基于Adams 的車用滑移門導(dǎo)軌傾角對操作力影響的研究*

馬嘉楠，苗永存，傅愛軍，張方磊，周 云

(1.廣西科技大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣西 柳州 545000； 2.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引 言

不同于傳統(tǒng)鉸鏈門的運動形式，汽車滑移門因車門開度更大、開啟時占據(jù)外部空間更小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各類MPV 車型中。 在設(shè)計汽車滑移門時，不僅要避免車門與車身其他部分出現(xiàn)干涉，還需保證滑移門具備良好的運動平順性。 平順性是滑移門感知質(zhì)量的重要組成部分，直接影響使用者對整車質(zhì)量的評價[1]。 導(dǎo)軌作為承載滑移門運動的重要部件，其安裝布置、幾何形狀、加工工藝等特征均會影響滑移門系統(tǒng)的平順性。

近年來，面向滑移門的設(shè)計研究與仿真分析也在逐步完善。 劉鵬飛運用正交實驗設(shè)計方法研究了滑移門主要結(jié)構(gòu)件的制造偏差對滑移門平順性的影響，得到了各因素對結(jié)果的不同影響[2]。 Hyung 等人分析了滑移門各部件的布置參數(shù)對滑移門操作力的影響，研究了中軌道彎曲角度的變化對滑移門操作力的影響[3]。 Muneer 等人結(jié)合試驗研究了影響滑移門關(guān)門速度的相關(guān)參數(shù)，提出氣壓阻力是影響滑移門最小關(guān)閉速度的重要因素[4]。

筆者以某MPV 車型滑移門為例，針對導(dǎo)軌的不同姿態(tài)進行運動學(xué)仿真，總結(jié)和分析了導(dǎo)軌傾角對滑移門操作力的影響，對滑移門機構(gòu)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 滑移門多體動力學(xué)模型的建立

1.1 滑移門系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

汽車滑移門系統(tǒng)的主要部件包括門板、走輪臂、滾輪、導(dǎo)軌、鎖體、限位器、緩沖裝置和內(nèi)外把手等[5]。 汽車滑移門主要依靠位于上部、中部、下部的三個走輪臂，走輪臂鉸接數(shù)個滾輪，且滾輪分別固定在導(dǎo)軌凹槽中，以此實現(xiàn)滑移門與車身的連接，滾輪沿導(dǎo)軌滾動時完成滑移門的開啟與關(guān)閉。 在滑移門系統(tǒng)中，除滿足強度和基本功能的門體、緩沖件和把手等部件外，走輪臂、滾輪和導(dǎo)軌也是影響滑移門運動的關(guān)鍵部件，文中主要研究導(dǎo)軌傾斜角度對滑移門運動平順性的影響。

上導(dǎo)軌主要起導(dǎo)向作用，故上導(dǎo)軌無承重平面且與之相配合的滾輪均為導(dǎo)向輪，即不承受車門重力；中導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌起導(dǎo)向和承重作用，與導(dǎo)軌配合的滾輪中既有導(dǎo)向輪也有起垂直支撐作用的承重輪。 于此同時，三條導(dǎo)軌的彎曲程度也不盡相同，其中中導(dǎo)軌的彎曲程度較大。

1.2 設(shè)置約束

由于滑移門系統(tǒng)零部件較多，且大多部件如門的內(nèi)板、外板、鎖體、限位器等并不參與仿真運算，為簡化模型首先將這些相對靜止的部件進行布爾加運算，將其合并為一個整體。 隨后在建立多體動力學(xué)模型時，可根據(jù)滑移門各個部件之間實際存在的約束關(guān)系，在Adams 中設(shè)置不同的運動副，以減少部件之間的自由度。 使用固定副、旋轉(zhuǎn)副和接觸約束等即可體現(xiàn)各部件間的約束關(guān)系。 主要部件的約束關(guān)系是:導(dǎo)軌使用固定副約束其全部自由度、鉸鏈走輪臂使用旋轉(zhuǎn)副、滾輪在輪銷處采用旋轉(zhuǎn)副約束、滾輪與導(dǎo)軌為接觸副。

ADAMS 中提供2 種算法計算約束關(guān)系，分別為罰函數(shù)法(Restitution)和沖擊函數(shù)法(Impact)。 罰函數(shù)法根據(jù)損失系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)計算接觸力，損失系數(shù)限于單向約束，并控制接觸時的能量耗散。 該算法對接觸過程的持續(xù)時間非常敏感，故更適合于沖擊過程的仿真，但對于包含大量接觸事件的仿真得到的結(jié)果往往與實際有較大偏差[6]。 因此文中選擇基于沖擊函數(shù)的算法(Impact-Function-Based contact)計算滾輪與導(dǎo)軌間的接觸力，其接觸力的公式如下:

