O引言

目前，汽車(chē)行李箱采用的鉸鏈傳動(dòng)系統(tǒng)是基于純手動(dòng)開(kāi)關(guān)后備箱而設(shè)計(jì)的，其最優(yōu)化目標(biāo)是行李箱手動(dòng)開(kāi)啟處的開(kāi)啟力最小，而電動(dòng)開(kāi)啟行李箱則是從行李箱鉸鏈的支撐端施力驅(qū)動(dòng)后備箱整體開(kāi)啟和關(guān)閉，其在開(kāi)啟過(guò)程中是一個(gè)相對(duì)費(fèi)力的過(guò)程。因此，在汽車(chē)行李箱蓋電動(dòng)化開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要在不影響原行李箱運(yùn)動(dòng)、位置關(guān)系的同時(shí)，對(duì)行李箱系統(tǒng)的四連桿鉸鏈進(jìn)行優(yōu)化，以增加電驅(qū)動(dòng)端力臂長(zhǎng)度，減小電驅(qū)動(dòng)所需扭矩。但是汽車(chē)行李箱開(kāi)啟機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算難以提供準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)來(lái)支撐系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真，可以更準(zhǔn)確地獲得機(jī)構(gòu)在任意位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況，對(duì)于確定合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有非常大的意義。行李箱開(kāi)啟機(jī)構(gòu)是一種多連桿機(jī)構(gòu)，動(dòng)力學(xué)仿真的方法已經(jīng)在某些連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性方面得到了應(yīng)用；一些研究在仿真的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為汽車(chē)尾箱的動(dòng)力學(xué)研究提供了研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。近來(lái)動(dòng)力學(xué)仿真的方法開(kāi)始在汽車(chē)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面得到應(yīng)用，研究對(duì)象有鉸接式自卸汽車(chē)在隨機(jī)路面下的平順性，電動(dòng)剪式車(chē)門(mén)不同開(kāi)啟速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩及功率，轎車(chē)車(chē)門(mén)鉸鏈、車(chē)門(mén)前側(cè)分縫線、行李箱蓋扭桿彈簧的布置等，這些研究證明了采用動(dòng)力學(xué)仿真方法來(lái)輔助汽車(chē)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。因此，本文擬基于Adams對(duì)行李箱蓋手動(dòng)開(kāi)啟和電動(dòng)開(kāi)啟力進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真的有效性，并基于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型對(duì)行李箱的鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保行李箱電動(dòng)化的順利實(shí)現(xiàn)。

1Adams仿真建模

1.1Adams模型

在計(jì)算機(jī)輔助三維交互應(yīng)用軟件(CAIA）中建立行李箱系統(tǒng)閉合狀態(tài)的裝配體模型，如圖1所示，其中，A處為手動(dòng)開(kāi)啟施力點(diǎn)，B處為電動(dòng)開(kāi)啟施力點(diǎn)。為使鉸鏈的受力狀況更逼近真實(shí)情況，建模時(shí)將鉸鏈負(fù)載端物體與驅(qū)動(dòng)端物體都考慮在模型中，模型最終包含13個(gè)幾何體：行李箱蓋、左鉸鏈底座、左鉸鏈拉桿1、左鉸鏈撐桿、左鉸鏈連桿、右鉸鏈底座、右鉸鏈拉桿1、右鉸鏈撐桿、右鉸鏈連桿、拉桿2、曲柄、減速器輸出軸以及減速器殼體，如圖2所示。底座和減速器殼體都與車(chē)身固結(jié)在一起，連桿與行李箱蓋固結(jié)在一起，左鉸鏈本體通過(guò)拉桿2、曲柄與減速器輸出軸相連。將原始鉸鏈總成(全關(guān)狀態(tài)）數(shù)據(jù)導(dǎo)入到裝配環(huán)境下，固定住兩鉸鏈的坐標(biāo)位置，以它們的位置為參考將模型中所有零件的位置約束住，則裝配好的模型就是整車(chē)坐標(biāo)下行李箱系統(tǒng)全關(guān)狀態(tài)下的幾何模型。將裝配好的模型導(dǎo)入到機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)(Adams）中。

1.2邊界條件

將左底座與減速器外殼定義為固定件，其余為運(yùn)動(dòng)件(剩余11個(gè)幾何體為運(yùn)動(dòng)件）。左右鉸鏈底座間、輸出軸與曲柄間、左右鉸鏈推桿與箱蓋間的運(yùn)動(dòng)副采用固聯(lián)副，約束全部自由度。其他運(yùn)動(dòng)副采用旋轉(zhuǎn)副，約束5個(gè)方向的自由度，只留有繞軸旋轉(zhuǎn)的自由度。本模型中共采用了11個(gè)旋轉(zhuǎn)副；有相同運(yùn)動(dòng)軌跡的件采用固聯(lián)副約束，由此整個(gè)系統(tǒng)的自由度為11x6-11x5-4x6=-13。負(fù)值表明系統(tǒng)處于過(guò)約束狀態(tài)，要想使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)必須解除多余的約束。因點(diǎn)一線副只約束一個(gè)方向的自由度，所以解決過(guò)約束的辦法是采用點(diǎn)一線副取代部分旋轉(zhuǎn)副，將重復(fù)約束的自由度釋放出來(lái)。

1.3模型屬性

定義各運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1，靜摩擦因數(shù)為0.3。利用CATIA的測(cè)量功能將該系統(tǒng)各部件的質(zhì)量、繞x，y，Z軸的主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)提取出來(lái)，如表1所示。按提取的值，在ADAMS中修改部件的質(zhì)量屬性。

