汽车行李箱盖铰链分析及优化.doc

汽车行李箱采用的天盛铰链传动系统是基于纯手动开关后备箱而设计的，其最优化目标是行李箱手动开启处的开启力最小，而电动开启行李箱则是从行李箱铰链的支撑端施力驱动后备箱整体开启和关闭，其在开启过程中是一个相对费力的过程。因此，在汽车行李箱盖电动化开发过程中，要在不影响原行李箱运动、位置关系的同时，对行李箱系统的四连杆铰链进行优化，以增加电驱动端力臂长度，减小电驱动所需扭矩。但是汽车行李箱开启机构较复杂，传统的设计计算难以提供准确、全面的数据来支撑系统的优化设计。通过对机构的动力学仿真，可以更准确地获得机构在任意位置的运动状态和受力情况，对于确定合理的机构设计方案有非常大的意义。行李箱开启机构是一种多连杆机构，动力学仿真的方法已经在某些连杆机构的动力学特性方面得到了应用；一些研究在仿真的基础上对机构参数进行了优化设计，为汽车尾箱的动力学研究提供了研究基础和经验。近来动力学仿真的方法开始在汽车的机构设计方面得到应用，研究对象有铰接式自卸汽车在随机路面下的平顺性，电动剪式车门不同开启速度时所需的转矩及功率，轿车车门铰链、车门前侧分缝线、行李箱盖扭杆弹簧的布置等，这些研究证明了采用动力学仿真方法来辅助汽车连杆机构设计的可行性。因此，本文拟基于Adams对行李箱盖手动开启和电动开启力进行动力学仿真分析，通过实验验证仿真的有效性，并基于动力学系统模型对行李箱的铰链机构进行优化设计，确保行李箱电动化的顺利实现。1Adams仿真建模1.1Adams模型在计算机辅助三维交互应用软件(CAIA）中建立行李箱系统闭合状态的装配体模型，如图1所示，其中，A处为手动开启施力点，B处为电动开启施力点。为使铰链的受力状况更逼近真实情况，建模时将铰链负载端物体与驱动端物体都考虑在模型中，模型最终包含13个几何体：行李箱盖、左铰链底座、左铰链拉杆1、左铰链撑杆、左铰链连杆、右铰链底座、右铰链拉杆1、右铰链撑杆、右铰链连杆、拉杆2、曲柄、减速器输出轴以及减速器壳体，如图2所示。底座和减速器壳体都与车身固结在一起，连杆与行李箱盖固结在一起，左铰链本体通过拉杆2、曲柄与减速器输出轴相连。将原始铰链总成(全关状态）数据导入到装配环境下，固定住两铰链的坐标位置，以它们的位置为参考将模型中所有零件的位置约束住，则装配好的模型就是整车坐标下行李箱系统全关状态下的几何模型。将装配好的模型导入到机械系统自动动力学分析系统(Adams）中。1.2边界条件将左底座与减速器外壳定义为固定件，其余为运动件(剩余11个几何体为运动件）。左右铰链底座间、输出轴与曲柄间、左右铰链推杆与箱盖间的运动副采用固联副，约束全部自由度。其他运动副采用旋转副，约束5个方向的自由度，只留有绕轴旋转的自由度。本模型中共采用了11个旋转副；有相同运动轨迹的件采用固联副约束，由此整个系统的自由度为11x6-11x5-4x6=-13。负值表明系统处于过约束状态，要想使系统运动必须解除多余的约束。因点一线副只约束一个方向的自由度，所以解决过约束的办法是采用点一线副取代部分旋转副，将重复约束的自由度释放出来。1.3模型属性定义各运动副的动摩擦因数为0.1，静摩擦因数为0.3。利用CATIA的测量功能将该系统各部件的质量、绕x，y，Z轴的主转动惯量、质心点坐标提取出来，如表1所示。按提取的值，在ADAMS中修改部件的质量属性。1.4气弹簧力施加对于安装于原车铰链上的气弹簧，根据气弹簧的实验刚度参数值(见表2），建立弹簧的作用力一长度的Spline曲线，在气弹簧两端的作用点之间建立单分量的力载荷(SFORCE力），通过Spline曲线定义该力的驱动函数，使SFORCE力按照表2的数据变化，从而比较真实的模拟气弹簧的作用效果。2仿真及验证根据手动开启和电动开启两种模式，分别进行仿真分析。分析模型中A处（见图1）施加力，模拟手动开启行李箱盖的情况；在模型中B处（见图1）施加力，模拟电动开启行李箱盖的情况。在两个分析中，分别将A处和B处（见图1）的力值作为设计变量，使其从一个较小的初始值，以1N的增量逐渐变大，提取每次分析获得的行李箱盖的开启角度，当开启角度大于、等于100。时认为行李箱盖是被完全打开，满足设计要求。经过分析获得的行李箱完全开启时的状态如图3所示。A处的施加的力等于72N时行李箱盖开启角度一时间曲线如图4所示。从图4中可以看出：当力矩大于72N时，行李箱盖能够完全开启，当力小于该值时行李箱盖只能部分开启，因此，手动端开启（A处）施力不小于72N。同样分析计算得到电动端开启（A处）施力不小于630N。为了对分析结果进行验证，分别在A处和B处使用推拉力计，测量了行李箱盖开启力。实测A处开启约需68N的力，B处开启力约609N，实测值与仿真结果符合较好。3机构优化为进一步分析验证行李箱电动开启的扭矩，明确铰链机构优化设计目标，使用扭力扳手分别测量了减速器输出轴处、拉杆1与底座铰接处（图5中03轴）开启后备箱所需力矩，测量结果为：减速器输出轴处开启扭矩最少需要59Nm，O3轴处开启扭矩最少需要75Nm，如表3所示。根据实测结果，在减速器输出轴处以及拉杆1与底座铰接处开启行李箱盖所需力矩都超过设计要求（减速器最大输出扭矩为56Nm），因此，需要在分析的基础上对铰链系统进行优化设计，以降低这两处的开启力矩。考虑到安装空间和结构布局的限制，优化前后行李箱关闭状态下铰链机构占据的空间不能增加；为不影响行李箱开启关闭状态，优化前后连杆的开启关闭位置不能改变；根据仿真对该机构进行的初步力学分析，通过增加拉杆1的长度，减少撑杆的长度或改变支撑点的位置将降低开启力矩。根据前述基本要求，以1mm移动量为步长移动01位置减小撑杆长度，同时移动03、04改变支撑点位置确保新四连杆机构运动关系和各杆件长度符合要求。经过多次移动分析对比，将O1、03、04位置移动到如图5所示虚线位置，驱动力达到最小值。新位置值移动参数如下：（1）01：原O1孔（黑色）沿x轴负向平移15mm，再沿y轴正向平移7mm。（2）O3：原O3（黑色）沿x轴负向平移6mm，再沿y轴正向平移7mm。(3)04：沿原04孔（黑色）沿y轴负向平移11mm。根据优化后Ol、03、04位置修改铰链系统，然后重新进行分析，从仿真分析结果可以看出：优化后减速器输出轴处开启扭矩最少需28Nm，O3轴处开启扭矩最少需要51Nm。经过改进后的开启力矩已经能够满足设计要求，优化前后的开启力矩比较如表3所示