基于ADAMS/view行李廂蓋彈簧力分析及優化

趙文多，張 曦，陳 偉

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

基于ADAMS/view行李廂蓋彈簧力分析及優化

趙文多，張 曦，陳 偉

Zhao Wenduo, Zhang Xi, Chen Wei

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

利用ADAMS/view軟件建立行李廂蓋多剛體模型，通過動態仿真對行李廂蓋開啟和關閉過程進行模擬分析，考慮行李廂蓋的開啟角度、開啟力、開啟時間、關閉力及關閉速度等設計參數。為改善行李廂蓋開啟時間過短現象，對彈簧剛度及預載進行優化分析，提升用戶使用滿意度。

ADAMS/view；行李廂蓋；彈簧力

0 引 言

目前，轎車行李廂蓋的開啟機構常見的有繞固定軸旋轉的簡單平衡鉸鏈式和連桿式兩種。簡單平衡鉸鏈式可通過改變鉸鏈臂的幾何結構與軸線位置，保證達到一定開啟角度以避免與車身干涉。簡單平衡鉸鏈的彈性元件有多種，如螺旋彈簧、扭桿彈簧和氣動桿。鑒于簡單平衡鉸鏈式具有結構簡單與易于設計的優點，故得到廣泛應用。行李廂蓋在使用過程中應滿足有足夠開度、開閉力輕便、開閉速度適中等要求。

針對某車型行李廂蓋的開啟速度過快現象進行優化改善，以避免行李廂蓋在使用過程中造成人員磕碰，提高消費者使用滿意度。

1 行李廂蓋多剛體模型的建立

某車型行李廂蓋結構如圖1所示，主要包括：行李廂焊接總成、鉸鏈、螺旋彈簧、彈簧安裝支架和緩沖塊等。依據行李廂蓋開閉運動過程、各部件之間的相互受力關系和運動關系簡化CAD模型，忽略車身、行李廂內飾板、密封條、彈簧、彈簧安裝支架以及螺栓鉚釘等，簡化模型不僅可以提高計算的速度，也可以確保計算的精度。

1.1 模型的導入

利用CATIA軟件將簡化模型以*.step格式轉入到ADAMS/view軟件。為了提高計算速度與精度，盡可能減少零部件和運動副的數量，在ADAMS/view軟件中將簡化模型中沒有相對運動的行李廂蓋與鉸鏈進行求和、命名并改顏色，便于在以后操作過程中識別零部件。根據前期設計要求，賦予行李廂蓋總成質量為14.28 kg，質心位置為：（5 096 mm，-0.4 mm，882 mm）。

1.2 添加約束和彈簧力

簡化模型中沒有建立與車身及其連接的零部件，故將車身及其連接零部件默認為Group。行李廂蓋與 Group之間沿鉸鏈中心軸添加旋轉副，旋轉副的摩擦系數為0.3。

根據行李廂蓋彈簧的裝配位置創建 2組左右對稱的marker點，每組marker點之間添加彈簧力。彈簧剛度為：1.379 9 N/mm，預載334.68 N。

1.3 加載工況

行李廂蓋在開啟過程中由于緩沖塊碰觸車身而停止繼續開啟，避免了行李廂蓋與車身其他零件發生干涉。行李廂蓋設計開啟角度為：85°～95°。鑒于多剛體簡化模型中未建立車身模型，為了模擬行李廂蓋彈開和關閉時接觸車身而停止的工況，仿真時需要建立傳感器（sensor）控制行李廂蓋開啟角度和關閉角度。

模擬開啟狀態時建立sensor，開啟時旋轉副逆時針旋轉，當旋轉副角度小于或等于-90°時仿真停止。將前述仿真終止模型另存，為下面模擬關閉狀態準備模型。模擬關閉狀態時旋轉副初始角度為-90°，旋轉副順時針旋轉，創建sensor，當旋轉副角度大于或等于0°時仿真停止。

根據實際操作情況，行李廂蓋開啟與關閉時，因施力點位置不同，故驅動力的添加分為2種情況：

1）開啟時，對行李廂蓋施力創建step函數，隨開啟角約至15°時力值失效。初始施力方向豎直向上，施力方向隨物體運動而改變，即施力方向與物體之間沒有相對移動。模擬開啟工況的多體模型如圖2所示。

2）關閉時，對行李廂蓋施力隨關閉過程力值恒定，初始施力方向斜向下45°，施力方向隨物體運動而改變，即施力方向與物體之間沒有相對移動。模擬關閉工況的多體模型如圖3所示。

2 基于ADAMS動態仿真分析結果

某車型行李廂蓋初始設計參數為：行李廂蓋總成質量為14.28 kg，質心位置為：（5 096 mm，-0.4 mm，882 mm），彈簧剛度為1.379 9 N/mm，預載為334.68 N。設計要求：開啟力為10 ～50 N，開啟時間為（3±1）s，關閉力為10～60 N，關閉速度<1 m/s。

