江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

1 研究背景

微客因成本低廉、用途廣泛而越來越受到消費(fèi)者的關(guān)注。用于微客的滑移門，因為增加車門開度、車門開啟時占用外部空間較小等優(yōu)點深受廣大用戶和車企的喜愛［1-2］。在設(shè)計車輛滑移門系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)時，不僅要考慮車門的造型和車載空間的大小，還要考慮車門平順性和使用壽命的要求。滑移門系統(tǒng)的運(yùn)動平順性是最能反映滑移門設(shè)計和制造質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)，直接影響使用者對于整車的感受［3］。

近年來，關(guān)于滑移門的設(shè)計和仿真分析已經(jīng)在逐步完善中。由文獻(xiàn)［4］可知滑移門相對于旋轉(zhuǎn)車門的優(yōu)點及其結(jié)構(gòu)原理。趙云梅等［5］針對滑移門導(dǎo)軌室的結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)軌室的設(shè)計要點及工藝性進(jìn)行了研究。李乃鵬等［6］根據(jù)某微型面包車的斷面圖，討論了上、中、下導(dǎo)軌空間布置的方法和注意事項。然而，針對滑移門系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計到性能分析驗證這一過程，國內(nèi)外均較少有全面系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)。筆者以某微客車型為實例，進(jìn)行了滑移門系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計和運(yùn)動學(xué)性能的分析研究，通過總結(jié)和分析，可以使滑移門系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)周期縮短，開發(fā)成本降低。

2 滑移門運(yùn)動系統(tǒng)

滑移門系統(tǒng)的構(gòu)件主要包括門板、導(dǎo)軌、鉸鏈、限位器、緩沖裝置、內(nèi)外手柄、鎖體等［7］?；崎T的整個開閉過程是靠鉸鏈中的滾輪在導(dǎo)軌中進(jìn)行滾動來完成的，因此，筆者重點對滑移門運(yùn)動構(gòu)件導(dǎo)軌、鉸鏈、限位器的設(shè)計進(jìn)行介紹。為了避免滑移門在開閉過程中，車門與立柱、后側(cè)圍等固定件產(chǎn)生干涉，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，確定滑移門導(dǎo)軌的軌跡線。

2.1 導(dǎo)軌軌跡

滑移門導(dǎo)軌軌跡分為兩個階段，第一階段是車門為了避開滑移門后側(cè)立柱（C柱）和后側(cè)圍而向車身外后側(cè)方向移動，第二階段是車門沿Y方向平移運(yùn)動直至車門的最大開度。第一階段的軌跡與Y方向成一定的角度，控制車門向外后側(cè)平移。為了更好地避開C柱，中導(dǎo)軌前段與Y方向的夾角取60°，上、下導(dǎo)軌前段與Y方向的夾角取30°。第二階段的軌跡與車身后側(cè)圍造型面平行，滑軌的終點由車門的開度決定。為了避免車門內(nèi)飾板在車門開啟時與后側(cè)圍產(chǎn)生干涉，還需要確定三根導(dǎo)軌的起點與導(dǎo)軌后端的Y方向距離，取上導(dǎo)軌起點與后端的Y方向距離為98 mm，中導(dǎo)軌為78 mm，下導(dǎo)軌為112 mm。

根據(jù)以上設(shè)計要求，可以得出中、下導(dǎo)軌的軌跡線，以及上導(dǎo)軌軌跡所在的平面，再通過運(yùn)動仿真得出上導(dǎo)軌的軌跡線。圖1所示滑移門導(dǎo)軌軌跡線是通過運(yùn)動模擬得出的，模擬結(jié)果可以避免車門在運(yùn)動過程中出現(xiàn)卡滯的現(xiàn)象。

2.2 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

根據(jù)導(dǎo)軌軌跡線，完成導(dǎo)軌斷面的設(shè)計，并將導(dǎo)軌斷面沿軌跡線掃掠，即可完成導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

