行李箱盖四连杆铰链气撑杆设计与优化计算

行李箱盖四连杆铰链气撑杆设计与优化计算／李海波，刘剑平，王朝锐　等　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００５－２５５０．２０１３．０１．０１６　计算ｉＩｉｎ应用　行李箱盖四连杆铰链气撑杆设计与优化计算　李海波，刘剑平，王朝锐，樊树军　（东风汽车公司技术中心，武汉４３００５８）　摘要：通过对装备气撑杆及四连杆铰链的行李箱盖系统的受力分析，建立起了用户在开关行李箱盖时，操作者手部　操纵力与行李箱盖开启角度之间的关系。针对此开启操纵机构系统进行了阐述，并介绍了在以上基础之上开发的一　种基于Ｅｘｃｅｌ的行李箱盖气撑杆的计算程序，通过优化计算开发程序选择合适的气撑杆，可使开启机构运动平缓，人　手开启方便轻松。　关键词：四连杆铰链：气撑杆；开启结构：操纵性；优化　中图分类号：Ｕ４６３．８３　文献标志码：Ａ　文章编号：ｌ０ｏ５—２５５０（２０１３）Ｏ１＿ｃｌｏ６ｌ－ｏ５　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｕｍ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇａｓ　Ｓｐｒｉｎｇ　Ｂｏｏｓｔｅｒ　Ｔｙｐｅ　Ｆｏｕｒ　Ｌｉｎｋ　Ｈｉｎｇｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ＬＩ　Ｈａｉ—ｂｏ，ＬＩＵ　Ｊｉａｎ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｃｈａｏ—ｒｕｉ，ＦＡＮ　Ｓｈｕ￣ｕｎ　（Ｄｏｎｇｆｅｎｇ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｔｅａｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｅｎｔｏｒ，Ｗｕｈａｎ　４３００５８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒｕｎｋ　ｌｉｄ　ｈｉｎｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｏｕｒ－ｌｉｎｋ　ｈｉｎｇｅ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｓｐｒｉｎｇ，ｉｔ　ｈａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈａｎｄ　ｓｗｉｔｃｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ａｎｇｌｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒ　ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｔｕｎｋ　ｌｒｉｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｓｐｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｅ　ＥＸＣＥＬ，．Ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｇａｓ　ｓｐｒｉｎｇ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｄ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｓｍｏｏｔｈｌｙ　ａｎｄ　ｏｐｅｎ　ｅａｓｉｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｒ　ｌｉｎｋ　ｈｉｎｇｅ；ｇａｓ　ｓｐｒｉｎｇ；ｏｐｅｎｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ　ｉ　ｏｐｔｉｍｕｍ　四连杆铰链气撑杆助力式开启结构是目前汽车　（特别是中高级轿车）上经常采用的一种结构，见图　力矩来平衡行李箱盖产生的重力矩和铰链摩擦力　矩，以获得用户满意的行李箱盖开启关闭操纵性能。　