汽車行李箱蓋鉸鏈分析及優(yōu)化

1、汽車行李箱采用的天盛鉸鏈傳動系統(tǒng)是基于純手動開關后備箱而設計的，其最優(yōu)化目標是行李箱手動開啟處的開啟力最小，而電動開啟行李箱則是從行李箱鉸鏈的支撐端施力驅動后備箱整體開啟和關閉，其在開啟過程中是一個相對費力的過程。因此，在汽車行李箱蓋電動化開發(fā)過程中，要在不影響原行李箱運動、位置關系的同時，對行李箱系統(tǒng)的四連桿鉸鏈進行優(yōu)化，以增加電驅動端力臂長度，減小電驅動所需扭矩。但是汽車行李箱開啟機構較復雜，傳統(tǒng)的設計計算難以提供準確、全面的數(shù)據來支撐系統(tǒng)的優(yōu)化設計。通過對機構的動力學仿真，可以更準確地獲得機構在任意位置的運動狀態(tài)和受力情況，對于確定合理的機構設計方案有非常大的意義。行李箱開啟機構是一種多

2、連桿機構，動力學仿真的方法已經在某些連桿機構的動力學特性方面得到了應用；一些研究在仿真的基礎上對機構參數(shù)進行了優(yōu)化設計，為汽車尾箱的動力學研究提供了研究基礎和經驗。近來動力學仿真的方法開始在汽車的機構設計方面得到應用，研究對象有鉸接式自卸汽車在隨機路面下的平順性，電動剪式車門不同開啟速度時所需的轉矩及功率，轎車車門鉸鏈、車門前側分縫線、行李箱蓋扭桿彈簧的布置等，這些研究證明了采用動力學仿真方法來輔助汽車連桿機構設計的可行性。因此，本文擬基于Adams對行李箱蓋手動開啟和電動開啟力進行動力學仿真分析，通過實驗驗證仿真的有效性，并基于動力學系統(tǒng)模型對行李箱的鉸鏈機構進行優(yōu)化設計，確保行李箱電動化的

3、順利實現(xiàn)。1Adams仿真建模1.1Adams模型在計算機輔助三維交互應用軟件(CAIA）中建立行李箱系統(tǒng)閉合狀態(tài)的裝配體模型，如圖1所示，其中，A處為手動開啟施力點，B處為電動開啟施力點。為使鉸鏈的受力狀況更逼近真實情況，建模時將鉸鏈負載端物體與驅動端物體都考慮在模型中，模型最終包含13個幾何體：行李箱蓋、左鉸鏈底座、左鉸鏈拉桿1、左鉸鏈撐桿、左鉸鏈連桿、右鉸鏈底座、右鉸鏈拉桿1、右鉸鏈撐桿、右鉸鏈連桿、拉桿2、曲柄、減速器輸出軸以及減速器殼體，如圖2所示。底座和減速器殼體都與車身固結在一起，連桿與行李箱蓋固結在一起，左鉸鏈本體通過拉桿2、曲柄與減速器輸出軸相連。將原始鉸鏈總成(全關狀態(tài)）數(shù)

4、據導入到裝配環(huán)境下，固定住兩鉸鏈的坐標位置，以它們的位置為參考將模型中所有零件的位置約束住，則裝配好的模型就是整車坐標下行李箱系統(tǒng)全關狀態(tài)下的幾何模型。將裝配好的模型導入到機械系統(tǒng)自動動力學分析系統(tǒng)(Adams）中。1.2邊界條件將左底座與減速器外殼定義為固定件，其余為運動件(剩余11個幾何體為運動件）。左右鉸鏈底座間、輸出軸與曲柄間、左右鉸鏈推桿與箱蓋間的運動副采用固聯(lián)副，約束全部自由度。其他運動副采用旋轉副，約束5個方向的自由度，只留有繞軸旋轉的自由度。本模型中共采用了11個旋轉副；有相同運動軌跡的件采用固聯(lián)副約束，由此整個系統(tǒng)的自由度為11x6-11x5-4x6=-13。負值表明系統(tǒng)處于

