上，保持尾門(mén)靜止?fàn)顟B(tài)下，用激光筆投影測(cè)量出e。首先得到公式（9），由相似三角形定理得到公式（10），從公式（10）可以推出公式（11），最后由公式（12）得到Z坐標(biāo)值j。

式中：f為鉸鏈軸線至尾門(mén)下部點(diǎn)的垂直高度，h為尾門(mén)鉸鏈軸線至尾門(mén)下部點(diǎn)的長(zhǎng)度，e為尾門(mén)下部點(diǎn)至激光筆投影位置的水平距離，j為鉸鏈軸線至尾門(mén)重心的距離，即Z坐標(biāo)，z為尾門(mén)重心至尾門(mén)的法向距離，x為尾門(mén)鉸鏈軸線與重心到尾門(mén)的法向線的距離，F(xiàn)3為圖3中B點(diǎn)傳感器測(cè)量的拉力值。

第三步，將測(cè)量系統(tǒng)中的尾門(mén)質(zhì)心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成整車(chē)?yán)碚摖顟B(tài)下的尾門(mén)質(zhì)心坐標(biāo)，即將坐標(biāo)系中的A、B、C點(diǎn)坐標(biāo)移動(dòng)至整車(chē)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)即可得到真實(shí)的尾門(mén)質(zhì)心坐標(biāo)。

2.2 方法2：利用臺(tái)架或工具測(cè)量整車(chē)

方法2所使用的臺(tái)架與尾門(mén)要求與方法1一致。方法2是利用臺(tái)架或工具測(cè)量整車(chē)狀態(tài)下，不同開(kāi)啟角度的尾門(mén)、不同狀態(tài)時(shí)的拉力以及角度來(lái)計(jì)算尾門(mén)質(zhì)心。其原理為在無(wú)氣彈簧、尾門(mén)密封條、緩沖膠塞、限位器、尾門(mén)鎖等作用力影響的狀態(tài)下，尾門(mén)系統(tǒng)靜止在任意開(kāi)度狀態(tài)時(shí)，尾門(mén)系統(tǒng)重力力矩與作用在尾門(mén)系統(tǒng)上的拉力力矩平衡。

步驟主要分為六步，測(cè)量示意如圖5所示。第一步，利用臺(tái)秤或其他稱(chēng)重設(shè)備，測(cè)量尾門(mén)系統(tǒng)的質(zhì)量m。第二步，利用拉力計(jì)分別測(cè)量尾門(mén)系統(tǒng)2個(gè)不同開(kāi)啟角度α，β時(shí)的Z向拉力F1、F2。α與β的角度可用角度測(cè)量?jī)x記錄，并且α與β差值盡可能大，減小誤差。第三步，利用UG測(cè)量2個(gè)不同開(kāi)啟角度α，β時(shí)的F1與F2 對(duì)應(yīng)的力臂S1與S2。第四步，利用前3步的數(shù)據(jù)可直接計(jì)算得出2個(gè)不同開(kāi)啟角度α，β時(shí)的尾門(mén)系統(tǒng)質(zhì)心所在的Z向直線1與直線2，綜上及平衡定理可以推出公式（13）與公式（14）。第五步，在UG上將直線1旋轉(zhuǎn)α與β的角度差，直線1與直線2的交點(diǎn)1即為尾門(mén)系統(tǒng)在開(kāi)啟角度β時(shí)的質(zhì)心位置。最后，在UG上將交點(diǎn)1反轉(zhuǎn)β角度至尾門(mén)系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)即可得到整車(chē)狀態(tài)下的實(shí)際質(zhì)心位置。

式中：L1/L2為重心到軸線的水平距離，F(xiàn)1/F2為兩個(gè)位置拉力計(jì)測(cè)量的力值，S1/S2為尾門(mén)底部到軸線的水平距離，G為尾門(mén)重力。

