兩廂車后背門支撐桿的布置及運動分析

唐保龍，趙利杰，畢學宇

(一汽豐田技術開發有限公司 天津300462)

兩廂車后背門支撐桿的布置及運動分析

唐保龍，趙利杰，畢學宇

(一汽豐田技術開發有限公司 天津300462)

氣動支撐桿開啟機構是目前轎車上經常采用的一種結構。由于氣動支撐桿生產技術成熟、性能優良，在兩廂車開發中，后背門的開啟機構采用氣動支撐桿。借助三維設計軟件CATIA與計算和分析優化工具MATLAB，對支撐桿進行了布置，從運動學和動力學角度分析了上掀式后背門開啟和關閉過程中力和力矩的關系，并對其進行優化，最后對后背門開啟的速度和加速度進行了仿真分析，滿足了后背門的平穩開啟/關閉平穩、助力輕松、使用安全等功能要求。

CATIA 后背門 氣動支撐桿

1 轎車用氣動支撐桿介紹

1.1 構造及支撐力

氣動支撐桿由活塞、氣筒、導桿等構成，如圖1所示。

圖1 氣動支撐桿結構簡圖Fig.1 Structure of gas damper

氣動支撐桿運動中提供的總支撐力包括兩部分：壓力差產生的支撐力和相對運動部件之間的摩擦力。由波義耳定律可知，一定質量的氣體，其壓強與體積的乘積為定數，即體積減小，壓強增大；反之，體積變大，壓強減小。當施加外力時，導桿在氣室內體積增大，致使壓縮氣體的有效容積變小，氣體壓強增大，從而使壓力差產生的支撐力變大。

1.2 氣動支撐桿的特點及應用

我國的氣動支撐桿制造技術成熟，成本也在不斷下降。氣動支撐桿具有尺寸小、容易布置、可靠性高等特點。目前氣動支撐桿在專業生產廠家均按標準化和系列化設計，使用和維修也更加方便。

氣動支撐桿的可靠性可以滿足汽車、飛機及醫療器械等開啟機構的要求。尤其是在汽車的應用上，后背門及發動機艙蓋等開啟機構不僅要符合車身造型的需要，而且要滿足安全、可靠及使用方便等要求。氣動支撐桿就可以很好地滿足這些要求。基于以上優點，本次兩廂車開發采用氣動支撐桿。

2 兩廂車后背門的運動分析

2.1 兩廂車后背門開閉類型

許多轎車和輕型客車都設置有后背門，以方便裝卸貨物和行李。后背門通常有平開式和上掀式兩種結構。兩者相比，上掀式后背門具有節省空間、開啟輕便及關閉可靠等優點，因而被廣泛應用。[1]本次兩廂車開發采用上掀式結構。這種后背門需要借助助力撐桿來開啟，當開啟后背門時，利用氣動支撐桿產生的反作用力通過對鉸鏈旋轉軸線產生的力矩來克服重力矩和摩擦力矩，從而使后背門開啟，[2]如圖2所示。

圖2 后背門開啟位置Fig.2 Open position of backdoor

2.2 支撐桿的運動空間

隨著后背門的開啟和關閉，氣動支撐桿也做近似旋轉運動，所以首先要確保氣動支撐桿在動作時與后背門內板、流水槽等周邊配件無干涉。利用CATIA的DMU模塊[2]來確定支撐桿的有效運動空間，如圖3所示。

圖3 支撐桿運動空間Fig.3 Moving space of gas damper

2.3 后背門及支撐桿運動過程分析

車門與車體通過兩個鉸鏈進行連接且鉸鏈中心線平行，車門開啟與關閉是圍繞鉸鏈中心線進行圓周運動。而氣動支撐桿的兩個安裝點所在面與鉸鏈中心線不相垂直，即氣動支撐桿的運動面為非平面。

