基于UG NX的車門限位器拉桿設計研究

劉晶,陳文華

上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007

0 引言

車門限位器是車門系統中一個重要的組成部分，對車門開關的舒適性和駕乘人員出入車輛方便性起到重要作用。

目前市場上的車門限位器有拉桿式、扭桿式和彈簧式3種。拉桿式限位器成本低廉、占用空間小、結構簡單可靠，但對鈑金強度要求較高，目前市場占有量最大，是最常見的車門限位器結構;扭桿式限位器噪聲低、壽命長、限位效果好，由于該結構涉及專利，成本較高，在中低端市場占比較小;彈簧式限位器相比前兩種結構，該結構占用空間在兩者之間，能提供的扭矩較小，沒有突出的性能表現，在現有市場中該結構應用范圍較窄。

對于拉桿式限位器來說，拉桿能給車門限位器提供開門擋位、車門角度定位，對開門舒適性起著關鍵性作用，是限位器的核心元件。

1 車門限位器拉桿的介紹

常用車門限位器結構如圖1所示。限位器拉桿通過安裝支架安裝于汽車側圍鈑金焊接總成上，是限位器運動機構中的支架;銷軸是連接安裝支架和限位器拉桿的元件，構成鉸鏈連接;限位器盒安裝在車門上，通過彈簧頂針結構對限位拉桿凹槽進行夾緊，起定位限距的作用;緩沖墊是限位器的超程保護結構。

圖1 常用車門限位器結構

在車門開關過程中，限位器的安裝支架不動，限位器拉桿沿銷軸軸線轉動，限位器盒會跟隨車門沿車門鉸鏈軸線轉動同時沿限位器拉桿切向方向上運動，如圖2所示。由于限位器盒和限位器拉桿不共用旋轉軸線，車門打開一個角度后，限位器盒的彈簧頂針線中點與銷軸的連線與其對稱中心線夾角會變，如圖 3所示。因為限位盒和限位器拉桿構成移動副，限位器盒沿限位器拉桿做切向運動，為了使開關門舒適可靠，限位器拉桿的切線與彈簧頂針法向必須保持一致，所以限位器拉桿的曲線為一條復雜的復合曲線。

圖2 限位器開門模擬示意

圖3 限位器盒開門分析

2 限位器拉桿的設計

本文的設計分為兩個階段進行，首先創建拉桿曲線，然后根據設計參數進行數模自動創建，得到限位器拉桿實體。

2.1 限位器拉桿曲線計算

在開關門的過程中，限位器拉桿的切線與彈簧頂針法向保持一致，即限位器拉桿曲線是由無數條彈簧頂針法線連接而成的，文中基于這個原理對拉桿曲線進行設計。

由以上原理可得，給定車門的開門角度和分步擬合的步距Δ，以鉸鏈軸線在運動平面上的投影點為旋轉中心點，以擬合的步距為旋轉角度將限位盒頂針軸線進行旋轉，得到限位盒頂針軸線位置。重復以上步驟，獲得開門角度范圍內所有的限位器盒頂針軸線，如圖 4所示。

圖4 旋轉限位器盒頂針軸線示意

以銷軸在運動平面上的投影點為圓心，在運動平面上過限位器盒頂針的中點做圓，獲得所有在運動平面上通過限位器盒頂針線中點的圓，如圖 5所示。

圖5 在運動平面上過限位器盒頂針中點的圓

對限位器盒頂針線作垂直平分線，使該垂直平分線兩端點分別落在通過當前限位器盒頂針線中點和下一個限位器盒頂針軸線中點的圓上。重復以上步驟，做出所有的垂直平分線，如圖6所示。

圖6 限位器盒頂針軸線的垂直平分線

分別使用直線將垂直平分線的端點與銷軸軸線在運動平面上的投影點連接，如圖7所示。

圖7 連接垂直平分線的端點和銷軸軸線在運動平面上的投影點

拉桿曲線創建過程如圖8所示。

圖8 拉桿曲線創建過程

由圖8可知，以兩條垂直平分線相鄰直線的夾角為旋轉角度，以銷軸軸線在運動平面上的投影點為旋轉中心，將垂直平分線旋轉，使其首尾相連，獲得拉桿曲線。

采用樣條線將首尾相連的直線擬合為一條光順的曲線，該曲線可近似看成拉桿曲線，通過調節分步擬合的步距，使擬合出來的拉桿曲線的誤差在公差范圍之內，此時獲取的拉桿曲線就是工程中所求的拉桿曲線。

