限位臂设计全解

1、2006-01-1205汽车侧开闭系统的限位臂设计拉维拉吉 . 纳亚克 凯 美国通用汽车公司 摘要在汽车行业内，我们越来越关注车门的开 / 关所需要的力矩，理由也显而易见。 车门的开 /关力矩会给客户在其进入汽车前就对操作、 质量留下初步印象。 尽管这些 性能，相比汽车其他的复杂设计似乎微不足道，但由于设计参数之间的相互作用， 有效的车门开 / 关力矩设计极富挑战性。一些最佳的做法是着眼于满足在一个打开较小的位置 （约 10 度）时关闭车门所 需的能量。然而这种做法却忽略了车门完整的开关运动。本文的设计原理被用于更 好的理解车门完整的开关运动过程，从功能要求（ FR）方面出发，以及如何通过各

2、种设计参数（ DP）来满足车门关闭系统的要求。我们在本文中，使用这一原则性设计方法对侧门关闭系统的打开 / 关闭力矩进行 分析，并对限位臂的设计概念进行探讨。 完整的打开 / 关闭运动是车门关闭系统中不 同组件之间相互作用的结果，比如门锁系统 、密封系统 、由于车体内外气压差异 导致的能量损失、铰链轴的倾斜程度、及限位臂形面。列举出车门系统 FR / DP 的 分解方法，以便为创新设计方案提供框架。简介原则性设计提供一个结构化的方法来解读客户需求范围用最少的一组功能要求 （ FR）。产品的设计涉及到从功能要求到物理性能的过程。 其中，物理性能的参数设 计（ DP）是满足指定功能要求的关键。根据

3、原则性设计的方法，有两个设计原理便可控制良好的设计。一是处理设计 功能要求与设计参数之间的关系；二是处理设计的复杂性。原理 1：独立性公理保持功能要求的独立性；原理 2：信息公理最小化设计的信息内容。因此，根据原理 1 的内容，一个良好设计的特点就是设计参数（ DPs）与功能要求（FRs）之间, 通过调整相应的相关联具体设计参数，能满足各功能要求而不影响其 他任何功能要求。设计矩阵（ DM）是用来表示设计参数（ DPs）对功能要求（ FRS）的影响。方程 式 1 向我们展示了一个在物理性能方面，通过两个设计参数满足两项功能要求的的 设计矩阵例子。A11 表示 DP1对 FR1 的影响，A21表

4、示 DP1对 FR2的影响， A22表示 DP2对 FR2 的影响。在此方程式中， DP1是与 FR1对应的设计参数， DP2是与 FR2对应的设计参 数。为满足独立， DM必须是对角矩阵或三角形矩阵。 对角矩阵代表一个独立的设计， 并且每个 FR可以通过调整其相应的 DP而在不影响其他任何 FR的情况下得以满足条 件。如果 DM是三角形的，那么此设计被称为脱离设计， 并且 DPS是由适当序列所确 定。例如，在方程式 1 所示的设计矩阵， DM代表一个脱离设计。在此，设计者需 首先设定 DP1以满足 FR1，然后代入 DP1并调整 DP2直至满足 FR2。一个矩阵设计代 表一个耦合设计。 这里

5、需要一个交互过程来设置 DPs，因为改变任何 DP设置都会影 响所有 FRS。在一个耦合的设计中，满足 FRs是非常困难的。汽车系统通常耦合的。系统分解的 FR / DP 有助于发展目标设计和提醒设计师潜在的冲突。此次模拟 目的是引导设计师用其创意来解决或管理由于物理的耦合性所产生的冲突。车门系 统在这项研究中未使用信息进行评估。欲求更多细节信息公理，读者可能参照文献 1。侧门关闭系统工程师们往往通过简单地总结，由于车体内外气压差异的影响使密封条、锁产 生的能量消耗来衡量车门关闭系统的力矩，评估其性能。所需求克服气缚的能量是 占要求压缩密封及锁的能量一定比例的。气缚的影响取决于车门关闭的速度。

6、由于 空气被推入汽车内部产生气缚效应因而增加汽车内部气压。当进入气体的速度大于 漏出气体的速度时，汽车内部气压急剧增加，对车门的关闭运动产生更大的阻力。 因此，如果密封条及锁存器所需的能量更多，那么克服这些阻力所需要的初始速度 就越大，因而气缚所导致的能量消耗也就越大。然而，所需的总能量也仅仅是其中 的一部分。我们需要分析车门的完整运动， 从完全打开的位置到用户习惯性的位置。 当我们注意到完整的运动时，我们也需要考虑限位臂及铰链轴线重力的作用。保持车门打开状态 , 并要求将车门保持在从完全关闭到完全打开之间的特定 点位。如果此要求不能被满足，那么车门将会摆动至关闭。门的铰链轴通常是朝向 车内倾

