基于CATIA DMU的門鎖系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化

李超帥, 方超, 林森, 于波, 李瑞生

(華晨汽車工程研究院閉合件工程室, 遼寧沈陽 110141)

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基于CATIA DMU的門鎖系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化

李超帥, 方超, 林森, 于波, 李瑞生

(華晨汽車工程研究院閉合件工程室, 遼寧沈陽 110141)

為解決汽車門鎖系統(tǒng)拉桿傳動(dòng)的行程匹配困難與精度低的問題，對(duì)車門鎖系統(tǒng)拉桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行理論分析，應(yīng)用CATIA DMU Kinematics模塊建立車門鎖系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真模型，通過動(dòng)態(tài)分析輸出了各構(gòu)件的行程對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，簡化了行程匹配過程，提高了行程匹配精度，避免了樣車試裝階段的反復(fù)調(diào)整。并應(yīng)用CATIA DMU Kinematics模塊對(duì)運(yùn)動(dòng)件的空間距離進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，通過輸出動(dòng)態(tài)距離曲線與包絡(luò)面來優(yōu)化鎖系統(tǒng)的布置。

門鎖系統(tǒng)；CATIA DMU；運(yùn)動(dòng)仿真；設(shè)計(jì)優(yōu)化

0 引言

汽車門鎖系統(tǒng)是用戶日常頻繁使用的車身附件之一，其設(shè)計(jì)狀態(tài)的好壞不僅決定了用戶的使用感受，更重要的是決定了汽車的安全性能。門鎖機(jī)構(gòu)與開啟機(jī)構(gòu)的行程匹配(尤其是采用拉桿傳動(dòng)的開啟機(jī)構(gòu))一直是國內(nèi)汽車企業(yè)開發(fā)過程中的難點(diǎn)之一，通常采用反復(fù)匹配、反復(fù)更改的方式來逐步逼近合理的行程匹配狀態(tài)，由于設(shè)計(jì)精度差導(dǎo)致匹配過程耗時(shí)耗力[1-2]。

針對(duì)此問題，作者運(yùn)用CATIA DMU Kinematics模塊針對(duì)鎖系統(tǒng)的開啟機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真研究，輸出了鎖系統(tǒng)內(nèi)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間對(duì)應(yīng)的行程關(guān)系曲線，為鎖系統(tǒng)外開啟拉桿傳動(dòng)的行程匹配提供了理論依據(jù)，形成了一種精確的鎖系統(tǒng)行程匹配方法，有效提高了設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)精度，避免了新車型開發(fā)過程中因行程匹配不準(zhǔn)確造成的車門鎖系統(tǒng)失效的問題。同時(shí)，運(yùn)用CATIA DMU模塊的運(yùn)動(dòng)仿真工具，對(duì)鎖系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與周邊零件如門鈑金的空間距離進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，輸出了各相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的空間距離隨運(yùn)動(dòng)行程變化的關(guān)系曲線以及拉桿在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，

為鎖系統(tǒng)的布置開發(fā)提供了理論支持。

1 車門鎖系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理分析

出于人機(jī)操作的便利性，車門鎖系統(tǒng)中內(nèi)把手與鎖體的布置位置在車輛X方向距離較大，因而較多地采用拉索傳動(dòng)的方式；外把手與鎖體之間X方向距離較小，可采用拉桿傳動(dòng)的方式。因拉索傳動(dòng)方式的行程匹配過程不涉及拉索的空間運(yùn)動(dòng)，而拉桿傳動(dòng)方式的行程匹配與拉桿的空間運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)，因而文中只針對(duì)拉桿傳動(dòng)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

圖1所示為車門鎖外開啟系統(tǒng)的構(gòu)件示意圖，車門鎖外開啟系統(tǒng)按照相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為外把手、把手基座、曲軸、外開拉桿、解鎖擺臂以及鎖本體6個(gè)構(gòu)件。其中外把手基座固定于車門外板上，鎖本體固定于車門內(nèi)板上，二者無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，屬于固定構(gòu)件。外把手屬于解鎖過程中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用戶拉動(dòng)外把手繞把手基座旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)曲軸繞把手基座轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸與外開拉桿屬于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過外開拉桿傳動(dòng)到達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)解鎖擺臂，解鎖擺臂旋轉(zhuǎn)從而執(zhí)行解鎖動(dòng)作。

