越野車車門過線橡膠護(hù)套的設(shè)計與分析

侯 超， 韓 彬， 馬文聰， 周智強， 蔡伯松， 劉忠臣

（一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院， 吉林長春 130000）

1 前言

隨著汽車功能配置的增加， 汽車電氣系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。 越野車車門電氣配置主要包括： 電動后視鏡、 后視鏡加熱、 電動門鎖、 電動玻璃升降器、 車門控制器、 踏步燈、揚聲器等。 配置越復(fù)雜， 車門連接處的線束則越多。 汽車車門因頻繁開關(guān)， 車門連接處的線束很容易受到擠壓和摩擦， 長此以往會影響線束功能甚至引起短路影響行車安全。因此， 需要設(shè)計一種過線橡膠護(hù)套連接車門和車體， 保護(hù)內(nèi)部線束。 中國作為全球第一大汽車市場， 汽車管線帶來的問題與隱患也在不斷増長。 2018年， 由于起動電機(jī)線束固定問題， 長安福特召回福睿斯19070輛。 同年， 由于動力電池電壓采樣線束存在走向不當(dāng)?shù)那闆r， 蔚來召回ES8車型4803輛。 因此， 線束的可靠性在汽車設(shè)計中是需要著重考慮的。

近年來， 三維建模軟件與CAE有限元分析軟件逐漸成為汽車管線布置與建模的重要手段。 CATIA軟件可以繪制管線的三維模型， 但是無法準(zhǔn)確表示線束的折彎方向和運動， 因此需要通過專業(yè)的CAE軟件對線束進(jìn)行仿真。 IPS全稱Industrial Path Solutions， 是專業(yè)的柔性管線建模與仿真軟件。 軟件可以設(shè)置管線的材料屬性、 重力、 扭轉(zhuǎn)等， 能較為真實地反映線束走向和受力情況。 傅嘯龍等人進(jìn)行過驗證： 軟件模擬的管線走向與實車線束走向基本一致。 并且， IPS軟件可以計算線束的彎曲半徑、 扭轉(zhuǎn)角度、 端部拉扯力等參數(shù)， 對線束的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。 目前， 國內(nèi)基于IPS軟件發(fā)表的相關(guān)論文較少， 軟件在線束設(shè)計中的應(yīng)用并不廣泛。 本文基于IPS軟件， 首先建立車門過線護(hù)套柔性管線模型， 分析車門開關(guān)時的運動過程及拉伸量， 進(jìn)而優(yōu)化護(hù)套長度， 最終進(jìn)行試驗驗證， 對IPS軟件的使用具有一定普及性， 同時對車門過線橡膠護(hù)套的設(shè)計具有參考意義。

2 車門過線護(hù)套類型及適用范圍

車門過線護(hù)套由2個護(hù)套端部和中間膠圈組成， 通過膠圈伸縮減少車門開關(guān)時對線束的拉伸與磨損。 常見的有兩種類型： U型護(hù)套和豎型護(hù)套， 如圖1所示。 U型護(hù)套的優(yōu)點是開關(guān)門過程內(nèi)部線束幾乎不竄動， 夾線的風(fēng)險很小，線束不會疲勞磨損。 但缺點是占用車門的空間較大， 美觀度差。 因此， 適用在車門與車體空間大的車型。 豎型護(hù)套占用的車門空間小， 關(guān)門時可以隱藏在車門內(nèi)部。 但是開關(guān)門過程中內(nèi)部線束竄動和扭轉(zhuǎn)量大， 而且線束竄動后可能導(dǎo)致護(hù)套收縮不良， 護(hù)套與線束堆積產(chǎn)生夾線。 根據(jù)車門空間結(jié)構(gòu)， 可以選擇相應(yīng)的過線護(hù)套。 本文所研究的越野車車門和車體之間的間隙較小， 而且考慮到美觀性， 故選擇豎型護(hù)套。

圖1 車門護(hù)套分類

3 系統(tǒng)建模

3.1 模型的構(gòu)建方法

首先在CATIA中創(chuàng)建車門及護(hù)套的三維模型， 并導(dǎo)入IPS軟件中， 模型需要包含車門和部分車體結(jié)構(gòu)、 轉(zhuǎn)軸、 鉸鏈， 如圖2所示。 車門過線護(hù)套為EPDM50材質(zhì)， 豎型護(hù)套常用的有兩種類型， 開口方向夾角分別為90°和180°， 如圖3所示。 導(dǎo)入時最好取消勾選點和線， 可以簡化模型， 提高仿真速度。 然后在仿真軟件中設(shè)置運動， 已知車門打開的最大角度為87°， 需要在軟件中設(shè)置車門從關(guān)閉到開啟到最大角度運動過程， 從而觀察護(hù)套在過程中的運動狀態(tài)。 最后設(shè)置材料參數(shù)。 仿真全流程見圖4。

圖2 車門模型

圖3 車門過線護(hù)套

圖4 仿真過程流程圖

3.2 材料參數(shù)設(shè)置

為準(zhǔn)確模擬線束的真實情況， 需要輸入的材料參數(shù)包括； 密度、 直徑、 彎曲剛度、 拉伸剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。 仿真時將護(hù)套與內(nèi)部線束等效為統(tǒng)一柔性管線， 材料參數(shù)需要使用儀器進(jìn)行測量， 然后根據(jù)公式進(jìn)行換算。

