敞篷汽车三段式折叠软顶敞篷机构优化设计

赵斌，董浩，黄波，张建



敞篷汽车三段式折叠软顶敞篷机构优化设计

赵斌，董浩，黄波，张建

（成都大学机械工程学院，四川 成都 610106）

最初汽车敞篷机构设计，整体机构较复杂，靠手动实现敞篷机构的折叠式运动，自动化程度低，机构杆件灵活性较低。目前较流行的软顶敞篷汽车，将软顶分为汽车后顶连接盖、中间过渡连接顶盖和前顶连接顶盖三部分。文章在敞篷汽车三段式折叠软顶敞篷机构的设计与分析基础上，基于matlab强大的数据处理能力进行敞篷汽车三段式折叠软顶的优化设计，并得到各杆件的最优尺寸，使敞篷机构设计更加合理。

汽车；敞篷；优化设计

引言

敞篷车是指带有折叠式可开启车顶的汽车，通常可以自动开合。敞篷汽车可折叠顶盖系统结构主要包括液压系统、电子控制系统和机械结构。机械结构涉及到连杆机构、小翻板机构和锁紧机构等。对于折叠式敞篷机构的复杂顶篷翻转运动，根据液压缸的往复运动，推动硬顶连杆及行李箱四连杆机构，实现顶篷收缩及行李箱开合[1]。本文将基于matlab强大的数据处理能力进行敞篷汽车三段式折叠软顶的优化设计。

1 敞篷机构设计分析

目前较流行的软顶敞篷汽车的敞篷机构由以下三部分构成：汽车后顶连接盖BD、中间过渡连接盖DH及前顶连接盖KM[2]。机构简图如图1所示。

敞篷有三个液压缸驱动，通过液压油缸的往复运动，实现顶盖的展开与收拢。后顶盖BD的主运动驱动中间顶盖DH、前顶盖KM运动，顶盖BD到达固定位冗后，顶盖KM开始展开，直至与前端合拢，整个敞篷的展开过程结束。其中，液压油缸2的作用是维持顶盖DH在平面内作平行移动。

图1 敞篷汽车顶盖机构分析简图

由机械原理平面机构自由度公式可得，机构自由度数目F为：

式中：——机构自由度；——活动杆件数目；P——低副数目；P——高副数目。

由图1可知，n=11、P=15、P=0，代入式（1）得机构自由度数F=3，符合机构设计相关要求。该敞篷机构采用三段式折叠软顶，收拢与展开较快，设计合理。

2 敞篷汽车三段式折叠软顶设计

基于图2所示的汽车模型，参考相应尺寸进行敞篷汽车三段式折叠软顶设计分析。

图2 汽车模型简图

根据图2的汽车模型简图，设计参数如下：

BD长为960mm，DH长为840mm，顶盖KM展开能到达的长度为750mm，顶盖BD到达固定位置时与汽车后座的夹角为135°。

敞篷汽车机构采用缸径为、速比=2的液压油缸，其安装距(L+S(行桯))=735mm，液压油缸未充油状态下，L=255mm。

3 后顶连接盖BD优化分析

将汽车敞篷分为三部分，每个顶盖分别有一个液压油缸驱动。故在此分别抽出各顶盖进行相关分析以及尺寸界定，顶盖BD的机构简图见图3所示。

考虑液压油缸通常是匀速充油。在此，油缸杆相对于缸体的速度可视为常数。又主动链的两个外副A、C的相对距离AC可视为已知的、长度呈规律变化的杆。由平面机构自由度计算公式可得，F=1，故该机构具有确定的运动。

图3 敞篷顶盖BD机构简图

在图3中，角度∠ABD具有不确定性，其值大小可根据具体敞篷机构给定，选取10°≤∠ABD≤45°。由已知参数可知，BD=960mm，255mm≤AC≤735mm，∠ABD'=135°。为优化计算顶盖的机械设计尺寸，选取液压油缸在未工作状态下，255mm≤AC≤270mm，在工作状态下，当顶盖BD到达固定位置时，液压油缸的安装距取720mm≤AC'≤735mm。在输出同样的功率，为使机构运动副中传递的力最小，该机构引入传动角γ，一般取γmin=30°~60°。在该敞篷汽车机构中，若90°<∠ACB<180°，则γ=180°-∠ACB，由边角关系可得：