式中:x為物體之間的距離；為物體間的相對速度；x1為x的自由距離，當(dāng)x小于x1時表示物體間發(fā)生接觸并產(chǎn)生壓力，x大于等于x1時則代表物體間尚未發(fā)生接觸；k為材料剛度；e為壓力指數(shù)；cmax為最大阻尼系數(shù)；d為接觸表面的臨界相互滲透量，當(dāng)接觸滲透量小于d時，阻尼系數(shù)是滲透量的三次函數(shù)，大于d時，阻尼值達到最大cmax。

部分約束示意圖如圖1 所示。

圖1 滑移門ADAMS 模型部分約束示意圖

1.3 定義驅(qū)動

為模擬滑移門實際開閉過程，需在把手處設(shè)置驅(qū)動，按照企業(yè)對滑移門運動的規(guī)范，設(shè)置驅(qū)動運動速度為650 mm/s，將驅(qū)動定義為由STEP 函數(shù)控制的速度，其幅值隨時間變化:650×(STEP(time，0，0，0.5，-1)＋STEP(time，1.4，0，1.5，1)＋STEP(time，1.7，0，2.2，1))，驅(qū)動定義的速度方向指向-X方向(車頭方向)。 該step 函數(shù)表示從0 ～0.5 s 將速度從0 mm/s增大到650 mm/s，在0.5 ～1.4 s 內(nèi)保持速度不變，此時車門正常開啟；隨后速度開始下降，直至1.5 s 減少到0 mm/s，車門靜止后，從1.7 ～2.2 s 將速度再次增大到650 mm/s，由于此時函數(shù)中定義的速度方向與開啟時相反，車門將關(guān)閉。

相較于以力作為驅(qū)動輸入的方法，構(gòu)建以初速度為輸入，車門處操作力為輸出的Adams 虛擬樣機模型，不僅符合企業(yè)對滑移門操作力的相關(guān)規(guī)定，可以更加直觀地得到在現(xiàn)行開門速度規(guī)定下滑移門操作力的大小，還可通過更改驅(qū)動速度得到不同開門速度下的滑移門操作力數(shù)據(jù)，從而有助于設(shè)計人員在設(shè)計初期對滑移門的操作力大小有所了解。

理想的滑移門滾輪(包括導(dǎo)輪和承重輪)在導(dǎo)軌上運動時應(yīng)保持做純滾動，且不與滾輪軸發(fā)生相對運動，這樣可避免滾輪和導(dǎo)軌在切向的相對運動產(chǎn)生異響和摩擦，從而使得整個滑移門系統(tǒng)平順性更好。

2 滑移門模型仿真分析

建模完成后即可在Adams/View 中對樣機模型進行仿真分析，隨后通過其后處理功能可以得到各部件的受力情況[7]。 由于車身上三條導(dǎo)軌的作用各不相同:上導(dǎo)軌和中導(dǎo)軌主要承擔(dān)導(dǎo)向作用，下導(dǎo)軌主要起承重和導(dǎo)向作用，故各個導(dǎo)軌的姿態(tài)和定位要求也不同，市場上的一些車型為了使滑移門具有自動關(guān)閉的趨勢，其中導(dǎo)軌相較上導(dǎo)軌與下導(dǎo)軌往往存在0.5°～1.5°的微小角度。 微小傾角的存在降低了滑移門在關(guān)閉過程中所需的操作力，并且賦予了汽車滑移門自動關(guān)閉的趨勢，但是隨著中導(dǎo)軌傾斜角度的增大，開啟滑移門時所需的驅(qū)動力也將增大，過大的開門力不利于提升滑移門的感知質(zhì)量，為研究導(dǎo)軌傾角對滑移門操作力的影響，取中導(dǎo)軌為研究對象，以導(dǎo)軌安裝定位點為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)中導(dǎo)軌呈0.5°、0.8°、1°、1.2°、1.5°，通過仿真分析研究車門把手處X向力的變化情況。 通過查閱相關(guān)企業(yè)規(guī)范和市場調(diào)查，滑移門開門力與消費者使用體驗的關(guān)系如表1 所列。