2.2 拉桿金屬鑲件設計

將拉桿曲線沿限位器銷軸軸向對稱拉伸半個拉桿厚度，沿拉伸的法向對稱偏置半個拉桿寬度，獲得限位器拉桿的主體。拉伸限位主體的根部到銷軸在運動平面上的投影點，拉伸拉桿銷軸位置的加強環，并對其進行打孔，導入緩沖結構，獲得如圖9所示的限位器拉桿金屬鑲件。

圖9 限位器拉桿金屬鑲件

2.3 限位器拉桿塑料殼創建

2.3.1 限位器卡口設計

限位器拉桿的卡口是限位器拉桿的限位定距結構，能給車門提供開啟角度定位功能。車門開關門時手感的輕重、順暢，是對開關門的第一感覺，最大操作力和最小操作力所表現的手感是評價車門的重要標準。在設計車門限位器時，需要考慮開關門的操作力、限位器的擋位、車門自重產生的力矩、車門鉸鏈軸線的傾角、限位器安裝點到車門鉸鏈軸線的距離、泊車斜坡時車門的限位功能、限位器的摩擦力和預緊力等。

三擋限位器拉桿在拉桿曲線上的截面如圖10所示，圖中的限位器盒是車門關門的位置，限位器拉桿安裝支架側的端部尺寸與安裝支架的結構有關，根據安裝支架的尺寸而定。與限位器盒開孔大小有關，為限位器盒孔的高度減去兩個配合間隙。的大小與、限位器需要的彈簧彈力、拉桿強度有關。為了保證限位器定位的可靠性，彈簧頂針會有一個傾斜角，拉桿一擋位置的初始坡角與彈簧頂針的傾斜角有關。為了保證車門閉合時能與門框貼合，限位器有一定的預緊力，和限位器的預緊力有關。拉桿卡口每個擋位都有兩斜角，和是限位器拉桿的一擋卡口，和是限位器拉桿的二擋卡口，和是限位器拉桿的三擋卡口，大小與限位力有關。為車門最大開門角度下限位器盒相對拉桿的位移，、和分別為在拉桿曲線上限位器拉桿3個擋位限位器盒相對拉桿的位移量，與預設的開門角度有關。

圖10 三擋限位器拉桿在拉桿曲線上的截面

目前，市場上的限位器拉桿主要有兩種，一種是金屬件，另一種是含金屬鑲件的塑料件，本文是對含金屬鑲件的塑料拉桿進行設計。為了滿足限位器的開關門過載試驗，限位器拉桿金屬鑲件一般采用厚度為3 mm的Q235碳素結構鋼，塑料材料為尼龍PA66材料，其中金屬鑲件主要起支撐作用，塑料外殼主要用于設計卡口結構。

2.3.2 限位器卡口計算

在拉桿曲線上限位器拉桿3個擋位限位器盒相對拉桿的位移量可以利用作圖法求出。將限位盒頂針軸線沿鉸鏈軸線旋轉開門角度，以銷軸在運動平面上的投影點為圓心，在運動平面上過限位器盒頂針軸線的中點作圓，獲得所有在運動平面上通過限位器盒頂針線中點的圓，圓與拉桿曲線交于一點，拉桿曲線上點到點的弧長，如圖 11所示。

圖11 開門角度為β時限位器盒相對拉桿的位移量

根據受力關系，利用力矩平衡得：

=++2

(1)

式中：為門把手到鉸鏈的距離;

為操作力;

為限位器力矩;

為車門自關力矩;

為鉸鏈轉動阻力矩。

限位器力矩：

=2

(2)

式中：為限位器力;

為限位器銷軸到車門鉸鏈軸線的距離。

限位器力：

=Δ(+sin)(cos)

(3)

式中：為彈簧彈力系數;

Δ為限位器彈簧的壓縮量;

為摩擦因數;

為限位器拉桿卡口斜角。

車門自關力矩：

=sin(-)+cos(-)

(4)

式中：、分別為車門重力在車門開啟平面的分力;

為車門重心到鉸鏈軸線的距離;

為開門角度;

為車門閉合時重心到鉸鏈軸線的垂線與汽車坐標系平面的夾角。

車門重力在車門開啟平面的分力：

(5)

式中：為車門自重;

為車門鉸鏈內傾角;

為車門鉸鏈后傾角;

為駐坡角度;

為輪距;

為左右輪中心高度差。

車門重力在車門開啟平面的分力：

(6)