上導(dǎo)軌以焊接方式固定在車身上，上導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

中導(dǎo)軌通過螺栓固定連接在后側(cè)圍的腰部位置。中導(dǎo)軌的截面結(jié)構(gòu)如圖3所示，可以提供鉸鏈滾輪的滑動空間。為了車身的美觀，通常會為中導(dǎo)軌設(shè)計專門的裝飾板。

下導(dǎo)軌位于中門的門檻位置，分為上、下滑槽兩個部分。上滑槽焊接在中門踏步上，提供鉸鏈Y方向滾輪的滑動空間。下滑槽焊接在白車身上，鉸鏈Z方向滾輪在其表面滾動。

下導(dǎo)軌的截面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 鉸鏈結(jié)構(gòu)

上鉸鏈只有一個X方向運(yùn)動的滾輪，不需要起到承重作用，因此結(jié)構(gòu)通常較為簡單。上鉸鏈采用整體式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，并且能保證上鉸鏈在導(dǎo)軌中運(yùn)動平穩(wěn)。上鉸鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌如圖5所示。

中、下鉸鏈中有X和Z兩個方向運(yùn)動的滾輪，X方向設(shè)置兩個滾輪，在Z方向滾輪過彎時起導(dǎo)向作用。中、下鉸鏈均采用鉸接式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是能夠較好地控制車門走向，在保證車門運(yùn)動平順的同時，又能起到降低車門運(yùn)動噪聲的作用。圖6和圖7所示分別為中、下鉸鏈與導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。

設(shè)計鉸鏈時，懸臂長度直接影響鉸鏈的剛度，懸臂的長度越長，鉸鏈的剛度越差，滑移門下垂的可能性也就越大。上鉸鏈懸臂的長度為100 mm，中鉸鏈懸臂的長度為56 mm，下鉸鏈懸臂的長度為163 mm。

為了避免滾輪與導(dǎo)軌之間碰撞并產(chǎn)生異響，要確定合適的鉸鏈滾輪與導(dǎo)軌之間的配合間隙。鉸鏈的X方向滾輪與導(dǎo)軌之間的配合間隙單邊取0.1 mm，中、下鉸鏈的Z方向滾輪在運(yùn)動過程中會產(chǎn)生變形，因此在設(shè)計時，Z方向滾輪與導(dǎo)軌需要留有1 mm的干涉量。

2.4 限位器結(jié)構(gòu)

滑移門的限位器可以分為兩類：開門限位器和關(guān)門限位器，以下主要介紹開門限位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。開門限位器是防止滑移門在打開的情況下，車門不會自動關(guān)閉的裝置。筆者采用的是一種可拆卸式開門限位器，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。開門限位器通過螺栓連接的方式固定于下踏步上。當(dāng)滑移門打開時，下鉸鏈滾輪下壓彈簧片凸臺，使彈簧片給予鉸鏈一個反向的推力，從而對車門起到限位的作用，同時反向推力的大小可以通過彈簧片凸臺的高低來調(diào)節(jié)。

3 多體動力學(xué)模型

基于ADAMS/View軟件對滑移門系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，建立滑移門的多體動力學(xué)模型。根據(jù)滑移門系統(tǒng)在真實運(yùn)動時各構(gòu)件之間的運(yùn)動關(guān)系，建立適當(dāng)?shù)募s束［8-9］，見表 1。

表1 模型約束

根據(jù)靜摩擦因數(shù)表，選取滾輪與導(dǎo)軌之間的靜摩擦因數(shù)為0.15。根據(jù)動摩擦因數(shù)表，選取滾輪與導(dǎo)軌之間的動摩擦因數(shù)為0.05。在滾輪與導(dǎo)軌之間的接觸約束中添加相應(yīng)的摩擦力。

▲圖1 滑移門導(dǎo)軌軌跡線

▲圖2 上導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)

▲圖3 中導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)

▲圖4 下導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)