以前对气撑杆的设计只能依靠在试制样车上配　重用不同规格的气撑杆样件进行装车，然后获得合　１。它通过气撑杆输出作用力来支撑行李箱盖的开启　关闭。在行李箱盖开启关闭过程中，通过气撑杆产生　收稿日期：２０１２—０５—１０　适的气撑杆设计参数。这样往往开发周期过长，反复　性比较大，很难完成设计开发任务。为了能够设计早　进行分析时，ＳＩＭＯ法足可以满足试验要求。　３　结论　本文针对某一指定车型白车身（不带附件）分别进　２）从试验结果看ＭＩＭＯ法较之ＳＩＭＯ法存在一　定优势，因而当对样品进行精确、详尽分析时，建议　使用ＭＩＭＯ法进行试验模态分析。　参考文献：　［１］陈永新，谭继锦，陈剑，汪文江．轿车白车身模态试验　行ＳＩＭＯ和ＭＩＭＯ测试系统条件下的试验模态分析，　并对获得的试验结果进行对比分析，研究两种测试方　法下获得的试验结果差异，以期能够针对不同的试验　对象确定更好的模态试验方法。本次试验结论如下。　１）两种测试方法均能较好的识别整体一阶垂直弯　曲变形，整体一阶扭转变形等典型的白车身模态振型，　且试验结果差别不大，因而当试验目的为仅对样品整　体一阶垂直弯曲变形，整体一阶扭转变形等典型振型　研究［Ｊ］．汽车技术，２００７，１１：４５—４８．　［２］沃德－海伦，斯蒂芬・拉门兹，波尔・萨斯著，白化同，郭　继忠，译．模态分析理论与试验［Ｍ］．北京：北京理工大　学出版社，２００１．　［３］傅志方，华宏星．模态分析理论与应用［Ｍ］．上海：上海　交通大学出版社，２０００．　・６１・　行李箱盖四连杆铰链气撑杆设计与优化计算／李海波，刘剑平，王朝锐等　计算枫瘴用　方法分解，并计算所得。由于板件和附件形状往往比　较复杂，对于质心只能通过ＣＡＴＩＡ来测得，与实际　还存在一定偏差，最准确的方法还是通过试验来测　得。　２．３四连杆铰链瞬心计算　对于四连杆铰链而言，由于其没有固定的轴心，　所以计算时需要知道行李箱盖任意开度的瞬心位　置，如图５所示。四连杆的瞬心０为两个运动连杆Ｚ　和　：的交点［”，可以通过下述来计算所得。　：：　如　ｌ。为０点到１点　图５　四连杆铰链的瞬心　由铰链输入条件可知，以下参数（投影到ＺＸ平　面）均为已知，点１（　，０，　），点２（　２，０，　），点３　（　３，０，ｚ３），点４（　４，０，ｚ４），２ｌ、ｆ２、２３、２４分别为四杆长度。　设０９０为初始状态杆Ｚ　与　轴夹角，　为　轴和Ｚ。２　的夹角，０３：为杆Ｚ∞与　轴夹角，∞，为杆　与　轴　夹角，瞬心０坐标（　，Ｏ，Ｚ），见图５所示。　由四连杆铰链机构组成的矢量方程　＋　：　＋　（２１　可得Ｅ２］　・　：（　＋　一　）。　（］　＋　一＿＿ｉ　）　（３）　、　Ａ＝２／３（Ｚ１ｓｉｎｗ１－／４ｓｉｎｗｏ），Ｂ＝２１３（Ｚ１ＣＯＳＷ１－／４ｃｏｓｗ０），　Ｃ　－砰　＋２Ｚ１ｆ４ｃｏｓ（　１吲０）　所以可计算得ｌ　２ｌ：　ｔａｎ（ｗＪ２）＝（Ａ＋、／／４　＋Ｂ　一Ｃ　）／（Ｂ—Ｃ）　（４）　Ｗ２＝ａｒｃｅｏｓＥ／３ＣＯＳＷ３＋　４ｃｏｓ　ｏ＿＿Ｚ，ＣＯＳ（Ｗ，Ｓ）／ｌ２］　由杆Ｚ　和Ｚ，所属直线方程可解得瞬心坐标（　，　０，ｚ），其中　（ｚｌ，　４，Ｘ１，　４，Ｗ１，Ｗ３），　（Ｘ，　ｌ，Ｗ１）ｏ　２．４行李箱盖重力矩计算　将行李箱盖在不同开启位置时，铰链各点及行　李箱盖质心位置运动轨迹计算出来，即可确定质心　的位置眠（　。，　），见图５。　由章节２．３已知条件，可解得铰链２点和３点　的坐标：　２＝　ｌ＋Ｚ１ＣＯＳ（６　１），　２＝　１＋Ｚ１ｓｉｎ（６　１）　３　４＋２３ＣＯＳ（０３３），　３＝ｌｚ４＋Ｚ３ｓｉｎ（０３３）　设杆Ｚ：与Ｚ。的夹角为ｒ　，则质心坐标：　Ｘ０＝ｘｚ＋ｌｏｃｏｓ（ｔｏ２＋ｒ２）　Ｚｏ＝ｚ２＋ｌｏｓｉｎ（ｏ．）