限位器臂桿結(jié)構(gòu)與側(cè)門限位能力的計(jì)算應(yīng)用

丁光學(xué)

摘 要：通過建立汽車側(cè)門限位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和計(jì)算模塊，將限位系統(tǒng)3D數(shù)據(jù)和計(jì)算模塊緊密聯(lián)系，然后利用CATIA和EXCEL軟件二次開發(fā)編制出操作程序。該程序可以實(shí)現(xiàn)批量點(diǎn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入，使計(jì)算模塊準(zhǔn)確獲得輸入并輸出結(jié)果，讓復(fù)雜的側(cè)門限位能力設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)計(jì)校核過程變得簡易。

關(guān)鍵詞：汽車側(cè)門；限位能力；二次開發(fā)；計(jì)算模塊；應(yīng)用

引言

在側(cè)門限位系統(tǒng)中，關(guān)鍵部件有：限位器、鉸鏈、側(cè)門總成和開啟把手。其中鉸鏈一側(cè)緊固在車身上，另一側(cè)緊固側(cè)門總成上；限位器安裝支架緊固在車身上，限位器盒緊固在側(cè)門總成上。側(cè)門總成圍繞鉸鏈軸在限位器控制的開啟范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。限位臂桿坡度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同大小的阻力，提供側(cè)門舒適的開閉力度，同時(shí)保證側(cè)門開閉安全性。力學(xué)結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，圖中隱藏了側(cè)門總成和車身結(jié)構(gòu)，圖2是限位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

側(cè)門限位力特性是通過側(cè)門質(zhì)量中心位置、側(cè)門重量、鉸鏈軸綜合傾角、開啟點(diǎn)位置、限位器臂桿坡度、限位器彈性體彈性系數(shù)以及滑塊與限位臂的摩擦系數(shù)等因素通過綜合計(jì)算獲得。對于側(cè)門限位力的計(jì)算，業(yè)內(nèi)常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是通過鉸鏈軸、限位器旋轉(zhuǎn)軸、限位器盒中心點(diǎn)以及限位器安裝平面等四個(gè)元素，利用作圖方法繪制而成，付凱已經(jīng)編制出軟件[1]，一鍵完成臂桿中線的制作過程。

這里有一個(gè)問題：一旦上述四個(gè)元素確定，臂桿中線是唯一的，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于受到限位器周邊空間的制約，即使四個(gè)元素已經(jīng)確定，為了避讓周邊零件還是要修改臂桿中線，這稱為非常規(guī)設(shè)計(jì)方法，這種方法設(shè)計(jì)出的限位臂，不能按照常規(guī)方法進(jìn)行計(jì)算。

針對限位系統(tǒng)布置方案，從中提取軌跡點(diǎn)坐標(biāo)并導(dǎo)入到計(jì)算模塊，獲得對應(yīng)的操作力特性以及滿足通用規(guī)范的程度[2]。鑒于側(cè)門限位能力計(jì)算過程的復(fù)雜程度，每個(gè)設(shè)計(jì)師都順利進(jìn)行列式計(jì)算是難以實(shí)現(xiàn)的，因此，如何建立一種快捷、通用的側(cè)門限位能力計(jì)算和校核方法？如何固化這種方法并推廣應(yīng)用？是文章研究的對象。

1 基于側(cè)門限位原理及力學(xué)分析

建立限位系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，見圖3。具體實(shí)施步驟：

（1）提取限位器臂桿中線，過限位器盒中心點(diǎn)G作限位器旋轉(zhuǎn)平面π，平面π與限位器旋轉(zhuǎn)軸交于E點(diǎn)，中線和G點(diǎn)均在該平面內(nèi)。

（2）將側(cè)門開啟角度微分成若干等份，分得越細(xì)，計(jì)算越準(zhǔn)確（本方案每0.25°為等份），以F點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，以G點(diǎn)為陣列對象，在最大開啟角度范圍內(nèi)陣列G點(diǎn)，當(dāng)側(cè)門開啟角度為θn時(shí)對應(yīng)陣列點(diǎn)為Gn。

（3）在平面π內(nèi)，以E點(diǎn)為圓心，以EGn為半徑做圓弧交提取限位器臂桿中線于Gn'，過Gn'作限位器旋轉(zhuǎn)軸的平行線交限位器臂桿輪廓面與Gn"，同理作出下一組交點(diǎn)Gn+1'、Gn+1"……。

（4）通過各點(diǎn)坐標(biāo)，可依次計(jì)算出側(cè)門開啟θn角度時(shí)對應(yīng)坐標(biāo)：

Gn（xn，yn，zn）；Gn'（xn'，yn'，zn'）；Gn"（xn"，yn"，zn"）；Gn+1（xn+1，yn+1，zn+1）；Gn+1'（xn+1'，yn+1'，zn+1'）；Gn+1"（xn+1"，yn+1"，zn+1"）。