后背門運動過程中，共有3個靜止平衡點，如圖4、表1所示。

圖4 平衡位置示意圖Fig.4 Diagram of Equilibrium position

表1 3個平衡點位置Tab.1 Three equilibrium positions

3 后背門動力學分析

3.1 支撐桿力學性能

本次兩廂車開發選用的支撐桿基本參數如表2所示。

表2 氣動支撐桿基本參數Tab.2 Basic parameters of gas damper

根據支撐桿的性能參數，利用MATLAB計算出支撐桿力學性能，如圖5所示。

圖5 支撐桿力學性能圖Fig.5 Performance chart of gas damper

3.2 后背門重力矩與氣動支撐桿力矩之間的關系

從上文內容可知，后背門有3個平衡點。后背門的開啟和關閉過程中，開啟角度、能否靜態平衡以及力矩間的關系如表3所示。

表3 開啟/關閉過程中的邏輯關系Tab.3 Logic of backdoor during opening/closing

根據表3的邏輯關系確定力學變化模型，如表4所示。以開門過程為例(關門過程為逆向)：定義向上方向為正，向下方向為負；順時針為負，逆時針為正。

表4 運動過程中力學模型Tab.4 Mechanical model

根據人機工程學的要求，后背門的關閉初始拉力為20,N，后背門的開啟初始拉力為30,N。考慮安全性，開啟和關閉的初始拉力誤差須在±3,N以內。

根據力矩平衡要求，首先通過對平衡點的力學計算，進而得出支撐桿的長度，根據此結果可以初步設置支撐點位置(見圖6～8)。

圖6 平衡點AFig.6 Balance point A

圖7 平衡點BFig.7 Balance point B

圖8 平衡點CFig.8 Balance point C

根據計算結果，初步設定了符合要求的支撐桿安裝位置。

4 支撐桿安裝位置布置及優化

4.1 支撐點安裝點空間確定

圖9 安裝狀態斷面圖Fig.9 Drawing of clearance check

通過以上的分析和計算，初步確定出支撐桿固定點的安裝位置，為了確保安全，需對支撐桿與周邊配件的間隙及后背門的運行性能(速度和加減速度)進行校核和優化。首先檢查間隙是否滿足要求，如圖9所示。

然后對整個開門過程計算，通過MATLAB工具進行計算與分析，優化安裝點位置。如圖10所示。

圖10 運動過程力學模型Fig.10 Mechanical model

4.2 優化后結果

根據以上的優化分析，利用CATIA DMU模塊，對運動過程的速度和加速度進行仿真。[3]

5 結 論

借助于CATIA、MATLAB工具，對汽車后背門氣動支撐桿進行了按鉆過布置且對運動特性進行了仿真及優化，結果符合設計要求。通過軟件的應用，大幅減少了運算時間，提高了工作效率。在保證后背門開啟平穩順暢、助力輕便的基礎上，滿足了結合人機工程要求及安全性能。

［1］ 李宇彤. 上掀式背門氣動撐桿的優化布置[J]. 汽車技術，1999(9)：15-16.

［2］ 黃天澤，黃金陵. 汽車車身結構與設計[M]. 北京：機械工業出版社，1996：214-222.

［3］ 魯君尚. 無師自通CATIA V5之電子樣機[M]. 北京：北京航空航天大學，2008：94-150.

Layout and Motion Analysis of Backdoor’s Damper

TANG Baolong，ZHAO Lijie，BI Xueyu
(FAW Toyota Research & Development Co.，LTD.，Tianjin 300462，China)

The opening mechanism of gas damper is a kind of structure which is often used in cars.When developing the hatchback，researchers will use gas damper.With the help of CATIA and MATLAB，the paper analyzes the relationship of forces and moments during the opening and closing of hatchback’s backdoor from the perspectives of kinematics and dynamics，and optimizes the layout of installation points.As a result，the performance of hatchback’s backdoor meets functional requirements of steady opening or closing of backdoor，easy assistance and safety.

CATIA；backdoor；gas damper

U463.03

：A

：1006-8945(2016)09-0071-03

2016-08-31