２＋ｒ２）　所以可得行李箱重力矩Ｍ重＝ｍｇ（Ｘ０　）。　２．５气撑杆弹力计算　气撑杆的反力可由力　和气撑杆刚度Ｋ所得，　Ｆ２＝ＫＦ￣，　＋２厂（厂气撑杆摩擦力）。　由章节２．４推导过程，可以得车盖任意开度安　装点坐标　（　。，　），行李箱盖全开和关闭位置，可　以得出气撑杆的行程Ｚ　（见图６），由供应商提供数　据可知　和　，由此可以不同伸长和压缩长度　的气撑杆输出力Ｆ伸和Ｆ压。　ｌ气　ｊ军秆输出力ＩＮ　，：　●’　—＿＿．　Ｊ　－．１　Ｉ　一１．１５Ｆ．　●　伥　多一，一　，，，’一，，　１．１５Ｆ１　＝＝＝二　／　１０　５　行程／ｍｍ　图６气撑杆输出力与行程的关系　由图７可得：　ＭＦ　Ｆ博ｌ，ＭＢ　Ｆ匮　▲Ｚ　Ｌ＇．　＼　０　瞬心　图７气撑杆力矩模型　２．６四连杆铰链阻抗力矩计算　四连杆铰链阻抗力矩Ｔｆ＝Ｆｎｘｌｎ’，　任意开度　操纵点坐标　（　：，ｚ２），按章３－４计算方法可得。　２．７行李箱盖操纵力计算　计算重力矩和气撑杆力距及铰链矩抗力矩之　后，如果没有外界操纵力是不能完成开启和关闭操　纵的。开启操纵点　（　，　）和关闭力操纵点　（　，ｚ４）见图４，其任意开度坐标按章２．４计算方法　可得。　由此可得：　・６３・　行李箱盖四连杆铰链气撑杆设计与优化计算／李海波，刘剑平，王朝锐　等　表４频率相同或相近。振型相似　输出结果　计算飙应用　舳　∞　∞　加　Ｏ　加　∞Ｎ／　暴　一　一气弹簧力矩（２０。）　气弹簧力矩（６０。）　行李箱盖　气弹簧力矩　（一２０。）　重力力矩　阻抗力矩　／Ｎｍ　／Ｎｍ　操作力（２０。）　操作力（６０。）　操作力（一２０。）　开启角度，。　开启力　关闭力　开启力　关闭力　开启力　关闭力　／Ｎ　０　／Ｎ　／Ｎ　／Ｎ　／Ｎ　／Ｎ　开启力　关闭力　开启力　关闭力　开启力　关闭力　／Ｎ　／Ｎ　／Ｎ　／Ｎ　／Ｎ　／Ｎ　３４．２３３　３５．２８８　４１．６５５　４２．７１１　２６．８２４　２７．８８０　６９．３２９　７０－２１１　７０．９５３　７１．５７２　７２．８１５　７３．２２６　０．１８３　０．１８５　Ｏ．１８７　０．１８８　０．１９０　Ｏ．１８９　４９．７８　－４３－３７　３９．３１　－３３．８７　６０．２３　－５２．８７　４４．７８　－３８．６６　３３．１４　－２８．１０　５６．４ｌ　－４９－２２　４１．５５　－３５．６１　２９．１４　—２４．３５　５３．９６　－４６．８７　３８．５Ｏ　－３２．７２　２５＿３６　－２０．８２　５１．６４　—４４．６３　３０．２３　－２４．９０　１５．１５　一ｌ１．２８　４５．３２　－３８．５３　２５－３１　－２０．２６　９．０９　－５．６４　４１．５４　－３４．８８　０．７９３４５７５９　３８．３７７　３９．５６２　４６．６９７　４７．８８２　３０．０５７　３１．２４１　１．５６１９４６４３　４１．２０４　４２．４７７　５０．１４７　５１．４２０　３２．２６２　３３．５３５　２．３１０１２４７５　４３．８４６　４５．２０３　５３．３７３　５４．７２９　３４．３２０　３５．６７７　４．４６６３０３６８　５０．８０５　５２．３８２　６１．８８２　５３．４５９　３９．７２８　４１．３０５　５．８５４０ｏ４８３　５４．７４７　５６．４５１　６６．７１４　６８．４１８　４２．７８１　４４．４８４　６．５３８２１１１８　５６．５３６　５８．２９８　６８．９１Ｏ　７０．６７２　４４．１６２　４５．９２３　７．８９３８３４８７　５９．７７９　６１．６４７　７２．８９９　７４．７６７’　４６．６５８　４８．５２７　８．５６７３９８７７　６１．２４４　６３．１６１　７４．７０６　７６．６２２　４７．７８３　４９．６９９　９．２３９３７５４９　６２．６１２　６４．５７４　７６．３９４　７８．３５６　４８．８２９　５０．７９２　９．９１０５８９４９　６３．８８５　６５．８９１　７７．９６９　７９．９７４　４９．８０１　５１．８０７　１０．５８１７９６９　６５．Ｏ６８　６７．１１４　７９．