基于CATIA DMU的尾门气弹簧运动仿真与设计优化

李超帅，方超，林森，于波，李瑞生

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

基于CATIA DMU的尾门气弹簧运动仿真与设计优化

李超帅，方超，林森，于波，李瑞生

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

为解决因尾门气弹簧球销方向不合理导致的气弹簧球窝断裂失效问题，对尾门气弹簧开闭系统机构运动特点进行了理论分析，利用CATIA DMU Kinematics模块对尾门气弹簧系统建立了运动仿真模型，提出了一种新的气弹簧安装球销方向的设计方法，并应用扫略包络体命令以及距离与区域分析命令对球销设计角度进行了仿真校核，该方法有效地解决了因气弹簧安装球销方向布置不合理导致的球窝断裂失效问题。

CATIA DMU；气弹簧；运动仿真；设计优化

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.019

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-56-03

前言

尾门气弹簧是两厢车尾门系统开闭过程中的助力机构，其设计布置需满足汽车尾门系统使用舒适方便、安全可靠的需求。随着近年来我国汽车车身设计的迅速发展，尾门气弹簧在关于用户使用舒适性方面（例如开门操作力、关门操作力以及尾门开启平衡角度等）的设计布置有了很大进步，基本已经达到国外企业的设计水平[1-2]。但是，在尾门气弹簧的耐久可靠性方面（例如气弹簧耐久之后的机械强度与力值衰减等），国内企业与国外企业仍存在一定差距。在尾门气弹簧失效模式分析方面，由于设计理论支撑欠缺，失效问题发生时经常错将设计问题误归类为零部件质量问题，忽略了设计布置对于零部件耐久性能的影响。例如，在售后问题中常见的尾门气弹簧端部塑料球窝耐久后的断裂失效问题，通常被归类为零部件球窝的质量问题，而忽略了从设计角度寻找问题发生的根源[3-4]。

本文从尾门气弹簧的设计布置角度出发，运用CATIA DMU Kinematics模块对尾门气弹簧的布置进行运动仿真模型搭建，分析了尾门气弹簧球销布置角度对气弹簧球窝断裂的影响。并通过CATIA DMU Kinematics模块提出了一种尾门气弹簧安装球销布置角度的设计设计方法，采用该方法对尾门气弹簧进行设计优化，有效地解决了因气弹簧安装球销方向布置不合理导致的球窝断裂失效问题。

1、尾门气弹簧开闭机构分析

本文针对翻转布置式气弹簧进行研究。在整车坐标系下从Y方向来观察尾门的开闭过程如图1所示，气弹簧尾门连接端处于以铰链轴线为旋转轴的旋转运动，气弹簧车身连接端相对铰链轴线固定不动，气弹簧随着尾门的开闭而伸缩。

如图2所示，从车辆Z方向进行观察，在尾门关闭状态下，由于车辆尾门造型的原因气弹簧自身轴线与铰链轴线存在夹角α（一般商用车α≤8°，乘用车α≤12°，过大的角度α会导致气弹簧在尾门Y向分力过大，对尾门刚度不利），在尾门逐渐打开的过程中，该夹角逐渐增大至β，因此，在尾门开启过程中，存在气弹簧球窝绕球销的空间旋转来适应气弹簧轴线与铰链轴线夹角的变化。

在气弹簧端部球窝绕安装球销旋转的过程中，若两端球窝与球销的空间啮合角度无法适应气弹簧的空间旋转角度，则会出现如图3所示的情况，随着尾门的开闭过程，气弹簧球窝与球销之间反复干涉受力，最终导致球窝磨损严重发生断裂失效。

2、基于CATIA DMU的尾门气弹簧运动仿真模型

2.1 尾门气弹簧开闭系统数字模型建立

根据新开发车型中尾门铰链轴线位置、尾门重量与重心等条件对尾门气弹簧车身端与尾门端气弹簧安装点位置进行定义，满足尾门系统开启力、关闭力以及平衡角度等要求，具体布置方式本文不再赘述。气弹簧两端安装点定义完成后，在CATIA DMU Kinematics模块中建立装配体文件，并按照尾门各构件的实际空间位置建立各构件的位置约束，为下一步进行运动仿真做准备，装配体建立完成后结构树如图4所示。

2.2 尾门气弹簧开闭系统运动副建立

在尾门开闭过程中，尾门以铰链为轴线绕车身进行旋转，气弹簧缸筒通过球窝球销之间的卡接啮合与车身侧围连接，气弹簧活塞通过球窝球销卡接啮合与尾门连接，理想的设计状态下，气弹簧缸筒与活塞之间应只有轴向伸缩运动，而无绕轴旋转运动，因为缸筒与活塞长期的绕轴旋转运动会导致气弹簧内部密封导向构件的磨损，影响气弹簧的耐久性能。针对尾门气弹簧开闭系统的运动状态，对装配体内四个构件建立图5中所示四个位置的运动副，各运动副的详细信息如表1所示。