彎曲剛度的計算公式為：

式中： GJ——扭轉(zhuǎn)剛度； Φ——扭轉(zhuǎn)量； l——初始長度； M——扭矩。

最終得到的材料參數(shù)見表1。

表1 柔性管線材料參數(shù)

4 模型分析

首先從彎折方向角度進(jìn)行分析。 圖5為護(hù)套1和護(hù)套2在關(guān)門時的狀態(tài)， 從圖中可看出，護(hù)套1向轉(zhuǎn)軸方向彎折，容易被車門夾住， 護(hù)套2朝車門內(nèi)側(cè)彎折， 不易夾線。

圖5 關(guān)門時護(hù)套狀態(tài)

接著從伸長量的角度分析。 理想狀態(tài)下， 護(hù)套應(yīng)該只扭轉(zhuǎn)， 不伸長。 伸長時， 勢必要造成內(nèi)部線束和護(hù)套之間產(chǎn)生摩擦， 線束磨損風(fēng)險很大。 而且如果護(hù)套的橡膠圈收縮不良 （護(hù)套實物是通過膠圈來伸縮， 不會像仿真時理想情況下伸縮拉長都很順利）， 會導(dǎo)致關(guān)門時護(hù)套不能順利恢復(fù)原有長度， 有夾線風(fēng)險， 因此伸長量是仿真分析中著重考慮的參數(shù)。 兩種護(hù)套的伸長量隨車門運動時的變化規(guī)律如圖6所示。 在車門打開到最大角度時， 伸長量達(dá)到最大值。 護(hù)套1伸長量為23.596mm， 護(hù)套2僅為16.286mm。

圖6 伸長量隨車門運動變化曲線

綜合分析， 護(hù)套2從折彎方向和伸長量的角度都優(yōu)于護(hù)套1。 但是車門和車體之間為護(hù)套提供的間隙很小， 橫向空間只有27.5mm， 而且更改車門結(jié)構(gòu)需要昂貴的模具費用。護(hù)套2由于2個接頭呈90°， 而且彎曲時占用橫向空間比護(hù)套1大， 需要較大的布置空間， 因此護(hù)套2并不適用， 最終只能采用護(hù)套1的方案。

5 長度優(yōu)化

根據(jù)護(hù)套的設(shè)計經(jīng)驗， 原則上應(yīng)保證護(hù)套內(nèi)部線束在開關(guān)門過程中竄動量小于10mm， 即伸長量小于10mm。 根據(jù)前文分析， 護(hù)套1的伸長量較大， 減小伸長量需要增大護(hù)套長度來實現(xiàn)。 但是由于車體空間很小， 車門和車體之間的間隙無法容納過長的護(hù)套堆積， 甚至可能夾線， 因此只能放寬優(yōu)化目標(biāo)， 將伸長量控制在20%以內(nèi)， 并盡量縮短護(hù)套長度。 通過軟件對護(hù)套長度進(jìn)行優(yōu)化， 結(jié)果如圖7所示。 當(dāng)護(hù)套長度為105mm時， 伸長量減少到18.596mm， 可以滿足要求， 從三維上來看布置空間也足夠。

圖7 仿真結(jié)果

6 試驗驗證

由于車門空間限制， 最終優(yōu)化護(hù)套的伸長量超過了設(shè)計經(jīng)驗值， 因此開關(guān)門線束竄動后可能導(dǎo)致護(hù)套收縮不良，護(hù)套與線束堆積產(chǎn)生夾線。 為識別護(hù)套在實車開關(guān)門過程的風(fēng)險性， 需試制護(hù)套搭載車門開關(guān)門10萬次試驗平臺進(jìn)行試驗驗證。 如圖8所示。

圖8 10萬次開關(guān)門臺架試驗

從圖8b中可以看出， 關(guān)門時護(hù)套彎折方向靠近轉(zhuǎn)軸，這與仿真結(jié)果一致。 10萬次開關(guān)門試驗中， 沒有出現(xiàn)夾線情況， 線束表面的PVC膠帶有輕微磨損， 但是不影響線束功能。 需對線束表面防護(hù)進(jìn)行加強， 纏繞一些耐磨材料，或者增加PVC膠帶的厚度， 改進(jìn)后的護(hù)套可以滿足要求。

7 結(jié)束語

本文基于IPS軟件， 建立了兩種車門過線護(hù)套的仿真模型， 從空間布置、 折彎方向以及伸長量的角度對兩種護(hù)套進(jìn)行對比。 護(hù)套2從折彎方向和伸長量的角度都優(yōu)于護(hù)套1，但無法布置在現(xiàn)有車門空間內(nèi)， 最后只能選取護(hù)套1的方案。 但是護(hù)套1無論如何優(yōu)化， 都不能保證伸長量在10mm以內(nèi)， 因此還需要借助臺架試驗， 驗證護(hù)套的可靠性與夾線風(fēng)險性。 試驗結(jié)果顯示， 護(hù)套沒有出現(xiàn)夾線情況， 但是需要加強表面防護(hù)。 如果后續(xù)其他車型可以更改車門結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選用護(hù)套2， 并且可以進(jìn)一步通過軟件優(yōu)化護(hù)套2的接頭角度。 本文實現(xiàn)了從設(shè)計到仿真， 最終試驗驗證的閉環(huán)，對車門過線橡膠護(hù)套的設(shè)計具有參考意義。