当0°<∠ACB≤90°时，γ=∠ACB由边角关系可得：

根据图2，为使敞篷机构设计合理，能够达到指定位置，并给出最优化的各杆件尺寸，只需满足∠ABD∙AB∙BC最小。

编写matlab程序求解得，

顶盖BD在满足运动条件的前提下，液压油缸行程速度转换成汽车软顶敞篷的速度倍率为BD/BC=3.653。机构传动角取值范围为γ∈[30.06°，90°]，符合基本设计要求。

4 中间过渡连接盖DH的优化分析

对于顶盖DH的分析，顶盖DH主要作为连接顶盖，在顶盖BD的运动过程中，顶盖KM收拢于顶盖DH上，顶盖DH一直保待上下平行移动，其主要依赖于液压油缸2的往复运动，为计算方便，近似有∠GDF=∠ABD、∠GDF'=∠ABD’，为提高控制单元控制精度，液压油缸2应保证有足够大的行程，选取EF=255mm、E’F'=690mm、DE=262.80mm、DF=209.70mm，其中DG=840mm，该机构可根据液压油缸等机构实际安装位置自行调整。

5 前顶连接盖KM的优化分析

顶盖KM运动至连接汽车前端，以实现敞篷汽车的闭合，闭合的程度反映汽车敞篷密封性的好坏。当顶盖BD、顶盖DH运动至固定位宜后，可认为顶盖KM上活动绞支点H、G为固定绞支点，具体机构简图见图4和图5所示。

图4 敞篷顶盖KM机构简图 图5 敞篷顶盖KM收拢简图

如图4所示，KJ为连接杆件，与前敞篷板件相连。HJ与GK为支起顶盖板件导向杆，仿真得到GK=HJ=360mm、KJ=HG=150mm。前敞篷板件收缩时，板件水平合拢，翘起角度很小，缩小汽车后备箱存放空间。其中KJ与HJ共线，杆件一端采用圆弧过渡，另一端采用直臂式机构。

在图5中，液压油缸不断排油，给NI向右作用力，从而带动HJ绕H点转动，顶盖KM逐渐收拢，此时液压油缸充油量很少，可忽略不计。由于顶盖KM给予的反作用力产生的弯矩对N'I’影响作用较小，故顶盖KM的反作用力可完全由N'I'提供，此时液压油缸的推力对N'I’的运动起主导作用。当GK’与K'M’共线时，该机构处于与汽车前端连接锁紧位置，此时，K’为死点位赏，实际机构中，应避免该死点。

[1] 余胜威编著.MATLAB车辆工程应用实战[M].北京:清华大学出版社.2014.

[2] 肖启瑞,樊明明,黄学翾等编著.车辆工程仿真与分析基于MAT LAB的实现[M].北京:机械工业出版社.2012.

[3] 刘毅.关于敞篷车的那点事[J].商周刊,2010(13):17-18.

[4] 传奇敞篷跑车——马自达MX-5[J].时代汽车,2009(07):48-49.

[5] 刘孜.新BMW6系敞篷轿跑车[J].时代汽车,2008(01):88-89.

Optimization design of three-section folding soft top convertible mechanism for convertible car

Zhao Bin, Dong Hao, Huang Bo, Zhang Jian

（School of mechanical engineering, Chengdu University, Sichuan Chengdu 610106）

Initially, the design of the automobile convertible mechanism was complicated, and the folding movement of the open-top mechanism was manually realized, the degree of automation was low, and the flexibility of the mechanism member was low. At present, the soft top convertible car is divided into three parts: a car rear top connecting cover, an intermediate transition connecting top cover and a front top connecting top cover. Based on the design and analysis of the three-section folding soft top convertible mechanism of the convertible car, based on the powerful data processing capability of the matlab, the optimal design of the three-section folding soft top of the convertible car is obtained, and the optimal size of each bar is obtained. The design of the convertible mechanism is more reasonable.

car; convertible; optimized design

B

1671-7988(2018)22-75-03

U463.8

B

1671-7988(2018)22-75-03

U463.8

赵斌（1992.03-），男，成都大学机械工程学院硕士研究生，主要从事汽车动力学方向研究；董浩（1985.09-），男，博士，成都大学机械工程学院硕士生导师，主要从事汽车动力学、非线性动力学研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.026