張志陽，龔青山，曹占龍，郭慶賀，任愛華

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北十堰 442002）

貨箱門的可靠性和開閉過程中的舒適性對(duì)開閉機(jī)構(gòu)提出了高要求，貨箱門開閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究成為學(xué)者關(guān)注的對(duì)象。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，張淑坤等［1］以某車型為例，從人機(jī)工程、乘員保護(hù)、撐桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣溫變化對(duì)撐桿支撐力的影響以及撐桿布置方式對(duì)背門的影響等方面進(jìn)行研究，解決了背門關(guān)閉力過大、背門開閉性不良、背門下垂等問題。優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，劉豪等［2］以幾個(gè)構(gòu)件的材料厚度為設(shè)計(jì)變量，采用最優(yōu)拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法獲得樣本數(shù)據(jù)，并用響應(yīng)面法構(gòu)建近似模型，利用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行多學(xué)科并行優(yōu)化，在保證背門質(zhì)量不增加的情況下，顯著提高了背門的1 階固有頻率。白中浩等［3］針對(duì)國(guó)內(nèi)SUV 車型背門下垂的問題，設(shè)計(jì)了新型的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。汪祥等［4］利用集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)汽車尾門氣彈簧系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得汽車尾門系統(tǒng)操作性能在滿足客戶需求的前提下氣彈簧支撐力最小。顧華朋等［5］從后背門安裝點(diǎn)處截面、搭接結(jié)構(gòu)、料厚等多方面對(duì)后背門鉸鏈安裝點(diǎn)靜剛度不足的原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)行多方面優(yōu)化。王伯坤等［6］采用正向設(shè)計(jì)的方法對(duì)汽車電動(dòng)尾門撐桿進(jìn)行了布置和力學(xué)計(jì)算。仇維蓉等［7］通過分析各參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩開啟力的影響，并從中選擇開啟力滿足人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)方案。朱鑫等［8］對(duì)行李箱蓋鉸鏈桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后鉸鏈桿的強(qiáng)度基本不變，剛度提高了22.7%。近年來學(xué)者對(duì)汽車開閉機(jī)構(gòu)的研究主要集中在上翻型的后背門或者發(fā)動(dòng)機(jī)罩上，大多對(duì)機(jī)構(gòu)中某部件如背門、撐桿等單獨(dú)研究，將理論計(jì)算、設(shè)計(jì)及仿真分析結(jié)合起來對(duì)下翻型貨箱門開閉機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行研究則相對(duì)較少。皮卡車貨箱門上面裝配氣壓撐桿的不多，文中為了使貨箱門的開閉過程更加省力，針對(duì)某款皮卡車的下翻型貨箱門，設(shè)計(jì)其開閉機(jī)構(gòu)用氣壓撐桿并進(jìn)行力學(xué)計(jì)算及仿真分析。

1 氣壓撐桿受力計(jì)算

氣壓撐桿，也叫氣彈簧，一般由缸筒、活塞、活塞桿、液壓油等組成，利用密閉在壓力缸的高壓惰性氣體（一般為氮?dú)猓┗蛘哂蜌饣旌衔?，使腔體內(nèi)的壓力遠(yuǎn)大于大氣壓，然后利用伸縮桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產(chǎn)生壓力差來實(shí)現(xiàn)氣壓撐桿拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣壓撐桿分為拉伸式和壓縮式2種類型，拉伸式氣壓撐桿原始狀態(tài)為壓縮狀態(tài)，壓縮式氣壓撐桿原始狀態(tài)為拉伸狀態(tài)，裝配在汽車上面的多為拉伸式氣壓撐桿。將氣壓撐桿裝配到皮卡車貨箱門和車身上后，相比于傳統(tǒng)的不帶氣壓撐桿的貨箱門，可以達(dá)到開閉過程中更省力的目的。

圖1 氣壓撐桿結(jié)構(gòu)圖

氣壓撐桿主要起輔助作用。普通壓縮氣壓撐桿開啟輔助力為45 N 左右，拉伸類氣壓撐桿常態(tài)為收縮狀態(tài)，將氣壓撐桿開啟力設(shè)計(jì)為60 N左右；參考以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［9］，將關(guān)閉輔助力設(shè)計(jì)為160 N。由于拉簧作用，貨箱門在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)門的重力不足以保持關(guān)閉狀態(tài)，因此需要有額外的機(jī)構(gòu)鎖緊，防止貨箱門自由開啟。鎖緊機(jī)構(gòu)施加的力矩小于開啟貨箱門所施加的力矩，不參與設(shè)計(jì)計(jì)算。貨箱門從完全關(guān)閉到開啟再到開到最大，分為3個(gè)不同的狀態(tài)。完全關(guān)閉狀態(tài)施加的開門外力為開啟力，完全開啟狀態(tài)施加的關(guān)門外力為關(guān)閉力。

1.1 貨箱門關(guān)閉狀態(tài)