將以上公式和表1的設計參數輸入UG NX公式編輯器中。

表1 設計參數

利用UG NX的公式編輯器計算限位器拉桿卡口斜角，結果見表2。

表2 限位器拉桿卡口斜角計算結果

2.3.3 拉桿塑料殼體創建

輸入卡口斜角、弧長和拉桿厚度的設計參數，根據輸入的設計參數，拉伸出如圖12所示的卡口輪廓體。

圖12 卡口輪廓體

將拉桿曲線沿鉸鏈軸線對稱拉伸/2偏置半個拉桿寬度得到拉桿塑料殼體，將卡口輪廓體按曲線整體變形到拉桿曲線上，如圖13所示。

圖13 拉桿塑料殼體及卡口輪廓體

利用卡口輪廓體修剪拉桿塑料殼體，創建拉桿塑料殼體的卡口，得到如圖14所示的殼體。

圖14 拉桿塑料殼體創建

對拉桿塑料殼體進行倒角處理，調入拉桿塑料殼體兩端的結構并求和，利用求和后的殼體與拉桿金屬鑲件求差，獲得如圖15所示的拉桿塑料殼。

圖15 拉桿塑料殼

3 包絡分析

在開門時，拉桿繞著銷軸轉動和相對限位器盒移動，設計車門限位器時，除了要考慮限位器的尺寸，還需要考慮工具空間和拉桿的運動空間，限位器的尺寸、工具空間與選用的安裝設備有關，設計中拉桿的運動空間使用包絡分析進行計算，計算過程如下。

將拉桿曲線和拉桿的對象沿車門鉸鏈軸線旋轉一個開門角度并移除體上的小面，如圖16所示。

圖16 開門角度為β時的銷軸位置

以拉桿曲線限位器銷軸側的端點為圓心作為過限位器盒頂針線中點在運動平面上畫圓，連接圓心和圓與拉桿曲線的交點、圓心和限位器盒頂針線中點，獲得兩直線的夾角，是限位器拉桿在開門角度為時的旋轉角，如圖17所示。

圖17 限位器拉桿在開門角度為β時的旋轉角

將拉桿沿拉桿曲線限位器銷軸軸線旋轉，獲得在開門角度為時的限位器拉桿的位置如圖18所示。

圖18 開門角度為β時的限位器拉桿的位置

通過給定一個開門角度的步距，重復以上步驟，獲得拉桿在各個開門角度的位置，求得拉桿掃過的區域。如圖19所示，該區域為包絡分析的結果，通過調整開門角度的步距大小控制包絡分析精度。

圖19 包絡分析結果

4 NX二次開發

基于C++語言和NXOpen++函數庫，將以上限位器的設計算法固化到代碼中，程序流程如圖20所示，輸入限位器相關的設計參數，利用計算機計算得到拉桿的關鍵尺寸，然后進行自動建模。

圖20 程序流程

根據以上的設計思路，可以利用3個輔助設計工具來完成限位器的自動建模，創建初版數模。根據需求，搭建NX二次開發工具的工程，創建Application、Data、Startup和Template文件，將工具的路徑掛到Custom_dirs文件中，編輯Menu文件，創建并修改菜單及下拉菜單。利用NX自帶的UI編輯器分別做出其UI界面如圖21至圖23所示，將限位器的設計過程固化到代碼中，實現限位器的自動建模。

圖21 限位器拉桿金屬鑲件輔助設計工具UI界面

圖22 限位器拉桿塑料殼輔助設計工具UI界面

圖23 限位器拉桿包絡分析工具UI界面

限位器拉桿經過多代的設計優化，限位器拉桿的創建算法已經固定，但限位器拉桿的緩沖墊和接頭結構一般需要和汽車車型對應，同一車型的限位器其接頭結構和尺寸相同，為降低設計成本、節約時間、降低風險，限位器兩端一般為重用結構，將其固化到重用庫中，可以通過車型直接調用。利用重用庫技術能使工具的靈活性得到提高，后期車型遇到結構差異較大的限位器拉桿接頭時可以通過修改重用庫來提高工具的適應性。

5 結束語

本文的設計方法基于UG NX平臺，將限位器拉桿的設計和校核都在3D數據上進行，并開發出了自動化程序，實現了限位器拉桿設計和作圖一體化、建模自動化，使得限位器設計效率和質量都有大幅提高。該設計方法使用比較直觀的三維數據代替抽象的文本數據，設計過程中有3D模型預覽的功能，使得設計過程更直觀。