两厢车后背门支撑杆的布置及运动分析.pdf

两厢车两厢车后背门后背门支撑杆支撑杆的的布置及运动布置及运动分析分析 【摘【摘 要】要】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、性能优良等原因，在本次两厢车开发中，后背门的开启机 构采用气动支撑杆工作中借助三维设计软件CATIA和计算和分析优化工具 MATLAB，对支撑杆进行了布置，并且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，进而对其进行优化， 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 【【关键词】CATIA，后背门，气动支撑杆 AbstractAbstract: : The opening mechanism of gas damper is a kind of structure which is often used in cars. This time when developing the hatchback, use the gas damperWith work on CATIA and MATLAB, from kinematics and dynamics， I analysis the relationship of forces and moments during the opening and closing of hatchback’s backdoor，and optimize the layout of the installation point。

As result, the performance of hatchback’s backdoor meets functional requirements which is the steady of backdoor when open or close, and assist, safety. Keywords: Keywords: CATIA; Backdoor; ; Gas damper; 1 1 轿车轿车用用气动气动支撑支撑杆杆介绍介绍 1.11.1 构造及支撑力构造及支撑力 气动支撑杆由活塞、气筒、导杆等构成如图1所示 图图1 1 气动支撑杆气动支撑杆结构简图结构简图 Fig.1 Structure diagram of gas damper 气动支撑杆的支撑力： 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，从而压力差产生的支撑力变大； 1.2 1.2 气动支撑杆气动支撑杆的特点的特点及应用及应用 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上的要求， 尤其在汽车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、可靠及使用方便的要求，气动支撑杆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 2 两厢车后两厢车后背门的运动背门的运动分析分析 2.1 2.1 两厢车后背门两厢车后背门开闭开闭类型：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，利用气动支撑杆产的反作用 力通过对铰链旋转轴线产生的力矩来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 图图2 2 后背门后背门开启位置开启位置 Fig.2 Open position of backdoor 2 2. .2 2 支撑杆的支撑杆的运动空间运动空间 由于随着后背门开启和关闭，气动支撑杆也做近似旋转运动，所以首先要确 保气动支撑杆在作动时与后背门内板、流水槽等周边部品无干涉。

利用CATIA的 DMU模块 [2]来确定支撑杆有效运动空间如图3所示 图图3 3 支撑杆运动空间支撑杆运动空间 Fig.3 Moving space of gas damper 2 2. .3 3 后背门及支撑杆后背门及支撑杆运动过程运动过程分析分析 车门与车体是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 图图4 4 平衡位置示意图平衡位置示意图 Fig.4 Diagram of Equilibrium position 后背门运动过程中，共有三个静止平衡点如图4、表1所示 表表1 1 三个平衡点位置三个平衡点位置 Tab.1 Equilibrium position 平衡点 代号 开启角度 解释 涉及部品 第一个平衡点 A 0 车门关闭状态 锁、支撑杆、后背门 第二个平衡点 B α（74.13° ） 中间平稳位置 支撑杆、后背门 第三个平衡点 C β（25.5° ） 最高位置 支撑杆、后背门、铰链 3 3 后背门后背门动力动力学分析学分析 3.13.1 支撑杆力学性能支撑杆力学性能 本次两厢车开发选用的支撑杆基本参数如表2所示。

表表2 2 气动支撑杆基本参数气动支撑杆基本参数 Tab.2 Basic parameters of gas damper 长度参数（mm） 支撑力范围（N） 杆直径(mm) 最长 最短 工作行程 200N 350N 外侧： 22 510 320 190 行程：0 行程：190 内侧： 10 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 支撑杆力学性能 200 220 240 260 280 300 050100150200 工作行程(mm) 支撑力(F) 图图5 5 支撑杆力学性能图支撑杆力学性能图 Fig.5 Performance chart of gas damper 3.2 3.2 后背门后背门重力矩与气动支撑杆力矩之间的关系重力矩与气动支撑杆力矩之间的关系 从上文内容可知，后背门有三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 表表3 3 开启开启/ /关闭过程中关闭过程中的逻辑关系的逻辑关系 Tab.3 Logic of backdoor during open/close 后背门位置 开启角度 能否平衡 支撑杆力矩MF与重力力矩MW关系 A 0 能 MF＜MW A~B 0~25.5° 否 MF＜MW B 25.5° 能 MF=MW B~C 25.5° ~74.13° 否 MF＞MW C 74.13° 能 MF＞MW 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 表表4 4 运动过程中力学模型运动过程中力学模型 Tab.4 Mechanical model 车门状态 A A~B B B~C C 支撑杆力 正 正 正 正 正 变化 不变 变小 变小 变小 变小 力矩 正 正 正 正 正 力矩变化 不变 变大 变大 变大 变大 人手拉力 零 变小 零 零 零 变化 不变 变小 无 无 无 重力矩 负 变大 负 变小 负 根据人机工程学的要求，后背门的关闭初始拉力为20N，后背门的开启初始 拉力为30N考虑安全性，开启和关闭的初始拉力误差须在±3N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 图图6 6 平衡点平衡点A A 图图7 7 平衡点平衡点B B 图图8 8 平衡点平衡点C C Fig.6 Balance point A Fig.7 Balance point B Fig.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 4 支撑杆安装位置支撑杆安装位置布置及优化布置及优化 4.1 4.1 支撑点安装点支撑点安装点空间确定空间确定 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，需对支撑杆与周边部品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 图图9 9 安装状态安装状态断面断面图图 Fig.9 Drawing of clearance check 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 图图1010 运动过程力学模型运动过程力学模型 Fig.10 Mechanical model 4.2 4.2 优化后结果优化后结果 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]，仿真及分析结果如图11、图12所示 图图11 11 支撑杆固定点相对于支撑杆运动的运动关系图支撑杆固定点相对于支撑杆运动的运动关系图 Fig.11 Chart of motion 图图12 12 支撑杆固定点相对于车身运动关系图支撑杆固定点相对于车身运动关系图 Fig.12 Chart of motion 5 5 结论结论 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，减少了大 量的运算时间，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。

参考文献参考文献 [1] 李宇彤， 牛东妍， 李卓森 上掀式背门气动撑杆的优化布置. 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] 鲁君尚等. 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. 。