圖1 門鎖外開啟系統(tǒng)構(gòu)件圖示

2 基于CATIA DMU的車門鎖系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真模型

2.1 車門鎖系統(tǒng)數(shù)字模型建立

根據(jù)新開發(fā)車型中外把手與門鎖的相對(duì)空間位置關(guān)系，初步建立二者之間的外開拉桿連接結(jié)構(gòu)。外開拉桿的設(shè)計(jì)走向應(yīng)盡可能平順，盡量減少彎折數(shù)量與彎折角度，避免傳動(dòng)過程中的行程效率與操作力損失過大。外開拉桿布置完成后，根據(jù)各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，按照DMU運(yùn)動(dòng)仿真要求對(duì)車門鎖外開啟系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)件拆分；拆分完成后，在CATIA DMU Kinematics模塊中建立裝配文件，并按照各構(gòu)件的實(shí)際空間位置建立約束關(guān)系，為下一步建立運(yùn)動(dòng)仿真模型做準(zhǔn)備。裝配體建立完成后結(jié)構(gòu)樹如圖2所示。

圖2 門鎖外開啟系統(tǒng)DMU構(gòu)件結(jié)構(gòu)樹

2.2 車門鎖系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副建立

針對(duì)車門鎖外開啟系統(tǒng)各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)圖2所示結(jié)構(gòu)樹中的6個(gè)構(gòu)件建立如圖3所示的Y1～Y7七個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)副。

不行，我不能這么做。我收回了伸出去的手，側(cè)過身面向墻壁，心想，沒人知道我不愿意幫他，我可以把這個(gè)秘密埋藏在心底。我閉上雙眼，睡意襲來，可每當(dāng)我快要進(jìn)入夢鄉(xiāng)時(shí)，艾爾的哭聲就會(huì)把我吵醒。

圖3 車門鎖系統(tǒng)DMU運(yùn)動(dòng)副約束位置

在CATIA DMU Kinematics模塊中，機(jī)構(gòu)自由度DOF不為0的情況下構(gòu)件之間無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真。因此運(yùn)動(dòng)副的建立既需要滿足自由度DOF為0的要求，又需要滿足鎖機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況[3-4]。根據(jù)各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立各構(gòu)件之間運(yùn)動(dòng)副的詳細(xì)信息，如表1所示。

表1 運(yùn)動(dòng)副詳細(xì)信息

2.3 車門鎖系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)設(shè)定

運(yùn)動(dòng)副建立完成后，定義鎖本體為固定構(gòu)件，并添加Y1位置旋轉(zhuǎn)副為驅(qū)動(dòng)條件，如圖4所示，此時(shí)CATIA提示系統(tǒng)自由度DOF為0，至此，機(jī)構(gòu)的自由度被完全約束，CATIA彈出提示信息，機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行運(yùn)行仿真。點(diǎn)擊Simulation with Command進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，此時(shí)，外把手運(yùn)動(dòng)位置、曲軸運(yùn)動(dòng)位置、外開拉桿運(yùn)動(dòng)位置以及解鎖擺臂運(yùn)動(dòng)位置在運(yùn)動(dòng)仿真中一一對(duì)應(yīng)，可根據(jù)鎖體擺臂的初始位置與最大開啟位置來調(diào)節(jié)外把手構(gòu)件在Kinematics Simulation對(duì)話框中的旋轉(zhuǎn)角度范圍。至此，車門鎖系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真模型建立完成。

圖4 門鎖外開啟系統(tǒng)DMU運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)構(gòu)樹