４３５　８１．４８１　５０．７０２　５２．７４７　１　１．２５３６９７８　６６．１６５　６８．２４８　８０．７９７　８２．８８０　５１．５３３　５３．６１６　１　１．９２６９４６５　６７．１７６　６９．２９５　８２．０５６　８４．１７５　５２．２９７　５４．４１５　１２．６０２１６０２　６８．１Ｏ７　７０．２５８　８３．２１８　８５．３６９　５２．９９６　５５．１４３　１３．２７９９２５９　６８．９５８　７１．１４０　８４．２８４　８６．４５６　５３．６３３　５５．８１５　１３．９６０８０６７　６９．７３３　７１．９４３　８５．２５７　８７．４６７　５４．２０９　５６．４１９　１４．６４５３４７３　７０．４３３　７２．６６９　８６．１４０　８８．３７７　５４．７２５　５６．９６２　１５．３３４０７８４　７１．０６０　７３．３２０　８６．９３５　８９．１９８　５５．１８４　５７．４４４　１６．０２７５２１　７１．６１６　７３．８９８　８７．６４５　８９．９２７　５５．５８７　５７．８６９　７３．３２８　７３．３５５　７３．２８９　７３．１７５　７３．０１６　７２．８１７　７２．５７９　７２．３０５　７１．９９８　７１．６６０　７１．２９３　７０．８９８　７０．４７７　７０．０３２　６９．５６５　Ｏ．１８９　Ｏ．１８８　０．１８７　０．１８５　Ｏ．１８４　０．１８３　Ｏ．１８１　０．１７９　Ｏ．１７７　０．１７５　０．１７３　Ｏ．１７１　Ｏ．１６９　Ｏ．１６７　Ｏ．１６４　２３．ＯＯ　一１８．０９　６．２４　１８．６４　－１３．９９　０．８７　１６．５８　－１２．０７　—１．６７　１４．５８　—１０．２１　—４．１２　１２．６６　－８．４２　－６．４８　１０．８０　－６．７Ｏ　－８．７７　９．０１　７．２７　５．５９　３．９７　２．４０　０．８９　－０．５８　—１．９９　－３．３６　－３．０１　１．９４　４．２７　６．５１　８．６７　１０．７４　３９．７６　－３３．１７　３６．４１　－２９．９３　３４．８２　－２８．４０　３３．２９　－２６．９３　３１．８Ｏ　－２５．５１　３０＿３７　－２４．１４　２８．９９　－２２．８２　２７．６６　—２１．５５　２６－３７　－２０－３２　２５．１２　—１９．１３　－６．０４　—１Ｏ．９８　１２．７４　－３．４４　—１３．１１　１４．６６　—１．９ｏ　—ｌ５．１８　１６．５ｌ　－０．４２　—１７．１８　１８．２９　１．０１　２＿３８　３．７１　４．９８　６－２１　—１９．１２　２０．０１　２３．９２　—１７．９９　－２０．９９　２１．６６　２２．７６　一ｌ６．９０　－２２．７９　２３．２５　２１．６４　一ｌ５．８４　—２４．５４　２４．７８　２０．５６　—１４．８２　－２６．２３　２６．２５　１９．５２　—１３．８４　１６．７２６１９０ｌ　７２．１０３　７４．４０５　８８．２７１　９０．５７３　５５．９３５　５８．２３７　通过与供应商的计算结果进行对比分析，输出　结果非常接近，为了得到合适的操控性能，可以通过　修改相关点的几何位置来满足性能要求。　４结论　四连杆结构铰链设计虽然不是很复杂，但要经　行李箱盖开度／。　图９行李箱盖开闭操纵力输出图　过反复调试和优化计算才能使开启机构灵活可靠。　选择合适的气撑杆，可以使开启机构运动平缓，人手　助力轻松。一个好的开启机构，只要人手轻轻一点就　可开启。　３．３开发程序的应用　本程序适用于所有以四连杆铰链气撑杆为　助力机构的行李箱盖。输出的手部开闭操纵力曲　线可以让设计人员非常直观地了解用户对行李　箱盖的操纵感受以及平衡系统的性能。设计人员　可以通过改变一些输入参数，立刻得到变化的曲　线图　参考文献：　［１］哈尔滨工业大学理论力学教研室．理论力学（Ｉ）［Ｍ］．北　京：高等教育出版社，２００２：９４．　［２］孙桓，陈作模，葛文．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出　版社．２００１：６３．　・６５・