1.4氣彈簧力施加

對(duì)于安裝于原車(chē)鉸鏈上的氣彈簧，根據(jù)氣彈簧的實(shí)驗(yàn)剛度參數(shù)值(見(jiàn)表2），建立彈簧的作用力一長(zhǎng)度的Spline曲線，在氣彈簧兩端的作用點(diǎn)之間建立單分量的力載荷(SFORCE力），通過(guò)Spline曲線定義該力的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，使SFORCE力按照表2的數(shù)據(jù)變化，從而比較真實(shí)的模擬氣彈簧的作用效果。

2仿真及驗(yàn)證

根據(jù)手動(dòng)開(kāi)啟和電動(dòng)開(kāi)啟兩種模式，分別進(jìn)行仿真分析。分析模型中A處（見(jiàn)圖1）施加力，模擬手動(dòng)開(kāi)啟行李箱蓋的情況；在模型中B處（見(jiàn)圖1）施加力，模擬電動(dòng)開(kāi)啟行李箱蓋的情況。

在兩個(gè)分析中，分別將A處和B處（見(jiàn)圖1）的力值作為設(shè)計(jì)變量，使其從一個(gè)較小的初始值，以1N的增量逐漸變大，提取每次分析獲得的行李箱蓋的開(kāi)啟角度，當(dāng)開(kāi)啟角度大于、等于100。時(shí)認(rèn)為行李箱蓋是被完全打開(kāi)，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)分析獲得的行李箱完全開(kāi)啟時(shí)的狀態(tài)如圖3所示。

A處的施加的力等于72N時(shí)行李箱蓋開(kāi)啟角度一時(shí)間曲線如圖4所示。從圖4中可以看出：當(dāng)力矩大于72N時(shí)，行李箱蓋能夠完全開(kāi)啟，當(dāng)力小于該值時(shí)行李箱蓋只能部分開(kāi)啟，因此，手動(dòng)端開(kāi)啟（A處）施力不小于72N。同樣分析計(jì)算得到電動(dòng)端開(kāi)啟（A處）施力不小于630N。

為了對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分別在A處和B處使用推拉力計(jì)，測(cè)量了行李箱蓋開(kāi)啟力。實(shí)測(cè)A處開(kāi)啟約需68N的力，B處開(kāi)啟力約609N，實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果符合較好。

3機(jī)構(gòu)優(yōu)化

為進(jìn)一步分析驗(yàn)證行李箱電動(dòng)開(kāi)啟的扭矩，明確鉸鏈機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，使用扭力扳手分別測(cè)量了減速器輸出軸處、拉桿1與底座鉸接處（圖5中03軸）開(kāi)啟后備箱所需力矩，測(cè)量結(jié)果為：減速器輸出軸處開(kāi)啟扭矩最少需要59N．m，O3軸處開(kāi)啟扭矩最少需要75N．m，如表3所示。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，在減速器輸出軸處以及拉桿1與底座鉸接處開(kāi)啟行李箱蓋所需力矩都超過(guò)設(shè)計(jì)要求（減速器最大輸出扭矩為56N．m），因此，需要在分析的基礎(chǔ)上對(duì)鉸鏈系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低這兩處的開(kāi)啟力矩。

考慮到安裝空間和結(jié)構(gòu)布局的限制，優(yōu)化前后行李箱關(guān)閉狀態(tài)下鉸鏈機(jī)構(gòu)占據(jù)的空間不能增加；為不影響行李箱開(kāi)啟關(guān)閉狀態(tài)，優(yōu)化前后連桿的開(kāi)啟關(guān)閉位置不能改變；根據(jù)仿真對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行的初步力學(xué)分析，通過(guò)增加拉桿1的長(zhǎng)度，減少撐桿的長(zhǎng)度或改變支撐點(diǎn)的位置將降低開(kāi)啟力矩。根據(jù)前述基本要求，以1mm移動(dòng)量為步長(zhǎng)移動(dòng)01位置減小撐桿長(zhǎng)度，同時(shí)移動(dòng)03、04改變支撐點(diǎn)位置確保新四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和各桿件長(zhǎng)度符合要求。經(jīng)過(guò)多次移動(dòng)分析對(duì)比，將O1、03、04位置移動(dòng)到如圖5所示虛線位置，驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最小值。新位置值移動(dòng)參數(shù)如下：

（1）01：原O1孔（黑色）沿x軸負(fù)向平移15mm，再沿y軸正向平移7mm。

（2）O3：原O3（黑色）沿x軸負(fù)向平移6mm，再沿y軸正向平移7mm。

(3)04：沿原04孔（黑色）沿y軸負(fù)向平移11mm。

根據(jù)優(yōu)化后Ol、03、04位置修改鉸鏈系統(tǒng)，然后重新進(jìn)行分析，從仿真分析結(jié)果可以看出：優(yōu)化后減速器輸出軸處開(kāi)啟扭矩最少需28N．m，O3軸處開(kāi)啟扭矩最少需要51N．m。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的開(kāi)啟力矩已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化前后的開(kāi)啟力矩比較如表3所示。

4結(jié)論

本文采用Adams軟件分別對(duì)行李箱蓋手動(dòng)、電動(dòng)開(kāi)啟方式進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并計(jì)算出不同開(kāi)啟方式的開(kāi)啟力，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較接近，驗(yàn)證了分析的正確性。在此基礎(chǔ)上，基于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型對(duì)行李箱的鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減小了電動(dòng)開(kāi)啟力，較好地滿足了設(shè)計(jì)要求。