7、斜的， 这会使得重力将车门拉向车身。 另外，如果汽车停靠在向下的斜坡上， 车门将会突然摇摆出去。车门无论是向内亦或是向外的突然摆动都是不可取的。限 位臂即是用于控制车门打开 / 关闭的运动。限位臂的这项功能需求也是为车门在某一 打开状态位置摆动至关闭或打开提供较大的阻力。这种阻力是由驾驶员用力操作将 车门拉离开开启点或限位点。限位臂不应该为其他所有点位提供任何阻力、抑或是 一点点阻力。除了摆动车门关闭或打开的总能量， 我们也要注意限位臂在整个打开 / 关闭过程的扭 矩特性。在此项研究中，我们考虑扭矩所需克服阻力是由车门系统作为客户不满的 表现所提供。 因此，打开/ 关闭车门操作是衡量所需总能量

8、 （动态模拟计算出） 以及 客户在此准静态模拟过程中的扭矩输入。其他功能需求是要满足在车门打开 / 关闭过程中车门密封、 车门结构要求及保持 开启的要求。图一显示影响这些功能要求的车门系统组件。图 1 门的关闭系统的物理结构车门的结构要符合用力关闭的耐久性、保护发生侧面碰撞时车内的乘客等。这 些要求要优于其他要求实现。密封要求防止漏水及风噪。FR / DP 门闭合系统分解表 1 所示为汽车门关闭系统的高级 FR/DP分解。功能要求是为前面部分所确定 的。表 1 车门关闭系统 FR/DP 高级分解功能要求（ FR）设计参数（ DP）1结构完整性车门结构设计2密封性密封系统3打开力矩铰链轴倾斜度、

9、铰链轴配合力矩4关闭力矩铰链轴、门锁、限 位臂、气缚、密封 系统5保持打开限位臂、铰链设计矩阵（ DM）如方程式 2 所示。设计矩阵（ DM）显示它是基于设计及密封要 求的解耦设计。由于 FR1、FR2优先于打开 / 关闭操作、及保持开放的要求，这些应 该在满足 FR3，FR4和 FR5之前得以满足。因此，显示出 DM及 FR1和 FR2对客户的 重要性，也提出了系统的设计顺序。但是，当涉及 FR3、FR4、FR5时，我们就需要一个耦合矩阵设计，并且要求设 计者仔细考虑设计出一个既满足开启要求的同时又具备流畅、以较小力矩的打开 / 关闭运动的有效系统。本文是将注意力集中在 FR3、FR4、FR

10、5、评估和使用车门的 关闭系统独立性公理设计的。再看方程 2 的设计矩阵，我们可以进一步减小设计矩阵。因为，我们将分析该 系统是与存在的耦合力矩及保持开放的要求相关， 我们无需担心锁、 气缚设计参数。 锁存器与气缚设计参数及关闭车门所需的总能量，即为我们之前讨论过的关门力矩 的一个方面。这不会影响保持打开状态要求的满意度的。这两个设计参数仅影响关 闭力矩要求。而且，限位臂的设计会对气缚能量有微小的间接影响，我们可以将其 忽略。如果我们不管锁存器及气缚设计参数，那么打开力矩功能要求和关闭力矩功能 要求具备共同的设计参数对其产生影响，即为限位臂曲面和铰链轴。因此，我们将 FR4和 FR5合并为一个

11、打开 / 关闭力矩的功能要求。 铰链轴是与此功能要求相关的设 计参数，并与保持开启功能要求的限位臂设计因素，在设计矩阵中得出该结论。方 程式 3 表示修正后的设计矩阵。打开力矩有两部分需要我们求值，一方面是与克服限位臂、气缚、密封、锁存 器相关的阻力及车门铰链轴倾斜产生的重力。另一方面力或转矩时需要在静态下进行分析，在关闭或开启门时的某一等角速 度。这些测量值都提供了有价值的信息 - 提供了客户满意的开启 / 关闭动作与力矩的 体验。如果我们设定铰链轴的倾斜度，车门向汽车内侧倾斜进而满足密封要求，那么 我们只需决定设计参数中的限位臂结构来满足开启 / 关闭力矩及保持打开状态功能 的要求。限位臂

