限位器臂桿結構與側門限位能力的計算應用

丁光學

摘 要：通過建立汽車側門限位系統數學模型和計算模塊，將限位系統3D數據和計算模塊緊密聯系，然后利用CATIA和EXCEL軟件二次開發編制出操作程序。該程序可以實現批量點的數據自動導入，使計算模塊準確獲得輸入并輸出結果，讓復雜的側門限位能力設計計算和設計校核過程變得簡易。

關鍵詞：汽車側門；限位能力；二次開發；計算模塊；應用

引言

在側門限位系統中，關鍵部件有：限位器、鉸鏈、側門總成和開啟把手。其中鉸鏈一側緊固在車身上，另一側緊固側門總成上；限位器安裝支架緊固在車身上，限位器盒緊固在側門總成上。側門總成圍繞鉸鏈軸在限位器控制的開啟范圍內旋轉。限位臂桿坡度結構產生不同大小的阻力，提供側門舒適的開閉力度，同時保證側門開閉安全性。力學結構簡圖見圖1，圖中隱藏了側門總成和車身結構，圖2是限位器內部結構圖。

側門限位力特性是通過側門質量中心位置、側門重量、鉸鏈軸綜合傾角、開啟點位置、限位器臂桿坡度、限位器彈性體彈性系數以及滑塊與限位臂的摩擦系數等因素通過綜合計算獲得。對于側門限位力的計算，業內常規的設計方法是通過鉸鏈軸、限位器旋轉軸、限位器盒中心點以及限位器安裝平面等四個元素，利用作圖方法繪制而成，付凱已經編制出軟件[1]，一鍵完成臂桿中線的制作過程。

這里有一個問題：一旦上述四個元素確定，臂桿中線是唯一的，但在實際設計過程中，由于受到限位器周邊空間的制約，即使四個元素已經確定，為了避讓周邊零件還是要修改臂桿中線，這稱為非常規設計方法，這種方法設計出的限位臂，不能按照常規方法進行計算。

針對限位系統布置方案，從中提取軌跡點坐標并導入到計算模塊，獲得對應的操作力特性以及滿足通用規范的程度[2]。鑒于側門限位能力計算過程的復雜程度，每個設計師都順利進行列式計算是難以實現的，因此，如何建立一種快捷、通用的側門限位能力計算和校核方法？如何固化這種方法并推廣應用？是文章研究的對象。

1 基于側門限位原理及力學分析

建立限位系統數據模型，見圖3。具體實施步驟：

（1）提取限位器臂桿中線，過限位器盒中心點G作限位器旋轉平面π，平面π與限位器旋轉軸交于E點，中線和G點均在該平面內。

（2）將側門開啟角度微分成若干等份，分得越細，計算越準確（本方案每0.25°為等份），以F點為旋轉中心，以G點為陣列對象，在最大開啟角度范圍內陣列G點，當側門開啟角度為θn時對應陣列點為Gn。

（3）在平面π內，以E點為圓心，以EGn為半徑做圓弧交提取限位器臂桿中線于Gn'，過Gn'作限位器旋轉軸的平行線交限位器臂桿輪廓面與Gn"，同理作出下一組交點Gn+1'、Gn+1"……。

（4）通過各點坐標，可依次計算出側門開啟θn角度時對應坐標：

Gn（xn，yn，zn）；Gn'（xn'，yn'，zn'）；Gn"（xn"，yn"，zn"）；Gn+1（xn+1，yn+1，zn+1）；Gn+1'（xn+1'，yn+1'，zn+1'）；Gn+1"（xn+1"，yn+1"，zn+1"）。

（5）在△HGn"Gn+1"中，設HGn"=a；HGn+1"=b，Gn"Gn+1"=c。HGn"∥Gn'Gn+1"，∠Gn+1"HGn"=90°，conωn=b/c，由此求出ωn，ωn是限位器滑塊瞬時位置的單側坡角度。在微分情況下，曲線Gn"Gn+1"和曲線Gn'Gn+1'可近似兩點的直線距離，所以a、b、c分別由兩點坐標計算獲得。

（6）由瞬時位置的單側坡角度ωn將限位器臂桿軌跡線（點）計算轉化為限位器滑塊中心點軌跡線（點），見圖4，根據滑塊接觸面結構建立軌跡轉化計算關系式，如圖5所示，隨著坡度的不同兩軌跡線（點）隨之改變：當|ωn|≤Ω1時，限位器滑塊中。

心點軌跡線偏離限位器臂桿軌跡線的距離為：

（H-r）/cos|ωn|+ cos|ωn|*S /2-（H-r） *sin|ωn|+r

當Ω1<|ωn|≤Ω2-Ω1時，限位器滑塊中心點軌跡線偏離限位器臂桿軌跡線的距離為R。

（7）限位滑塊的受力分析見圖6。由限位器滑塊中心點軌跡線（點）偏離限位器旋轉平面π的具體大小，如圖3所示，考量限位器彈性體壓縮量并進行其力學計算。

限位器限位能力計算：

彈性體壓縮量=固定壓縮量+過程壓縮量；

彈性體壓縮力F=彈性體彈性系數k*壓縮量。

當開啟過程以T1推動物體勻速運動時，斜面方向力平衡：T1*conωn=f+F*sinωn；垂直于斜面方向力平衡：N=T1*sinωn+F*conωn。

當閉合過程以T2推動物體勻速運動時，斜面方向力平衡：f=T2*conωn+F*sinωn；垂直于斜面方向力平衡：N=F*conωn-T2*sinωn。

摩擦力和正壓力關系：f=μ*N。

T1=F*（μ*conωn+sinωn）/（conωn-μ*sinωn）

T2=F*（μ*conωn-sinωn）/（conωn+μ*sinωn）

限位器限開力=2*T開*sinψ*GF /l2

限位器限閉力=2*T閉*sinψ*GF /l2

水平車姿側門閉合力=（l1*mg*sinγ-W0）/l2

水平車姿側門開啟力=-（l1*mg*sinγ+W0）/l2

最終開啟操作力=限位器限開力+無限位器時側門開啟操作力[3]