（5）在△HGn"Gn+1"中，設(shè)HGn"=a；HGn+1"=b，Gn"Gn+1"=c。HGn"∥Gn'Gn+1"，∠Gn+1"HGn"=90°，conωn=b/c，由此求出ωn，ωn是限位器滑塊瞬時(shí)位置的單側(cè)坡角度。在微分情況下，曲線Gn"Gn+1"和曲線Gn'Gn+1'可近似兩點(diǎn)的直線距離，所以a、b、c分別由兩點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算獲得。

（6）由瞬時(shí)位置的單側(cè)坡角度ωn將限位器臂桿軌跡線（點(diǎn)）計(jì)算轉(zhuǎn)化為限位器滑塊中心點(diǎn)軌跡線（點(diǎn)），見圖4，根據(jù)滑塊接觸面結(jié)構(gòu)建立軌跡轉(zhuǎn)化計(jì)算關(guān)系式，如圖5所示，隨著坡度的不同兩軌跡線（點(diǎn)）隨之改變：當(dāng)|ωn|≤Ω1時(shí)，限位器滑塊中。

心點(diǎn)軌跡線偏離限位器臂桿軌跡線的距離為：

（H-r）/cos|ωn|+ cos|ωn|*S /2-（H-r） *sin|ωn|+r

當(dāng)Ω1<|ωn|≤Ω2-Ω1時(shí)，限位器滑塊中心點(diǎn)軌跡線偏離限位器臂桿軌跡線的距離為R。

（7）限位滑塊的受力分析見圖6。由限位器滑塊中心點(diǎn)軌跡線（點(diǎn)）偏離限位器旋轉(zhuǎn)平面π的具體大小，如圖3所示，考量限位器彈性體壓縮量并進(jìn)行其力學(xué)計(jì)算。

限位器限位能力計(jì)算：

彈性體壓縮量=固定壓縮量+過程壓縮量；

彈性體壓縮力F=彈性體彈性系數(shù)k*壓縮量。

當(dāng)開啟過程以T1推動(dòng)物體勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，斜面方向力平衡：T1*conωn=f+F*sinωn；垂直于斜面方向力平衡：N=T1*sinωn+F*conωn。

當(dāng)閉合過程以T2推動(dòng)物體勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，斜面方向力平衡：f=T2*conωn+F*sinωn；垂直于斜面方向力平衡：N=F*conωn-T2*sinωn。

摩擦力和正壓力關(guān)系：f=μ*N。

T1=F*（μ*conωn+sinωn）/（conωn-μ*sinωn）

T2=F*（μ*conωn-sinωn）/（conωn+μ*sinωn）

限位器限開力=2*T開*sinψ*GF /l2

限位器限閉力=2*T閉*sinψ*GF /l2

水平車姿側(cè)門閉合力=（l1*mg*sinγ-W0）/l2

水平車姿側(cè)門開啟力=-（l1*mg*sinγ+W0）/l2

最終開啟操作力=限位器限開力+無限位器時(shí)側(cè)門開啟操作力[3]

最終閉合操作力=限位器限閉力+無限位器時(shí)側(cè)門閉合操作力[3]

W0是鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩；γ：鉸鏈軸綜合傾角，即鉸鏈軸與Z軸夾角，（tan2γ=tan2α+tan2β，α鉸鏈軸內(nèi)外傾角，β鉸鏈軸前后傾角）；l1：側(cè)門自閉力臂，是質(zhì)量中心C點(diǎn)到鉸鏈軸鉛垂面的距離；l2：J點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)軸AB的距離，及操作力臂；GF：限位器盒中心點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)軸AB的距離；mg：側(cè)門總重量；ψ是限位器盒中心點(diǎn)G圍繞鉸鏈軸的旋轉(zhuǎn)臂與限位器安裝面的夾角。

2 建立限位能力的計(jì)算模塊

（1）將涉及限位能力設(shè)計(jì)的參數(shù)錄入計(jì)算輸入?yún)^(qū)域，見圖7。

（2）將開啟角度作為自變量函數(shù)，對照第一章的分析和計(jì)算內(nèi)容，按照“各軌跡點(diǎn)導(dǎo)入?yún)^(qū)域”、“分類計(jì)算區(qū)域”、“計(jì)算結(jié)果”建立限位能力計(jì)算模塊，見圖8。

“計(jì)算結(jié)果”輸出成開閉過程曲線圖，見圖9，這是二檔限位器開閉過程曲線，通過計(jì)算輸出可直接讀取其開閉過程操作力大小及限位器臂桿坡度參數(shù)。