表1 运动副详细信息

运动副添加完成后，定义车身端铰链为固定构件，并添加Y1位置旋转副为驱动条件，最大驱动角度调整为尾门的最大开启角度，此时CATIA提示系统自由度DOF=0，至此，表示机构的自由度完全被约束，CATIA自动弹出提示信息，机构可以进行运行仿真。至此，尾门气弹簧开闭系统运动仿真模型建立完成。

3、基于DMU运动仿真模型的气弹簧球销方向设计

尾门气弹簧开闭系统运动仿真模型建立完成后，可在CATIA DMU Kinematics模块中应用相关工具进行气弹簧两端球销方向的设计布置。如图6所示，先采用生成轨迹命令，对气弹簧车身端球窝上一点生成整个运动过程的运动轨迹1，此轨迹即为该点在整个尾门开闭过程中的所有经过位置，应用平均通过点命令，对该轨迹生成图6中所示的平面2，然后过气弹簧车身端球窝安装球心做出该平均平面2的法线3，直线3的方向即为球窝整个运动过程中的平均朝向，以此方向作为气弹簧车身端球销的理论设计方向，则在尾门的整个开闭过程中不会因球窝的旋转与球销发生干涉，从而避免球窝长期受力导致断裂失效情况的出现。

4、基于DMU运动仿真模型的气弹簧球销方向校核

在车辆的实际开发过程中，由于布置空间以及生产工艺方面等因素的限制，以直线3作为球销方向有时候无法实现，在这种情况下，可绕直线3进行一定角度的旋转作为球销的初步布置方向，然后对此布置方向进行可行性校核。

在CATIA DMU Kinematics模块中应用生成包络体命令，生成尾门开闭过程中气弹簧的运动包络如图7所示，包络生成后测量球销与球窝包络的空间最小距离，若最小距离大于0，则尾门整个开启过程中球窝与球销无干涉，此球销方向可行。

也可以通过在CATIA DMU Kinematics模块中先对球销与球窝端面建立最小距离与区域分析，然后通过运动仿真输出整个尾门开闭过程中球销与球窝端面最小距离随尾门开启角度变化图像如图8所示。图中横坐标定义为尾门开启角度，纵坐标定义为球销与球窝端面的最小距离，在CATIA DMU模块中可直接点击曲线上任意位置读取横纵坐标数值。若整条曲线所有位置纵坐标数值均大于0，则证明球销布置方向可行。

5、结论

在新车型的开发过程中，工程师正确地应用先进的设计工具可有效地提高设计效率与设计准确性。本文针对尾门气弹簧开闭系统，应用CATIA DMU Kinematics模块对尾门气弹簧开闭系统进行了运动仿真模型的建立，提出了一种新的气弹簧安装球销方向的设计方法，并应用扫略包络体命令以及距离与区域分析命令对球销设计角度进行了空间校核，应用此方法可在设计阶段高效准确地指导设计，对产品进行设计优化，提高了尾门气弹簧的设计效率与品质，有效解决了因气弹簧安装球销方向布置不合理导致的球窝断裂失效问题。

[1] 周利民.后背门气弹簧设计探析[J].汽车实用技术，2013（11）：70～71.

[2] 汪家利.后背门气弹簧布置与撑力计算[J].汽车工程师.2010（7）：30～31.

[3] 蒲蕾.气弹簧在汽车后背门上的优化布置[J].汽车工程师.2016（2）：47～48.

[4] 段明德.基于CATIA运动仿真的气弹簧安装位置设计[J].机械与电子.2008(7):78～79.

Simulation and Design Optimization of Tail Gate Gas Spring Based on CATIA DMU

Li Chaoshuai, Fang Chao, Lin Sen, Yu Bo, Li Ruisheng
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

In order to solve the problem that the ball socket of the tail gate gas spring fractures caused by the unjustified direction of the ball pin of the tail gate gas spring, the theoretical analysis is made on the motion characteristics of the tail gate gas spring. The motion simulation of the tail gate gas spring is established by using the CATIA DMU Kinematics. A new design method of ball pin direction of the gas spring is presented. The design of ball pin is simulated by using the sweep order and the distance and the region analysis command. Finally the problem that the ball socket of the tail gate gas spring fracture caused by the unjustified direction of the ball pin is solved effectively.

CATIA DMU; Gas spring; Simulation; Design optimization

U462.1

A

1671-7988(2016)10-56-03

李超帅，（1989.7-)，男，工学硕士学位，工程师，就职于华晨汽车工程研究院，主要从事车身附件设计工作。