12、的设计直接关系到保持打开状态的功能要求。因为限位臂设计通过 提供车门制动阻力而实现保持打开状态的功能， 这也与车门关闭 / 开启力矩的第二个 方面相关联，即用于克服车门制动阻力的力或扭力。我们通常使用两种限位臂设计。一种是集成限位臂，另一种是独立限位臂。由 于我们已经决定调节限位臂设计参数来满足方程式 3 中的 FR1和 FR2，接下来我们 通过设计来考察这两种限位臂并研究他们的设计矩阵。集成限位臂设计之所以将其称之为集成限位臂是因为它与铰链构成整体。如图2 所示的原理。臂由枢轴与车身相连接。弹簧长度在臂与车身之间的作用力下压缩。车门侧面带有 滚轴的铰链，其顶部有一个纺锤。如图 2 所示，臂由

13、弹簧施加向外的作用力推动滚 轴。当车门打开或关闭时，滚轴沿着臂的长度方向运动。由臂向滚轴施加的力使得 滚轴向图 2 所示的转换方向。这一改变导致扭矩由门上铰链轴施加力的方向有所改 变。同样，力臂（ d1 和 d2）也随着转轴由完全打开到完全关闭的过程一直改变。如果在“ A”位置，由于弹簧弹力阻碍关闭的动作产生扭矩，那么在“B”位置转矩将会协助关闭的动作。 将转轴及车门由“ A”位置移动至“ B”位置需要驾驶员 操作额外施加力，来克服限位臂急速转向。当转轴在“ A”位置，车门将处于打开状 态的位置。我们此刻可以看出，需要小心调节三个设计参数使得用较小的力来平稳完成打 开/ 关闭车门的动作，同时还

14、可以满足保持打开状态的要求。如该公理中 FR/DP的分解见方程式 4 所示。此矩阵是一对矩阵。我们便可以意 识到这并非是最佳方案，因为它增加了系统不必要的复杂性。接下来，我们将观察 独立的限位臂系统设计矩阵。图 3 独立限位臂原理独立限位臂得名于其独立的弹簧。如图 3 所示，独立限位臂的原理。止回阀臂 用螺栓固定在主体上，而限位室是用螺栓固定在门上。当开关车门时，限位室沿限 位臂的长度移动。限位室内的限位球在开关车门过程中往复滑动。限位臂上的槽为 限位点。当限位球进入限位槽内时，车门将保持该位置的开启状态。弹簧的刚度及 槽型决定对开关动作产生的阻力。操作者必须克服这一阻力将车门开启或关闭过限

15、位点。在限位点以外的位置，唯一的阻力即为基于弹簧力产生的限位球与限位臂之 间滑动的摩擦力。如果我们将 FR/DP的原理进行分解，我们将会得出方程式 5 中的设计矩阵。该 矩阵为下三角矩阵。因此，独立限位臂机理代表了解耦设计。因为在限位之外的位 置，开关力矩仅由弹簧力作用下的滑动阻力决定，此矩阵显示弹簧力对于简单的开 关功能要求的设计参数。弹簧力同时也决定槽深和形状，阻力完全可以将门在限位点保持打开状态。因 为操作者预计阻力将使其逾越过限位点， 这样他/她不会再抱怨需要额外的力。 因此， 我们认为对开关门的额外阻力不会影响车门设计开关要求容易度的设计。槽深及槽 型是与门保持打开状态功能要求相关的

16、首要设计参数。如设计矩阵所示，弹簧刚度 也是影响这一功能要求的。如我们所讨论的，我们将设计矩阵的第一排和第二列设为零来代表我们的结论，即 槽深、槽型对于开关功能要求的容易度没有影响。由于用这一机理，我们解耦设计矩阵，其优势即刻显而易见。我们现在可以设 弹簧力为操作者在开关门时使用了极微小的阻力。同时，为了满足停在在陡坡时车 门打开状态的要求，我们可以调节槽深、槽型来产生有效的阻力。解耦设计矩阵显示在满足两个 FR方面，独立的限位臂是更好的设计。 这一设计 减少了限位臂的相对复杂度。操作者可以用更小的力顺畅开关车门。同时，恰当的 槽深和槽型可以产生足够使得车门保持打开状态的阻力，从而防止车门被导致关闭 或打开。结论在自动化领域，许多设计是耦合的。尽管如此，利用原则性设计来理解系统， 进而系统化分析功能要求的独立性也是有必要的。这样理解可以大幅度降低其复杂 度、也将系统及组件设计表示的更为清晰。这也要求创新思考将设计转变为解耦或 脱耦设计。这一实践帮助我们通过一个优秀的独立设计获得由众多基本原理交互作 用才可以得到的设计。在本案例中，我们通过评估两个限位臂的设计，从其如何帮助我们将保持打开 状态功能要求从开关力要求解耦。当我们研究选择哪一个限位臂设计时，我们可以 不考虑闩锁、密封等的设计参数，这