最終閉合操作力=限位器限閉力+無限位器時側門閉合操作力[3]

W0是鉸鏈轉動阻力矩；γ：鉸鏈軸綜合傾角，即鉸鏈軸與Z軸夾角，（tan2γ=tan2α+tan2β，α鉸鏈軸內外傾角，β鉸鏈軸前后傾角）；l1：側門自閉力臂，是質量中心C點到鉸鏈軸鉛垂面的距離；l2：J點至旋轉軸AB的距離，及操作力臂；GF：限位器盒中心點至旋轉軸AB的距離；mg：側門總重量；ψ是限位器盒中心點G圍繞鉸鏈軸的旋轉臂與限位器安裝面的夾角。

2 建立限位能力的計算模塊

（1）將涉及限位能力設計的參數錄入計算輸入區域，見圖7。

（2）將開啟角度作為自變量函數，對照第一章的分析和計算內容，按照“各軌跡點導入區域”、“分類計算區域”、“計算結果”建立限位能力計算模塊，見圖8。

“計算結果”輸出成開閉過程曲線圖，見圖9，這是二檔限位器開閉過程曲線，通過計算輸出可直接讀取其開閉過程操作力大小及限位器臂桿坡度參數。

3 基于3D設計數據的特征點提取

圖8中“各軌跡點導入區域“中包含數以千計的限位器臂桿結構的軌跡點坐標，手工提取并錄入將非常耗時耗力，為了實現數據提取和定向導入至計算模塊對應的單元格中，利用CATIA和EXCEL軟件編制開發自動運行程序，實現一鍵完成全部操作過程，具體操作：

（1）在新建的part文件中，將提取的七個限位器布置元素粘貼在其中，如圖10所示，其元素順序和名稱與制作過程相關，不可輕易更改。利用CATIA自帶的“宏錄制”功能，將整個軌跡點提取過程錄制成“宏”文件，對錄制后的“宏”文件進行編輯和整理，形成固定的執行程序《限位器臂特征點數據提取》。當面對新的七個限位器布置元素，再次執行《限位器臂特征點數據提取》時，則執行錄制的步驟，卻讀取了新的元素值，最終繪制了新的軌跡點。

（2）選擇一個新的限位器布置七個元素。執行《限位器臂特征點數據提取》瞬間獲得各軌跡點參數見圖11。

《限位器臂特征點數據提取》關鍵代碼：

Sub CATMain1（）

……

Set body1 = bodies1.Add（）

Set shapeFactory1=p

art1.ShapeFactory

Set parameters1=part

1.Parameters

Set anyObject1= parameters1.Item（"點.2"）

Set circPattern1=sha

peFactory1.AddNewSurfac

icCircPattern'以鉸鏈軸為轉軸陣列"G點"

……

Set body2=bodies1.Add（）

Set hybridShapeFactory1=part1.HybridShapeFactory

Set hybridShapePointExplicit1=parameters3.Item（"點.1"）'以E點為圓心，以各陣列點為圓上點，以π為支撐面作圓。

Set reference4=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapePointExplicit1）

body2.InsertHybridShape hybridShapeCircleCtrPt1

……

Set body3=bodies1.Add（）

Set reference7=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeCirc

leCtrPt1）

Set hybridShapeCurveExplicit1=parameters5.Item（"曲線.1"）'作所作圓與限位器臂桿中線交點

Set reference8=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeCur

veExplicit1）

body3.InsertHybridShape hybridShapeIntersection1

……

Set reference9=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeIntersection1）

Set hybridShapeLineExplicit2=parameters6.Item（"直線.2"）'過各中線交點作平行于限位器旋轉軸直線（默認一側）

Set reference10=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeLineExplicit2）

Set hybridShapeDirection1=hybridShapeFactory1.AddNewDirection（reference10）

body3.InsertHybridShape hybridShapeLinePtDir1

……

Set body4 = bodies1.Add（）

Set reference11=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeLinePtDir1）

Set hybridShapeSurfaceExplicit1=parameters7.Item（"曲面.1"）'所作直線與限位器臂桿輪廓一側交點

Set reference12=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeSu

rfaceExplicit1）

body4.InsertHybridShape hybridShapeIntersection2

……

End Sub

4 特征點數據導入并完成計算

結合CATIA和EXCEL兩個軟件中的二次開發平臺，開發出《限位器臂特征點導入計算模塊》自動執行程序，將圖11提取的軌跡點，實現一鍵導入至計算模塊如圖8中所示的“各軌跡點導入區域”。具體步驟：（1）在CATIA軟件中，按照軌跡類型分別另存成igs格式文件；（2）利用CATIA軟件中的Digitized Shape Editor模塊，分別將另存的igs點云文件轉化為asc格式文件；（3）在EXCEL軟件中將各asc格式文件導入至設置的EXCEL過度文件中；（4）計算模塊讀取EXCEL過度文件對應輸入區域數據；（5）完成從3D數據中傳來的坐標數據讀取；（6）軌跡點數據導入計算模塊，立即呈現該方案的全部計算結果，并將計算結果輸出為過程曲線。