5、過約束狀態(tài)，要想使系統(tǒng)運動必須解除多余的約束。因點一線副只約束一個方向的自由度，所以解決過約束的辦法是采用點一線副取代部分旋轉副，將重復約束的自由度釋放出來。1.3模型屬性定義各運動副的動摩擦因數(shù)為0.1，靜摩擦因數(shù)為0.3。利用CATIA的測量功能將該系統(tǒng)各部件的質量、繞x，y，Z軸的主轉動慣量、質心點坐標提取出來，如表1所示。按提取的值，在ADAMS中修改部件的質量屬性。1.4氣彈簧力施加對于安裝于原車鉸鏈上的氣彈簧，根據氣彈簧的實驗剛度參數(shù)值(見表2），建立彈簧的作用力一長度的Spline曲線，在氣彈簧兩端的作用點之間建立單分量的力載荷(SFORCE力），通過Spline曲線定義該力的驅

6、動函數(shù)，使SFORCE力按照表2的數(shù)據變化，從而比較真實的模擬氣彈簧的作用效果。2仿真及驗證根據手動開啟和電動開啟兩種模式，分別進行仿真分析。分析模型中A處（見圖1）施加力，模擬手動開啟行李箱蓋的情況；在模型中B處（見圖1）施加力，模擬電動開啟行李箱蓋的情況。在兩個分析中，分別將A處和B處（見圖1）的力值作為設計變量，使其從一個較小的初始值，以1N的增量逐漸變大，提取每次分析獲得的行李箱蓋的開啟角度，當開啟角度大于、等于100。時認為行李箱蓋是被完全打開，滿足設計要求。經過分析獲得的行李箱完全開啟時的狀態(tài)如圖3所示。A處的施加的力等于72N時行李箱蓋開啟角度一時間曲線如圖4所示。從圖4中可以看

7、出：當力矩大于72N時，行李箱蓋能夠完全開啟，當力小于該值時行李箱蓋只能部分開啟，因此，手動端開啟（A處）施力不小于72N。同樣分析計算得到電動端開啟（A處）施力不小于630N。為了對分析結果進行驗證，分別在A處和B處使用推拉力計，測量了行李箱蓋開啟力。實測A處開啟約需68N的力，B處開啟力約609N，實測值與仿真結果符合較好。3機構優(yōu)化為進一步分析驗證行李箱電動開啟的扭矩，明確鉸鏈機構優(yōu)化設計目標，使用扭力扳手分別測量了減速器輸出軸處、拉桿1與底座鉸接處（圖5中03軸）開啟后備箱所需力矩，測量結果為：減速器輸出軸處開啟扭矩最少需要59Nm，O3軸處開啟扭矩最少需要75Nm，如表3所示。根據實

8、測結果，在減速器輸出軸處以及拉桿1與底座鉸接處開啟行李箱蓋所需力矩都超過設計要求（減速器最大輸出扭矩為56Nm），因此，需要在分析的基礎上對鉸鏈系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，以降低這兩處的開啟力矩。考慮到安裝空間和結構布局的限制，優(yōu)化前后行李箱關閉狀態(tài)下鉸鏈機構占據的空間不能增加；為不影響行李箱開啟關閉狀態(tài)，優(yōu)化前后連桿的開啟關閉位置不能改變；根據仿真對該機構進行的初步力學分析，通過增加拉桿1的長度，減少撐桿的長度或改變支撐點的位置將降低開啟力矩。根據前述基本要求，以1mm移動量為步長移動01位置減小撐桿長度，同時移動03、04改變支撐點位置確保新四連桿機構運動關系和各桿件長度符合要求。經過多次移動分析對比，將O1、03、04位置移動到如圖5所示虛線位置，驅動力達到最小值。新位置值移動參數(shù)如下：（1）01：原O1孔（黑色）沿x軸負向平移15mm，再沿y軸正向平移7mm。（2）O3：原O3（黑色）沿x軸負向平移6mm，再沿y軸正向平移7mm。(3)04：沿原04孔（黑色）沿y軸負向平移11mm。根據優(yōu)化后Ol、03、04位置修改鉸鏈系統(tǒng)，然后重新進行分析，從仿真分析結果可以看出：優(yōu)化后減速器輸出軸處開啟扭矩最少需28Nm，O3軸處開啟扭矩最少需要51Nm。經過改進后的開啟力矩已經能夠滿足設計要求，優(yōu)化前后的開啟力矩比較如表3所示