2.3 方法3：解決部分角度測(cè)量?jī)x角度測(cè)試限制問(wèn)題

方法3所使用的臺(tái)架與尾門(mén)要求與方法1一致，原理與方法2一致，相對(duì)于方法2的差別是可以解決部分角度測(cè)量?jī)x角度測(cè)試限制問(wèn)題。

步驟主要分為六步，測(cè)量示意如圖5及圖6所示。第一步，利用臺(tái)秤或其他稱(chēng)重設(shè)備，測(cè)量尾門(mén)系統(tǒng)的質(zhì)量m。第二步，利用拉力計(jì)分別測(cè)量尾門(mén)系統(tǒng)2個(gè)不同開(kāi)啟角度α，β時(shí)的Z向拉力F1、F2。α與β的角度可用角度測(cè)量?jī)x記錄，并且α與β差值盡可能大，減小誤差。第三步，利用UG測(cè)量2個(gè)不同開(kāi)啟角度α，β時(shí)的F1與F2 對(duì)應(yīng)的力臂S1與S2，同時(shí)計(jì)算β角度下的θ2。第四步，利用前3步的數(shù)據(jù)可直接計(jì)算得出2個(gè)不同開(kāi)啟角度α，β時(shí)的尾門(mén)系統(tǒng)質(zhì)心所在的Z向直線1與直線2，參考公式（13）（14）。第五步，在UG上將直線1旋轉(zhuǎn)α與β的角度差，直線1與直線2的交點(diǎn)1即為尾門(mén)系統(tǒng)在開(kāi)啟角度β時(shí)的質(zhì)心位置。第六步，設(shè)θ0為整車(chē)狀態(tài)下尾門(mén)關(guān)閉的原始角度，在UG上將交點(diǎn)1反轉(zhuǎn)（θ2-θ0）角度至尾門(mén)系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)即可得到整車(chē)狀態(tài)下的實(shí)際質(zhì)心位置。需要注意的是，由于正弦函數(shù)半波范圍呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性，θ2存在兩個(gè)值，所以測(cè)量過(guò)程中夾緊測(cè)量點(diǎn)不得高于鉸鏈軸線。

式中：θ為鉸鏈軸線與垂直線的夾角，r為鉸鏈軸線至夾緊測(cè)量點(diǎn)的距離，S為夾緊測(cè)量點(diǎn)至鉸鏈軸線垂直線的距離，θ0為整車(chē)狀態(tài)下尾門(mén)關(guān)閉的原始角度。

尾門(mén)質(zhì)心的三種測(cè)量方法均可以測(cè)量出尾門(mén)實(shí)際質(zhì)心位置，如表1所示，我們對(duì)比了三種方法與理論狀態(tài)下測(cè)量的質(zhì)心，還是有著較大的差異，而我們使用尾門(mén)實(shí)際質(zhì)心布置出來(lái)的氣彈簧，將能提供更優(yōu)質(zhì)的開(kāi)關(guān)門(mén)力感知。

3 總結(jié)

隨著汽車(chē)用戶(hù)對(duì)感知要求越來(lái)越高，汽車(chē)尾門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)力感知也成了我們的一項(xiàng)提升項(xiàng)。為了改善尾門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)力感知問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)了三種測(cè)量尾門(mén)系統(tǒng)實(shí)際質(zhì)心的方法，每種方法都有自身的優(yōu)點(diǎn)、不足處、受限點(diǎn)。如推拉力時(shí)的穩(wěn)定性，推拉力時(shí)的垂直性，臺(tái)架的限制性等。以期在未來(lái)能研究出更好的解決方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]海闊，何耀華.汽車(chē)質(zhì)心位置和特征慣量的測(cè)量原理分析[J].十堰大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（01）：11-18.

[2]叢培田，佟林，韓輝.新型質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法研究[J].工具技術(shù)，2015，49（02）：86-89.

[3]張書(shū)會(huì)，李經(jīng)緯，何登軍，等.質(zhì)心測(cè)量方法綜述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（24）：63.