貨箱門的輸入?yún)?shù)如表1 所示。貨箱門開啟過程輔助開啟力矩大于氣壓撐桿拉伸力矩。根據(jù)汽車三維坐標(biāo)系的定義，將貨箱門開閉機(jī)構(gòu)投影到XZ平面，貨箱門開啟瞬時(shí)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2a。

圖2 貨箱門開閉狀態(tài)示意圖

表1 貨箱門輸入?yún)?shù)

以點(diǎn)A分析貨箱門開啟過程中受力狀況，得到

式中：F1為氣壓撐桿拉伸力；Fw1為開啟輔助力，取60 N；G為貨箱門重力，取324.87 N；Lw為開閉輔助力臂，取473 mm；Lg為重力臂，取33.34 mm；L1為氣壓撐桿拉伸力臂，取49.48 mm。計(jì)算得出F1為344.16 N。由于有2根關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱的氣壓撐桿，所以單根氣壓撐桿的拉伸力為172.08 N。

1.2 貨箱門平衡狀態(tài)

由于氣壓撐桿內(nèi)阻的存在，貨箱門在10°～13°基本處于平衡狀態(tài)，向2個(gè)方向（開啟或關(guān)閉）運(yùn)動(dòng)都需要輔助外力。超過13°貨箱門可以自由下落。

1.3 貨箱門開啟狀態(tài)

貨箱門由關(guān)閉狀態(tài)到完全開啟翻轉(zhuǎn)角度為90°，關(guān)閉瞬時(shí)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2b 所示。以點(diǎn)A分析貨箱門關(guān)閉過程中的受力狀況。

式中：F2為氣壓撐桿收縮力；Fw2為關(guān)閉輔助力，取160 N；L2為氣壓撐桿收縮力臂，取104.43 mm；Lg取310 mm。計(jì)算得出F2為240.53 N。單根氣壓撐桿的收縮力為120.27 N。

2 氣壓撐桿設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

以鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)用于連接車身和貨箱門的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件氣壓撐桿，并檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，驗(yàn)證氣壓撐桿的長(zhǎng)度是否滿足要求以及運(yùn)動(dòng)過程中氣壓撐桿是否與其他零部件發(fā)生干涉。

2.1 氣壓撐桿設(shè)計(jì)及選型

氣壓撐桿的上下安裝點(diǎn)位置以及行程通過輸入?yún)?shù)得出，通過數(shù)模測(cè)量氣壓撐桿伸長(zhǎng)及收縮時(shí)的長(zhǎng)度，得到氣壓撐桿的工作行程。氣壓撐桿的收縮狀態(tài)長(zhǎng)度為320.169 mm，取320 mm；伸長(zhǎng)狀態(tài)長(zhǎng)度為390.107 mm，取390 mm；工作行程為70 mm。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，氣壓撐桿長(zhǎng)度L應(yīng)滿足：

式中：Lmin為氣壓撐桿的最小長(zhǎng)度（收縮狀態(tài)長(zhǎng)度）；S為氣壓撐桿的工作行程。Lmin的定義主要考慮活塞的尺寸及預(yù)留出油氣混合物的空間，保證氣壓撐桿能夠正常伸縮。

根據(jù)背門氣撐桿布置規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［10］，取缸筒直徑為22 mm，活塞桿直徑為10 mm?；钊麠U端接頭為單片式，缸筒端接頭為球鉸式，最小伸展力為250 N，型號(hào)為L(zhǎng)Q10/22-70-390（O-B）250。

2.2 貨箱門開閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

將位于車身和貨箱門上的4 個(gè)鉸接點(diǎn)處設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，外缸筒和伸縮桿之間設(shè)置移動(dòng)副，模擬貨箱門從關(guān)閉到完全打開的運(yùn)動(dòng)過程。運(yùn)用CA?TIA 中的DMU 運(yùn)動(dòng)仿真模塊檢驗(yàn)氣壓撐桿運(yùn)動(dòng)過程中是否出現(xiàn)與周圍零部件的干涉現(xiàn)象，貨箱門開啟過程如圖3 所示。觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，使用CATIA 的測(cè)量工具測(cè)得氣壓撐桿與周圍零部件的最小間距為8.6 mm，氣壓撐桿運(yùn)動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)與周圍零部件的干涉現(xiàn)象。

圖3 貨箱門開啟過程

3 開閉機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)相關(guān)坐標(biāo)點(diǎn)信息，在ADAMS 中建立貨箱門開閉機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，求得鉸接點(diǎn)受力最大位置并提取載荷。

貨箱門結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，若直接導(dǎo)入ADAMS，不利于分析，因此將貨箱門簡(jiǎn)化為拉伸體，將其質(zhì)量定義為實(shí)際質(zhì)量；將氣壓撐桿簡(jiǎn)化為2根同軸不同半徑的圓柱體，在氣壓撐桿與車身鉸接點(diǎn)處設(shè)置旋轉(zhuǎn)副，氣壓撐桿與貨箱門鉸接點(diǎn)處設(shè)置點(diǎn)線副，圓柱體之間設(shè)置為移動(dòng)副，模擬貨箱門的開閉過程。建立的簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4 貨箱門關(guān)閉模型