3 基于3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)提取

圖8中“各軌跡點(diǎn)導(dǎo)入?yún)^(qū)域“中包含數(shù)以千計(jì)的限位器臂桿結(jié)構(gòu)的軌跡點(diǎn)坐標(biāo)，手工提取并錄入將非常耗時(shí)耗力，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取和定向?qū)胫劣?jì)算模塊對應(yīng)的單元格中，利用CATIA和EXCEL軟件編制開發(fā)自動(dòng)運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)一鍵完成全部操作過程，具體操作：

（1）在新建的part文件中，將提取的七個(gè)限位器布置元素粘貼在其中，如圖10所示，其元素順序和名稱與制作過程相關(guān)，不可輕易更改。利用CATIA自帶的“宏錄制”功能，將整個(gè)軌跡點(diǎn)提取過程錄制成“宏”文件，對錄制后的“宏”文件進(jìn)行編輯和整理，形成固定的執(zhí)行程序《限位器臂特征點(diǎn)數(shù)據(jù)提取》。當(dāng)面對新的七個(gè)限位器布置元素，再次執(zhí)行《限位器臂特征點(diǎn)數(shù)據(jù)提取》時(shí)，則執(zhí)行錄制的步驟，卻讀取了新的元素值，最終繪制了新的軌跡點(diǎn)。

（2）選擇一個(gè)新的限位器布置七個(gè)元素。執(zhí)行《限位器臂特征點(diǎn)數(shù)據(jù)提取》瞬間獲得各軌跡點(diǎn)參數(shù)見圖11。

《限位器臂特征點(diǎn)數(shù)據(jù)提取》關(guān)鍵代碼：

Sub CATMain1（）

……

Set body1 = bodies1.Add（）

Set shapeFactory1=p

art1.ShapeFactory

Set parameters1=part

1.Parameters

Set anyObject1= parameters1.Item（"點(diǎn).2"）

Set circPattern1=sha

peFactory1.AddNewSurfac

icCircPattern'以鉸鏈軸為轉(zhuǎn)軸陣列"G點(diǎn)"

……

Set body2=bodies1.Add（）

Set hybridShapeFactory1=part1.HybridShapeFactory

Set hybridShapePointExplicit1=parameters3.Item（"點(diǎn).1"）'以E點(diǎn)為圓心，以各陣列點(diǎn)為圓上點(diǎn)，以π為支撐面作圓。

Set reference4=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapePointExplicit1）

body2.InsertHybridShape hybridShapeCircleCtrPt1

……

Set body3=bodies1.Add（）

Set reference7=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeCirc

leCtrPt1）

Set hybridShapeCurveExplicit1=parameters5.Item（"曲線.1"）'作所作圓與限位器臂桿中線交點(diǎn)

Set reference8=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeCur

veExplicit1）

body3.InsertHybridShape hybridShapeIntersection1

……

Set reference9=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeIntersection1）

Set hybridShapeLineExplicit2=parameters6.Item（"直線.2"）'過各中線交點(diǎn)作平行于限位器旋轉(zhuǎn)軸直線（默認(rèn)一側(cè)）

Set reference10=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeLineExplicit2）

Set hybridShapeDirection1=hybridShapeFactory1.AddNewDirection（reference10）

body3.InsertHybridShape hybridShapeLinePtDir1

……

Set body4 = bodies1.Add（）

Set reference11=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeLinePtDir1）

Set hybridShapeSurfaceExplicit1=parameters7.Item（"曲面.1"）'所作直線與限位器臂桿輪廓一側(cè)交點(diǎn)

Set reference12=part1.CreateReferenceFromObject（hybridShapeSu

rfaceExplicit1）

body4.InsertHybridShape hybridShapeIntersection2

……

End Sub

4 特征點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入并完成計(jì)算

結(jié)合CATIA和EXCEL兩個(gè)軟件中的二次開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)出《限位器臂特征點(diǎn)導(dǎo)入計(jì)算模塊》自動(dòng)執(zhí)行程序，將圖11提取的軌跡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一鍵導(dǎo)入至計(jì)算模塊如圖8中所示的“各軌跡點(diǎn)導(dǎo)入?yún)^(qū)域”。具體步驟：（1）在CATIA軟件中，按照軌跡類型分別另存成igs格式文件；（2）利用CATIA軟件中的Digitized Shape Editor模塊，分別將另存的igs點(diǎn)云文件轉(zhuǎn)化為asc格式文件；（3）在EXCEL軟件中將各asc格式文件導(dǎo)入至設(shè)置的EXCEL過度文件中；（4）計(jì)算模塊讀取EXCEL過度文件對應(yīng)輸入?yún)^(qū)域數(shù)據(jù)；（5）完成從3D數(shù)據(jù)中傳來的坐標(biāo)數(shù)據(jù)讀??；（6）軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算模塊，立即呈現(xiàn)該方案的全部計(jì)算結(jié)果，并將計(jì)算結(jié)果輸出為過程曲線。