表1 滑移門操作力與用戶體驗

綜上所示，具有較高感知質(zhì)量的滑移門其開啟力應(yīng)控制在38 N 以下。

2.1 開門力仿真分析

當(dāng)滑移門以650 mm/s 的速度開啟，當(dāng)導(dǎo)軌平直不存在傾斜角度時，車門把手處的開啟力的變化如圖2(a)所示。 在車門剛剛開啟時，由于受到驅(qū)動施加的力作用，車門把手處的載荷存在短暫的突變現(xiàn)象，隨著車門的開啟，載荷逐漸趨向平穩(wěn)。 隨后把手處的載荷出現(xiàn)較大程度的波動，經(jīng)過對運動過程的分析，發(fā)現(xiàn)載荷出現(xiàn)波動的主要原因是滑移門在開啟過程中從導(dǎo)軌的平直段通過中導(dǎo)軌的彎曲段，滾輪與導(dǎo)軌中出現(xiàn)軌跡改變發(fā)生碰撞所致。 取車門關(guān)閉方向為正方向，故此時車門在開啟時操作力為負值，取其絕對值。 當(dāng)導(dǎo)軌不存在傾角時，開門過程中，開門力的平均值為31.4 N，均方根(RMS)為32.6，開啟較為順暢。 開門力仿真結(jié)果示意圖如圖2 所示，開門力的變化情況如表2 所列。

圖2 開門力仿真結(jié)果示意圖

表2 不同傾角下滑移門的開門力

仿真結(jié)果由表2 可知，隨中導(dǎo)軌傾角的增大，開門力由傾角為0°時的31.4 N 增長到1.5°時的41.1 N，增長率為28.2%，傾角小于等于1°時，滑移門的開啟均較為順暢，不存在卡滯現(xiàn)象。

2.2 關(guān)門力仿真分析

關(guān)門力仿真結(jié)果示意圖如圖3 所示，關(guān)門力的變化情況如表3 所列。

表3 不同傾角下滑移門的關(guān)門力

圖3 關(guān)門力仿真結(jié)果示意圖

由仿真結(jié)果可知，由于中導(dǎo)軌傾角的存在，滑移門存在“自關(guān)”的趨勢，關(guān)門力的平均值也由導(dǎo)軌傾角為0°時的34.4 N 降低至25.2 N，關(guān)門力降低26.7%，此時滑移門具有較高的平順性，具備較好的感知質(zhì)量。 在實際生產(chǎn)中，在開門力滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可適當(dāng)增加中導(dǎo)軌傾角，使滑移門獲得自動關(guān)閉的趨勢以提高感知質(zhì)量。

2.3 分析結(jié)果

根據(jù)以上仿真結(jié)果，保持其他外界條件不變的情況下，設(shè)導(dǎo)軌傾角為自變量，開/關(guān)門力為因變量，利用MATLAB 軟件中的數(shù)據(jù)擬合功能，對仿真結(jié)果進行擬合處理，得到傾角與開/關(guān)門力的近似函數(shù)關(guān)系表達式。 首先將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB 中。 使用線性擬合模型y＝a0＋a1x進行擬合，線性模型具有計算簡單、應(yīng)用廣泛的特點，故擬合類型選擇多項式(Polynomial)，Degrees 取1。 開/關(guān)門力的擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 操作力與傾斜角度關(guān)系示意圖

由擬合結(jié)果可知，在其他條件不變時，開/關(guān)門力的大小均和導(dǎo)軌傾角存在線性相關(guān)。 由圖4 可知，開門力擬合結(jié)果為:

其確定系數(shù)(R-square)接近1，說明該方程的變量對y具備較強的解釋能力，即該模型對數(shù)據(jù)的擬合程度也比較好；由圖4 可知，關(guān)門力與導(dǎo)軌傾角呈負相關(guān)，擬合結(jié)果為:

其結(jié)果也具有較強的可信度，方差(SSE)接近于0，說明模型選擇和擬合程度較好。

3 結(jié) 語

文中以某車型滑移門系統(tǒng)為例，以滑移門導(dǎo)軌為研究對象，對滑移門系統(tǒng)的動力學(xué)仿真進行了研究。介紹了滑移門系統(tǒng)的運動原理，并構(gòu)建了滑移門系統(tǒng)ADAMS 虛擬樣機模型。

在其他條件不變時，改變不同導(dǎo)軌角度，對比不同條件下的開/關(guān)門力的大小，可以看出導(dǎo)傾角對滑移門的操作力存在一定程度的影響，通過比對無傾角與1.5°傾角時的操作力大小后得到開啟力增大28.2%，關(guān)閉力減少26.7%，并通過MATLAB 軟件的擬合功能得到了擬合程度較高的操作力與導(dǎo)軌傾角的函數(shù)關(guān)系式。 因此，在實際生產(chǎn)中可以在此結(jié)論基礎(chǔ)上有針對性地調(diào)整導(dǎo)軌傾角，以達到提高滑移門系統(tǒng)感知質(zhì)量的目的。 研究結(jié)果對滑移門系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論參考。