通過ADAMS/view對初始設計狀態的行李廂蓋進行開閉模擬仿真，結果如圖4所示。

根據仿真曲線可以看出初始設計狀態的行李廂蓋無需施力自動彈開，打開時間過短。將圖 4所示的曲線結果匯總，如表1所示。

對比設計要求可以看出，初始設計狀態的行李廂蓋開啟力為0 N，開啟時間1.2 s，開啟時不滿足設計要求；關閉力10 N，最大速度<500 mm/s，關閉時滿足設計要求。初始設計狀態的行李廂蓋在解鎖后自動彈開，容易造成人員磕碰，因此，需要對行李廂蓋結構參數進行優化。

表1 設計狀態的行李廂蓋開啟和關閉仿真結果

3 優 化

影響行李廂蓋開啟力大小及開啟時間的主要因素有：行李廂蓋質量及質心位置、鉸鏈結構形式、彈簧剛度及預載等。考慮到盡可能少地變動零部件設計，針對行李廂蓋開啟過快現象，對彈簧剛度及預載進行優化設計。

行李廂蓋開啟過快說明彈簧剛度及預載過大，降低彈簧剛度及預載可以達到預期效果，彈簧剛度及預載不能過低，否則將出現行李廂蓋開啟力過大，行李廂蓋開啟角度過小。針對彈簧剛度和預載做幾組合理變化，彈簧剛度選取：1.379 9 N/mm、1.3 N/mm、1.2 N/mm、1.1 N/mm、1.0 N/mm；彈簧預載選取范圍：-320～-270 N，彈簧剛度匹配不同彈簧預載進行模擬仿真，得到最長開啟時間，如表2所示。

表2 不同彈簧剛度對應行李廂蓋最長開啟時間

表2為5種不同彈簧剛度匹配不同預載得到的最長開啟時間，彈簧剛度為1.1 N/mm、1.0 N/mm的仿真結果符合設計要求。

3.1 彈簧剛度為1.1 N/mm時的優化結果

當彈簧剛度為1.1 N/mm、彈簧預載為-300 N時，仿真結果如圖5所示。

根據仿真曲線可以看出，10 N力提升行李廂約至15°時力值失效，行李廂蓋打開時間為2 s，關閉力15 N，關閉最大速度<1 m/s。將圖5所示的曲線結果匯總，如表3所示。

表3 行李廂蓋開啟和關閉仿真結果

對比設計要求，當彈簧剛度為1.1 N/mm、彈簧預載為-300 N時，開啟力10 N，開啟時間為2 s，關閉力15 N，最大關閉速度<1 m/s，符合設計要求。

當彈簧剛度為1.1 N/mm、彈簧預載-280 N時，仿真結果如圖6所示。

根據仿真曲線可以看出，28 N力提升行李廂約至15°時力值失效，行李廂蓋打開時間為2.45 s，關閉力10 N，最大關閉速度<1 m/s。將圖6所示的曲線結果匯總，如表4所示。

表4 行李廂蓋開啟和關閉仿真結果

對比設計要求，當彈簧剛度為1.1 N/mm、彈簧預載為-280 N時，開啟力28 N，開啟時間為2.45 s，關閉力10 N，最大關閉速度<1 m/s，符合設計要求。

綜上，當彈簧剛度為1.1 N/mm時，匹配彈簧預載范圍為-300～-280 N的行李廂蓋開閉過程滿足設計要求。

3.2 彈簧剛度為1.0 N/mm時的優化結果

當彈簧剛度為1.0 N/mm，預載為-295 N，仿真結果如圖7所示。

根據仿真曲線可以看出，10 N力提升行李廂約至15°時力值失效，行李廂蓋打開時間為2 s，關閉力15 N，最大關閉速度<1 m/s。將圖7所示的曲線結果匯總，如表5所示。

表5 行李廂蓋開啟和關閉仿真結果

對比設計要求，當彈簧剛度為1.0 N/mm、彈簧預載為-295 N時，開啟力10 N，開啟時間為2 s，關閉力15 N，最大關閉速度<1 m/s，符合設計要求。

當彈簧剛度為1.0 N/mm，預載為-270 N，仿真結果如圖8所示。

根據仿真曲線可以看出，50 N力提升行李廂約至15°時力值失效，行李廂蓋打開時間為3.2 s，關閉力10 N，最大關閉速度<1 m/s。將圖8所示的曲線結果匯總，如表6所示。

表6 行李廂蓋開啟和關閉仿真結果

對比設計要求，當彈簧剛度為1.0 N/mm、彈簧預載為-270 N時，開啟力50 N，開啟時間為3.2 s，關閉力10 N，最大關閉速度<1 m/s，符合設計要求。

綜上，當彈簧剛度為1.0 N/mm時，匹配彈簧預載范圍為-295～-270 N的行李廂蓋開閉過程滿足設計要求。

4 結 論

基于ADAMS/view軟件對行李廂蓋開啟力和關閉力進行優化分析，可以計算得到任一開啟、關閉角度下的速度、彈簧力值，比一般傳統計算方式更精準、方便、快捷。根據設計要求對彈簧剛度及預載進行優化，得到以下匹配結果符合設計要求：

1）彈簧剛度：1.1 N/mm，匹配預載：-300～-280 N；

2）彈簧剛度：1.0 N/mm，匹配預載：-290～-270 N。

U463.83.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.06.003

2014-07-04

1002-4581（2014）06-0010-06