汽車開啟件氣動(dòng)撐桿布置的力學(xué)分析

汽車開啟件氣動(dòng)撐桿布置的力學(xué)分析

許多車輛和輕量車輛都配備了后門門，便于裝貨和行李。后背門通常有平開式和上掀式2種結(jié)構(gòu)。兩者相比,上掀式后背門具有節(jié)省空間、開啟輕便及關(guān)閉可靠等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用。這種后背門需要借助助力撐桿來開啟,當(dāng)開啟后背門時(shí),撐桿內(nèi)部的壓縮氣體膨脹,產(chǎn)生反作用力,繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生力矩來克服重力矩(不計(jì)摩擦阻力),從而使后背門開啟。文章主要研究在后背門安裝以及氣動(dòng)撐桿位置確定的情況下,來設(shè)計(jì)氣動(dòng)撐桿的參數(shù)。主要確定氣動(dòng)撐桿總長(zhǎng)、行程以及最大撐桿力。文章以一款兩廂轎車后背門為例,借助CATIA三維設(shè)計(jì)軟件,進(jìn)行氣動(dòng)撐桿參數(shù)設(shè)計(jì)。1繞新型旋轉(zhuǎn)軸線虛擬旋轉(zhuǎn)開口后背門為玻璃門,通過鉸鏈固定于頂蓋。繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線(虛擬)旋轉(zhuǎn)開合。氣動(dòng)撐桿一端安裝在后背門上,另一端固定在后背門門框外板上,如圖1所示。2撐桿的布置在圖1中,把2根氣動(dòng)撐桿放在yz平面上,可以看出,2根氣動(dòng)撐桿略成“八”字形布置。但由于每根撐桿側(cè)傾一般小于10°,不會(huì)影響設(shè)計(jì)精確性,且后背門在運(yùn)動(dòng)過程中不考慮摩擦阻力,只受到重力和氣動(dòng)撐桿的支撐力作用,因此可以將其簡(jiǎn)化為平面受力系統(tǒng)來分析。2.1后果門關(guān)閉設(shè)計(jì)條件后背門在關(guān)閉位置時(shí)的受力簡(jiǎn)圖,如圖2所示。圖2中,A為后背門開啟旋轉(zhuǎn)點(diǎn),B為氣動(dòng)撐桿上安裝點(diǎn),C為氣動(dòng)撐桿下安裝點(diǎn),D為后背門質(zhì)心坐標(biāo),F為氣動(dòng)撐桿力,G為后背門質(zhì)量,LF為氣動(dòng)撐桿力臂,LG為重力力臂。根據(jù)受力平衡,后背門關(guān)閉的設(shè)計(jì)條件為:F×LF≤G/2×LG。此時(shí)G=5.8kg×9.8m/s2=56.84N,LF=27mm,LG=182mm,所以F≤191.6N。2.2后果門保全的設(shè)計(jì)條件c后背門在全開位置時(shí)的受力簡(jiǎn)圖,如圖3所示。根據(jù)人機(jī)工程布置,設(shè)計(jì)全開角度為58°。根據(jù)受力平衡,后背門全開的設(shè)計(jì)條件為:F×LF≥G/2×LG。此時(shí)LF=92.3mm,LG=260mm,所以F≥80.1N。2.3桿穩(wěn)定性與重力穩(wěn)定性平衡狀態(tài)主要分析在沒有外力作用的條件下,氣動(dòng)撐桿力矩與重力力矩平衡狀態(tài)。在CATIA中,以每隔5°為一個(gè)狀態(tài),來分析撐桿行程和力的變化,具體變化規(guī)律,如表1所示。3當(dāng)輔助力操作完成時(shí)，氣支持力設(shè)計(jì)3.1初始階段n根據(jù)車身布置,設(shè)定后背門在開啟的初始階段由人施加一外力(N),受力分析,如圖4所示。后背門開啟條件為:F×LF+N×LG≥G/2×LG。3.2后果門撐起根據(jù)人機(jī)工程需要,設(shè)計(jì)后背門開啟至25°時(shí),完全由氣動(dòng)撐桿將后背門撐起,此時(shí)撐桿力F=95.8N(見表1),根據(jù)表1中撐桿活動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo),可以計(jì)算出此時(shí)撐桿行程S=S25—S0=191mm—168mm=23mm,此后人施加的外力均為0。3.3u3000氣動(dòng)撐桿受力氣動(dòng)撐桿行程與撐力的關(guān)系:式中:k——彈力系數(shù),N/mm;S——撐桿行程,mm;已知開啟25°時(shí),S為23mm,同理可得開啟58°時(shí),S=S58—S0=73mm,帶入上式,可得,F=—0.314×S+103。在CATIA中,可以測(cè)量出人施加力力臂為479mm。后背門各開啟角度與氣動(dòng)撐桿力及人施加力關(guān)系,如表2所示。通過以上計(jì)算可以得出:為使后背門達(dá)到設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)要求,需要安裝2根總長(zhǎng)為241mm,行程為73mm的氣動(dòng)撐桿。撐桿最大設(shè)計(jì)撐力為103N,最小80.1N。開啟后背門時(shí),需要在后背門拉手處施加4.93N的外力,關(guān)閉后背門時(shí)需要施加0.61N的外力。4氣動(dòng)撐桿參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用文章借助于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)汽車后背門氣動(dòng)撐桿進(jìn)行參數(shù)化