▲圖5 上鉸鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌

▲圖6 中鉸鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌

▲圖7 下鉸鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌

▲圖8 開門限位器結(jié)構(gòu)

模擬滑移門從關(guān)閉到開啟至最大開度的時間要小于2.5 s，在滑移門的手柄位置處添加分別指向X、Y、Z方向的三分量力作為驅(qū)動，其中一個分量是沿Y方向的恒力，即為指向車門開啟方向的拉力，大小為27 N；另一個分量是沿X方向的恒力，即為指向車門外側(cè)的拉力，大小為8 N，保證車門能夠在2.5 s內(nèi)完成開啟過程。仿真結(jié)果中滑移門從關(guān)閉到完全開啟需要的時間為 2.3 s。

4 運(yùn)動平順性分析

通過后處理模塊中的數(shù)據(jù)處理功能，可以得到滾輪在導(dǎo)軌運(yùn)動時的受力情況。以滾輪在導(dǎo)軌中受力的大小和方向變化來評估車門的運(yùn)動平順性。

4.1 上鉸鏈滾輪

如圖9所示，上鉸鏈滾輪主要承受導(dǎo)軌施加的X方向載荷，起到側(cè)向的導(dǎo)向作用。車門剛開啟時，受到一個向外的拉力，滾輪受到的載荷有一個突變的現(xiàn)象。隨著車門的開啟，滾輪上受到的載荷趨于平緩。從圖9中可以看出，上鉸鏈滾輪的載荷始終為正向載荷，說明滾輪始終沿導(dǎo)軌的外側(cè)運(yùn)動。

▲圖9 上鉸鏈滾輪載荷變化曲線

4.2 中鉸鏈滾輪

中鉸鏈X方向滾輪1的載荷變化曲線如圖10所示，可以看出X方向滾輪1主要起到X方向的導(dǎo)向作用，除了在車門開啟的瞬間載荷出現(xiàn)突變以外，載荷均沒有產(chǎn)生較大的變化，并且始終為正向載荷，說明滾輪1始終沿著導(dǎo)軌的外側(cè)運(yùn)動。

▲圖10 中鉸鏈X方向滾輪1載荷變化曲線

中鉸鏈X方向滾輪2的載荷變化曲線如圖11所示，可以看出X方向滾輪2主要起到X方向的導(dǎo)向作用，變化趨勢基本與滾輪1相同，但始終為負(fù)向載荷，說明滾輪2始終沿著導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)運(yùn)動。

▲圖11 中鉸鏈X方向滾輪2載荷變化曲線

中鉸鏈Z方向滾輪的載荷變化曲線如圖12所示，可以看出Z方向滾輪主要起到Z方向的支撐作用，除了車門開啟瞬間，其Z方向載荷的變化范圍均較小，基本穩(wěn)定在100～250 N之間，均方根值為149.4 N，滾輪運(yùn)動較為平穩(wěn)。

▲圖12 中鉸鏈Z方向滾輪載荷變化曲線

4.3 下鉸鏈滾輪

下鉸鏈X方向滾輪1的載荷變化曲線如圖13所示，可以看出X方向滾輪1主要起到X方向的導(dǎo)向作用，除了在車門開啟的瞬間，載荷均沒有產(chǎn)生較大的變化，并且始終為負(fù)向載荷，說明滾輪1始終沿著導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)運(yùn)動。

▲圖13 下鉸鏈X方向滾輪1載荷變化曲線

下鉸鏈X方向滾輪2的載荷變化曲線如圖14所示，可以看出X方向滾輪2主要起到X方向的導(dǎo)向作用，除了在車門開啟的瞬間，載荷均沒有產(chǎn)生較大的變化，并且始終為負(fù)向載荷，說明滾輪2始終沿著導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)運(yùn)動。

