两厢车后背门支撑杆的布置及运动分析

唐保龙，赵利杰，毕学宇

(一汽丰田技术开发有限公司 天津300462)

两厢车后背门支撑杆的布置及运动分析

唐保龙，赵利杰，毕学宇

(一汽丰田技术开发有限公司 天津300462)

气动支撑杆开启机构是目前轿车上经常采用的一种结构。由于气动支撑杆生产技术成熟、性能优良，在两厢车开发中，后背门的开启机构采用气动支撑杆。借助三维设计软件CATIA与计算和分析优化工具MATLAB，对支撑杆进行了布置，从运动学和动力学角度分析了上掀式后背门开启和关闭过程中力和力矩的关系，并对其进行优化，最后对后背门开启的速度和加速度进行了仿真分析，满足了后背门的平稳开启/关闭平稳、助力轻松、使用安全等功能要求。

CATIA 后背门 气动支撑杆

1 轿车用气动支撑杆介绍

1.1 构造及支撑力

气动支撑杆由活塞、气筒、导杆等构成，如图1所示。

图1 气动支撑杆结构简图Fig.1 Structure of gas damper

气动支撑杆运动中提供的总支撑力包括两部分：压力差产生的支撑力和相对运动部件之间的摩擦力。由波义耳定律可知，一定质量的气体，其压强与体积的乘积为定数，即体积减小，压强增大；反之，体积变大，压强减小。当施加外力时，导杆在气室内体积增大，致使压缩气体的有效容积变小，气体压强增大，从而使压力差产生的支撑力变大。

1.2 气动支撑杆的特点及应用

我国的气动支撑杆制造技术成熟，成本也在不断下降。气动支撑杆具有尺寸小、容易布置、可靠性高等特点。目前气动支撑杆在专业生产厂家均按标准化和系列化设计，使用和维修也更加方便。

气动支撑杆的可靠性可以满足汽车、飞机及医疗器械等开启机构的要求。尤其是在汽车的应用上，后背门及发动机舱盖等开启机构不仅要符合车身造型的需要，而且要满足安全、可靠及使用方便等要求。气动支撑杆就可以很好地满足这些要求。基于以上优点，本次两厢车开发采用气动支撑杆。

2 两厢车后背门的运动分析

2.1 两厢车后背门开闭类型

许多轿车和轻型客车都设置有后背门，以方便装卸货物和行李。后背门通常有平开式和上掀式两种结构。两者相比，上掀式后背门具有节省空间、开启轻便及关闭可靠等优点，因而被广泛应用。[1]本次两厢车开发采用上掀式结构。这种后背门需要借助助力撑杆来开启，当开启后背门时，利用气动支撑杆产生的反作用力通过对铰链旋转轴线产生的力矩来克服重力矩和摩擦力矩，从而使后背门开启，[2]如图2所示。

图2 后背门开启位置Fig.2 Open position of backdoor

2.2 支撑杆的运动空间

随着后背门的开启和关闭，气动支撑杆也做近似旋转运动，所以首先要确保气动支撑杆在动作时与后背门内板、流水槽等周边配件无干涉。利用CATIA的DMU模块[2]来确定支撑杆的有效运动空间，如图3所示。

图3 支撑杆运动空间Fig.3 Moving space of gas damper

2.3 后背门及支撑杆运动过程分析

车门与车体通过两个铰链进行连接且铰链中心线平行，车门开启与关闭是围绕铰链中心线进行圆周运动。而气动支撑杆的两个安装点所在面与铰链中心线不相垂直，即气动支撑杆的运动面为非平面。

后背门运动过程中，共有3个静止平衡点，如图4、表1所示。

图4 平衡位置示意图Fig.4 Diagram of Equilibrium position

表1 3个平衡点位置Tab.1 Three equilibrium positions

3 后背门动力学分析

3.1 支撑杆力学性能

本次两厢车开发选用的支撑杆基本参数如表2所示。

表2 气动支撑杆基本参数Tab.2 Basic parameters of gas damper

根据支撑杆的性能参数，利用MATLAB计算出支撑杆力学性能，如图5所示。

图5 支撑杆力学性能图Fig.5 Performance chart of gas damper

3.2 后背门重力矩与气动支撑杆力矩之间的关系

从上文内容可知，后背门有3个平衡点。后背门的开启和关闭过程中，开启角度、能否静态平衡以及力矩间的关系如表3所示。

表3 开启/关闭过程中的逻辑关系Tab.3 Logic of backdoor during opening/closing

根据表3的逻辑关系确定力学变化模型，如表4所示。以开门过程为例(关门过程为逆向)：定义向上方向为正，向下方向为负；顺时针为负，逆时针为正。

表4 运动过程中力学模型Tab.4 Mechanical model

根据人机工程学的要求，后背门的关闭初始拉力为20,N，后背门的开启初始拉力为30,N。考虑安全性，开启和关闭的初始拉力误差须在±3,N以内。

根据力矩平衡要求，首先通过对平衡点的力学计算，进而得出支撑杆的长度，根据此结果可以初步设置支撑点位置(见图6～8)。

图6 平衡点AFig.6 Balance point A

图7 平衡点BFig.7 Balance point B

图8 平衡点CFig.8 Balance point C

根据计算结果，初步设定了符合要求的支撑杆安装位置。

4 支撑杆安装位置布置及优化

4.1 支撑点安装点空间确定

图9 安装状态断面图Fig.9 Drawing of clearance check

通过以上的分析和计算，初步确定出支撑杆固定点的安装位置，为了确保安全，需对支撑杆与周边配件的间隙及后背门的运行性能(速度和加减速度)进行校核和优化。首先检查间隙是否满足要求，如图9所示。

然后对整个开门过程计算，通过MATLAB工具进行计算与分析，优化安装点位置。如图10所示。

图10 运动过程力学模型Fig.10 Mechanical model

4.2 优化后结果

根据以上的优化分析，利用CATIA DMU模块，对运动过程的速度和加速度进行仿真。[3]

5 结 论

借助于CATIA、MATLAB工具，对汽车后背门气动支撑杆进行了按钻过布置且对运动特性进行了仿真及优化，结果符合设计要求。通过软件的应用，大幅减少了运算时间，提高了工作效率。在保证后背门开启平稳顺畅、助力轻便的基础上，满足了结合人机工程要求及安全性能。

［1］ 李宇彤. 上掀式背门气动撑杆的优化布置[J]. 汽车技术，1999(9)：15-16.

［2］ 黄天泽，黄金陵. 汽车车身结构与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1996：214-222.

［3］ 鲁君尚. 无师自通CATIA V5之电子样机[M]. 北京：北京航空航天大学，2008：94-150.

Layout and Motion Analysis of Backdoor’s Damper

TANG Baolong，ZHAO Lijie，BI Xueyu
(FAW Toyota Research & Development Co.，LTD.，Tianjin 300462，China)

The opening mechanism of gas damper is a kind of structure which is often used in cars.When developing the hatchback，researchers will use gas damper.With the help of CATIA and MATLAB，the paper analyzes the relationship of forces and moments during the opening and closing of hatchback’s backdoor from the perspectives of kinematics and dynamics，and optimizes the layout of installation points.As a result，the performance of hatchback’s backdoor meets functional requirements of steady opening or closing of backdoor，easy assistance and safety.

CATIA；backdoor；gas damper

U463.03

：A

：1006-8945(2016)09-0071-03

2016-08-31