3 基于DMU運(yùn)動(dòng)仿真模型的門鎖行程匹配

3.1 車門鎖系統(tǒng)拉桿傳動(dòng)的空間幾何關(guān)系

如圖5所示，為門鎖系統(tǒng)中曲軸運(yùn)動(dòng)行程與解鎖擺臂運(yùn)動(dòng)行程的空間幾何關(guān)系對(duì)應(yīng)示意圖，軸線1為曲軸繞把手基座的旋轉(zhuǎn)軸線，嚙合點(diǎn)1為曲軸在初始位置時(shí)與拉桿的嚙合點(diǎn)，則軌跡1為嚙合點(diǎn)1繞軸線1的運(yùn)動(dòng)軌跡圓，軌跡1上的嚙合點(diǎn)2為曲軸運(yùn)動(dòng)行程為L1時(shí)的嚙合點(diǎn)1的運(yùn)動(dòng)位置。以嚙合點(diǎn)2為球心，以拉桿兩端嚙合點(diǎn)的直線長度為半徑建立空間球面1，則球面1為曲軸行程為L1時(shí)，拉桿與解鎖擺臂嚙合點(diǎn)的空間位置軌跡面。

圖5 車門鎖系統(tǒng)拉桿傳動(dòng)空間關(guān)系示意圖

軸線2為解鎖擺臂繞鎖體的旋轉(zhuǎn)軸線，軌跡2為拉桿與解鎖擺臂嚙合點(diǎn)的空間軌跡圓。則軌跡2與球面1的交點(diǎn)4為曲軸行程為L1時(shí)解鎖擺臂嚙合點(diǎn)的空間位置，則嚙合點(diǎn)3與嚙合點(diǎn)4之間的距離L2為與曲軸行程L1相對(duì)應(yīng)的解鎖擺臂運(yùn)動(dòng)行程。

通過以上分析可知，在拉桿傳動(dòng)過程中，各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間的空間位置關(guān)系一一對(duì)應(yīng)。而通過建立DMU運(yùn)動(dòng)仿真模型，可將各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)過程中的行程對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行曲線輸出。在CATIA DMU Kinematics模塊，啟動(dòng)Kinematics Simulation對(duì)話框中的激活傳感器命令，添加自定義曲線，定義曲軸繞把手基座的旋轉(zhuǎn)為橫坐標(biāo)，解鎖擺臂繞鎖本體的旋轉(zhuǎn)為縱坐標(biāo)，運(yùn)行運(yùn)動(dòng)仿真后可輸出解鎖擺臂與曲軸旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系，可直接點(diǎn)取曲線上任意位置讀取該位置的行程對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，也可以通過傳感器對(duì)話框輸出Excel表格查詢精確數(shù)值。采用同樣的方法，可以依次建立外把手旋轉(zhuǎn)角度與曲軸旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線以及外把手旋轉(zhuǎn)角度與解鎖擺臂旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 基于DMU運(yùn)動(dòng)仿真模型的行程對(duì)應(yīng)曲線

各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)行程對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線建立完成后，可以根據(jù)圖7所示的行程匹配原則進(jìn)行外把手與鎖體的行程匹配設(shè)計(jì)。

圖7 把手與鎖體行程匹配原則

圖7中縱坐標(biāo)表示鎖體行程，其中s1為鎖體的解鎖行程，s2為鎖體的最大行程；橫坐標(biāo)中，B1為與鎖體空行程相對(duì)應(yīng)的外把手行程，B2為與鎖體解鎖行程s1相對(duì)應(yīng)的把手理論行程；考慮拉桿制造裝配公差以及配合間隙，外把手的解鎖行程應(yīng)在B2的基礎(chǔ)上增大到B3；考慮鎖系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)動(dòng)后機(jī)構(gòu)松弛以及拉桿變形等情況，應(yīng)預(yù)留外把手解鎖儲(chǔ)備行程至B4。此外，在解鎖行程末端，把手的限位應(yīng)先于鎖體的限位來保護(hù)鎖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此外把手最大行程B4應(yīng)小于與鎖體最大行程s2對(duì)應(yīng)的外把手行程B5，至此，行程匹配完成。由此可見，應(yīng)用CATIA DMU搭建運(yùn)動(dòng)仿真模型可以明顯簡化行程匹配過程中的各構(gòu)件行程關(guān)系的計(jì)算，直接從行程關(guān)系曲線上進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，匹配效率與精確性顯著提高。