▲圖14 下鉸鏈X方向滾輪2載荷變化曲線

下鉸鏈Z方向滾輪的載荷變化曲線如圖15所示，可以看出Z方向滾輪主要起到Z方向的支撐作用，除了車門開啟的瞬間，其Z方向載荷的變化范圍均較小，基本穩(wěn)定在0～550 N之間，均方根值為181.9 N，滾輪運(yùn)動較為平穩(wěn)。

▲圖15 下鉸鏈Z方向滾輪載荷變化曲線

4.4 分析結(jié)果

由以上各滾輪載荷變化曲線，可得滾輪所受載荷情況的對比，見表2～表3。

表2 鉸鏈X方向滾輪載荷對比 N

表3 鉸鏈Z方向滾輪載荷對比 N

由表2可知，上導(dǎo)軌承受的X方向載荷最大，最大值為158.2 N；中導(dǎo)軌X方向滾輪1和滾輪2所受的X方向載荷大小基本相同；下導(dǎo)軌X方向滾輪1和滾輪2所受的X方向載荷大小比較接近。由表3可知，中、下鉸鏈滾輪承受的Z方向載荷的均方根值大小之和為331.3 N，基本等同于車門自身的重力，下鉸鏈的Z方向滾輪承受的載荷更大。

綜上所述，各鉸鏈滾輪所受載荷均沒有出現(xiàn)較大的突變，且受力方向基本沒有變化，說明滑移門系統(tǒng)在整個運(yùn)動過程中運(yùn)動平順性較好。

5 NVH性能分析

滑移門系統(tǒng)的NVH性能指滑移門在運(yùn)動過程中的噪聲、振動、聲振粗糙度［10-11］，筆者僅對其噪聲進(jìn)行分析和研究?；崎T系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲的原因有兩個方面，一個是上、中、下鉸鏈的滾輪在導(dǎo)軌中滾動時由于摩擦產(chǎn)生的噪聲，另一個是滑移門系統(tǒng)的車門由于振動產(chǎn)生的噪聲。筆者在分析時只考慮車門內(nèi)、外板由于振動產(chǎn)生的振動噪聲，這可以通過考察車門運(yùn)動過程中的振動加速度變化來體現(xiàn)。

如圖16所示，車門質(zhì)心加速度始終位于1～3 m/s2之間，加速度峰值出現(xiàn)在車門運(yùn)動初期，這是因為滾輪在導(dǎo)軌中需要轉(zhuǎn)向，使車門的運(yùn)動加速度產(chǎn)生較大的變化。滾輪在導(dǎo)軌中沿Y方向平移運(yùn)動時，車門的質(zhì)心加速度值較為穩(wěn)定，沒有發(fā)生較大的突變。

考察車門質(zhì)心的加速度來體現(xiàn)車門的NVH性能，計算|amin-aaverage|/aaverage和|amax-aaverage|/aaverage，根據(jù)相關(guān)要求，這兩個數(shù)值要小于30%［12］。由表4可以看出，車門的質(zhì)心加速度變化符合要求，即車門內(nèi)、外板的振動特性符合要求，NVH性能良好。

▲圖16 車門質(zhì)心加速度變化曲線

表4 車門質(zhì)心加速度結(jié)果分析

6 總結(jié)

筆者以某微客車型滑移門系統(tǒng)為例，對滑移門系統(tǒng)的設(shè)計方法和動力學(xué)仿真分析進(jìn)行了研究。詳細(xì)介紹了滑移門系統(tǒng)中相關(guān)運(yùn)動構(gòu)件的設(shè)計方法，包括導(dǎo)軌軌跡、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、鉸鏈結(jié)構(gòu)、限位器結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了滑移門運(yùn)動系統(tǒng)的三維模型。

通過對滑移門系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真，分析鉸鏈滾輪所受載荷的變化情況和車門質(zhì)心的振動加速度變化情況，考察滑移門的運(yùn)動平順性和NVH性能，驗證了滑移門的設(shè)計方法合理可行。這一研究為滑移門系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考。