為了使仿真效果更加符合實(shí)際情況，將貨箱門的運(yùn)動(dòng)設(shè)定為勻速運(yùn)動(dòng)，仿真時(shí)間為5 s。貨箱門從關(guān)閉到完全打開過程中點(diǎn)B受力曲線如圖5 所示。由圖5 可知，在貨箱門下落過程中，點(diǎn)B沿氣壓撐桿軸向方向先向上后向下運(yùn)動(dòng)，由于氣壓撐桿內(nèi)部的阻尼作用，受力呈增減增的趨勢(shì)。當(dāng)貨箱門完全打開時(shí)點(diǎn)B處受力最大，為141.15 N，比計(jì)算值大17%，證明仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較相符。

圖5 鉸接點(diǎn)B處受力曲線

4 氣壓撐桿有限元分析

氣壓撐桿在運(yùn)動(dòng)過程中主要受貨箱門重力、活塞桿的軸向輸出力和摩擦力作用，在力的共同作用下氣壓撐桿會(huì)產(chǎn)生一定的軸向形變，因此需要對(duì)氣壓撐桿的變形進(jìn)行分析，保證氣壓撐桿的運(yùn)動(dòng)過程穩(wěn)定可靠。氣壓撐桿與車身和貨箱門均通過球頭銷連接，貨箱門在由關(guān)閉到開啟的過程中，氣壓撐桿繞點(diǎn)C逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，貨箱門繞點(diǎn)B順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（均在XZ平面內(nèi)），且氣壓撐桿逐漸伸長(zhǎng)。貨箱門完全開啟時(shí)繞點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)氣壓撐桿長(zhǎng)度為390 mm。若不考慮輔助關(guān)閉力，忽略摩擦力，氣壓撐桿的強(qiáng)度完全可以支撐貨箱門重力的作用。由于此貨箱門內(nèi)部設(shè)計(jì)有1個(gè)登步梯，需要考慮承載貨物或人員質(zhì)量的情況，將75 kg 質(zhì)量加在貨箱門的質(zhì)心上，貨箱門重力變?yōu)?059.87 N。根據(jù)力矩平衡，得出單根氣壓撐桿拉伸力為1574.48 N。對(duì)此狀態(tài)的氣壓撐桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，觀察鉸接點(diǎn)處應(yīng)力以及變形，根據(jù)分析結(jié)果決定是否需要優(yōu)化。

為避免前處理過程太繁瑣導(dǎo)致錯(cuò)誤，對(duì)氣壓撐桿模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將簡(jiǎn)化后的氣壓撐桿模型導(dǎo)入HyperMesh 中，采用3D 實(shí)體單元四面體和六面體混合的方式進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，得到52 785個(gè)單元體和25 877 個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元尺寸（四面體和六面體的邊長(zhǎng)）為2 mm，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

約束氣壓撐桿上端萬向球頭內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)6 個(gè)自由度，在下端萬向球頭內(nèi)表面下半部分創(chuàng)建rbe2剛性連接，將載荷施加到剛性單元的中心點(diǎn)，沿氣壓撐桿軸向指向下端萬向球頭方向施加1574.48 N載荷，氣壓撐桿的材料為45號(hào)鋼，具體參數(shù)見表2。

表2 氣壓撐桿材料參數(shù)

將氣壓撐桿模型提交給Optistruct 求解器模塊求解，在HyperView 中查看結(jié)果，氣壓撐桿的位移和應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知，氣壓撐桿的最大位移為0.0247 mm，位于下端鉸接點(diǎn)處附近。氣壓撐桿的最大應(yīng)力為45.13 MPa，位于下端萬向球頭與活塞桿連接處及活塞桿與缸筒連接處附近，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足性能要求。

圖6 氣壓撐桿位移和應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

文中根據(jù)設(shè)計(jì)要求及空間位置信息，繪制了貨箱門開閉機(jī)構(gòu)的平面運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，對(duì)開閉機(jī)構(gòu)用氣壓撐桿進(jìn)行受力分析。據(jù)此設(shè)計(jì)了氣壓撐桿，檢驗(yàn)氣壓撐桿的運(yùn)動(dòng)特性并進(jìn)行干涉檢查，分析得出，開閉機(jī)構(gòu)滿足運(yùn)動(dòng)特性要求。在ADAMS 中建立貨箱門開閉機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，求得氣壓撐桿鉸接點(diǎn)處受力最大位置，結(jié)果表明，當(dāng)貨箱門完全打開時(shí)，氣壓撐桿鉸接點(diǎn)處的受力最大?？紤]貨箱門完全打開且增加75 kg 質(zhì)量時(shí)的情形，使用HyperMesh 進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，氣壓撐桿的強(qiáng)度較為富足，機(jī)構(gòu)滿足使用要求。