4 基于DMU運(yùn)動(dòng)仿真模型的周邊件空間分析

門鎖系統(tǒng)的布置涉及到多個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在車門內(nèi)外板腔體內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，由于外開拉桿的運(yùn)動(dòng)軌跡不規(guī)則，通過常規(guī)方法很難分析其運(yùn)動(dòng)過程中與周邊零件的空間間隙情況，而CATIA DMU的運(yùn)動(dòng)仿真可以很好地解決這一問題。下面以校核如圖8所示外開拉桿運(yùn)動(dòng)過程中與車門內(nèi)板的空間距離為例進(jìn)行分析。

圖8 外開拉桿與車門內(nèi)板靜態(tài)位置示意圖

在DMU Kinematics模塊中定義外開拉桿與車門內(nèi)板之間的距離與區(qū)域分析，添加自定義曲線，定義外把手繞把手基座的旋轉(zhuǎn)為橫坐標(biāo)，外開拉桿與車門內(nèi)板之間的距離為縱坐標(biāo),然后進(jìn)行仿真，仿真完成后可輸出二者的關(guān)系曲線,如圖9所示。

圖9 外開拉桿與車門內(nèi)板空間距離動(dòng)態(tài)曲線

在圖中點(diǎn)擊曲線上任意點(diǎn)位置，即可讀取此位置二者的空間距離數(shù)值。采用此方法可建立任意構(gòu)件之間的動(dòng)態(tài)空間校核，簡化了校核難度，提高了校核精度。

在鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，若采用DMU運(yùn)動(dòng)仿真建立運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體，作為輸入條件給周邊搭接零件作為限制面，可有效避免因運(yùn)動(dòng)件空間位置輸入條件不準(zhǔn)確造成的裝車匹配問題。下面以拉桿的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)建立為例進(jìn)行分析。運(yùn)動(dòng)仿真模型建立完成后，建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模擬與重放，點(diǎn)擊包絡(luò)體按鈕，選取要建立包絡(luò)體的構(gòu)件，可建立包絡(luò)體，如圖10所示。此方法操作簡單，空間位置精確，可明顯提高設(shè)計(jì)精度，提高設(shè)計(jì)效率。

圖10 外開拉桿運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體圖示

5 結(jié)論

在車輛的開發(fā)過程中，合理地運(yùn)用開發(fā)工具可以有效地提高設(shè)計(jì)效率與精確度。針對(duì)鎖系統(tǒng)開發(fā)過程中拉桿傳動(dòng)的行程匹配與空間校核不精確的問題，采用CATIA DMU模塊建立了鎖系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真模型，并運(yùn)用DMU分析工具對(duì)行程匹配與空間校核進(jìn)行了優(yōu)化，提供了一種新型的鎖系統(tǒng)開發(fā)方式，在設(shè)計(jì)階段可高效準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，同時(shí)在樣車試制階段可迅速發(fā)現(xiàn)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷并提供解決方案。通過運(yùn)動(dòng)仿真來指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可有效提高鎖系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與品質(zhì)。

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Simulation and Design Optimization of Door Lock System Based on CATIA DMU

LI Chaoshuai, FANG Chao, LIN Sen, YU Bo, LI Ruisheng

(Closure Section,Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Shenyang Liaoning 110141,China)

In order to solve the problem that it was difficult and inaccurate in the stroke matching of the rod drive in the door lock system, the movement characteristics of the rod drive mechanism of the door lock system were analyzed theoretically. The CATIA DMU Kinematics module was used to establish the motion simulation model of the door lock system. The stroke curve of every component was output by dynamic analysis. So the stroke matching process was simplified and the accuracy of the stroke matching was improved. Then the repeated adjustment of vehicle matching stage was avoided. And the CATIA DMU Kinematics was used to analyze the spatial distance of the moving parts. The arrangement of the lock system is guided by the dynamic distance curves and the envelope surface.

Door lock system;CATIA DMU; Movement simulation; Design optimization

2016-08-02

李超帥(1989—)，工學(xué)碩士，工程師，主要從事車身附件設(shè)計(jì)工作。E-mail：chaoshuai.li@brilliance-auto.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.003

U463.83+4

A

1674-1986(2016)11-013-04