CN104182577A - 一种行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，包括如下步骤：在程序界面输入计算所需四连杆铰链参数；计算四连杆运动过程中的位置坐标、后盖瞬态转动中心、开启过程中气弹簧活动安装点坐标、开启过程中后盖重心坐标等；计算出行李箱盖在不同开启角度时的重力矩及气弹簧力矩；对不同布置方案的计算结果对比分析；选择合适布置方案。方便对不同布置位置的计算结果进行对比，选择最优方案。计算结果准确、快捷。

Description

一种行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法

技术领域

本发明涉及轿车铰链布置，具体涉及轿车行李箱盖采用气弹簧四连杆铰链时可实现参数化设计。

背景技术

目前轿车行李箱盖采用气弹簧四连杆铰链时，行李箱盖的瞬态转动中心、气弹簧力臂、重力力臂等主要依赖于catia做图法，结合不同位置下气弹簧力臂及重力力臂计算气弹簧力矩和重力力矩。当四连杆参数或气弹簧安装点位置或气弹簧力值改变时需要重新计算结果，较繁琐。

鉴于以上问题，如何在可行的布置空间内快速的选择最优方案是非常必要的，可以避免由于布置问题带来的后盖开启力大等缺陷及后期修模费用的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，在现有的常用计算程序中，只要输入相关参数就可自动计算出后盖不同开启角度时的重力矩及气弹簧力矩，当某一个或多个参数改变时，只要重新输入就可快速得到计算结果，方便多种方案的对比分析，选择最优布置方案。计算四连杆运动过程中的位置坐标、后盖瞬态转动中心、开启过程中气弹簧活动安装点坐标、开启过程中后盖重心坐标，从而计算出后盖不同开启位置时的重力矩及气弹簧力矩，具体技术方案如下：

一种行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，包括如下步骤：

(1)在程序界面输入计算所需四连杆铰链参数；

(2)计算四连杆运动过程中的位置坐标、后盖瞬态转动中心、开启过程中气弹簧活动安装点坐标、开启过程中后盖重心坐标等；

(3)计算出行李箱盖在不同开启角度时的重力矩及气弹簧力矩；

(4)对不同布置方案的计算结果对比分析；

(5)选择合适布置方案。

进一步地，步骤(1)中所述参数包括四连杆铰链四个点坐标、气弹簧安装点坐标、行李箱盖重心坐标及重量、气弹簧的力值。

进一步地，步骤(3)后还可绘出力矩曲线。

进一步地，步骤(4)中，程序设置了数据导出功能，可将不同开启角度的重力矩、气弹簧开启力矩、气弹簧关闭力矩、重力力臂、气弹簧力臂等输出到excel，在excel中对不同布置方案的计算结果对比分析。

进一步地，步骤(2)中具体包括如下步骤：

(2-1)计算该四连杆的极限运行位置；

(2-2)计算四连杆在开启过程中的位置；

(2-3)计算后盖在不同位置时的瞬态转动中心；

(2-4)计算气弹簧活动安装点在开启过程中的坐标；

(2-5)计算后盖重心在开启过程中的坐标；

(2-6)计算开启过程中气弹簧的力臂。

进一步地，步骤(3)和(4)之间还包括步骤：计算后盖开启角度。

与目前现有技术相比，本发明实现了气弹簧四连杆铰链布置的参数化设计，具体来说：输入四连杆的坐标参数、气弹簧安装点的坐标参数、气弹簧的F1、F2、F3、F4力值、后盖重心坐标参数及重量，就可自动计算出后盖各转角时的重力矩及气弹簧力矩，并可绘出力矩曲线；程序设置了数据导出功能，可以将计算数据导出到excel，方便对不同布置位置的计算结果进行对比，选择最优方案。计算结果准确、快捷。

附图说明

图1为本发明程序界面图

图2为最初气弹簧和四连杆的布置位置及计算结果图

图3为计算示意图

图4为对应在整车坐标下的位置图

图5为后盖最大开启位置图

图6为初始短连杆与X轴的夹角计算示意图

图7为计算示意图

图8为计算示意图

图9为计算示意图

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。

本发明在程序界面输入四连杆铰链四个点坐标、气弹簧安装点坐标、行李箱盖重心坐标及重量、气弹簧的力值等就可方便快捷的计算出行李箱盖在不同开启角度时的重力矩及气弹簧力矩，并可绘出力矩曲线；程序设置了数据导出功能，可将不同开启角度的重力矩、气弹簧开启力矩、气弹簧关闭力矩、重力力臂、气弹簧力臂等输出到excel，方便在excel中对不同布置方案的计算结果对比分析，选择最优的布置方案。该程序的界面如图1所示。

以奇瑞某款车型为例，最初气弹簧和四连杆的布置位置及计算结果如图2所示，从图2的计算结果可知，后盖开启瞬间理论需要施加的力矩(未考虑铰链自身的铆接阻力矩)为58.75-13.192＝45.558N.m，气弹簧的平衡点在行李箱盖开启23度左右。按该布置方案在小批量试制时出现了后盖开启力大问题，严重影响了舒适性。

后期整改时将气弹簧固定点Z向坐标下调了3mm，气弹簧活动点Z向坐标上调了3mm，其它参数未动，由图3的计算结果可知，后盖开启瞬间理论需要施加的力矩(未考虑铰链自身的铆接阻力矩)为58.75-21.753＝36.997N.m，气弹簧的平衡点在行李箱盖开启18度左右。从图2图3的计算结果可知，图3的布置方案优于图2布置方案，可降低开启力矩8.561N.m，后期按图3方案整改完成后行李箱盖开启力达到合资车水平。

可以看出，利用该软件可以很方便直观的对比出结果，可以在设计阶段就能判断出开启力的大小，避免了后期修模费用的浪费。

在一个优选实施例中，假设气弹簧四连杆的布置参数如下表所示(投影到XZ平面)：

对应在整车坐标下的位置如图4所示。

本发明的技术方案如下：

1、计算该四连杆的极限运行位置

从图5可以看出：当转动页板与长连杆在一条直线上时(即图5的后盖最大开启位置)，后盖达到最大开启角度。

记l₁₂为长连杆长度，l₂₃为转动页板长度，l₃₄为短连杆长度，l₁₄为固定页板长度，l₁₃为四连杆的点1与点3间距离。

以上长度可根据各点的坐标值利用距离公式求得。

由l₁₃、l₁₄、l₃₄可算得图5所示的α

cosα＝(l₁₄ ²+l₃₄ ²-l₁₃ ²)/(2*l₁₄*l₃₄)

由下式可算得图5所示的β

cosβ＝(l₁₄ ²+l₃₄ ²-(l₁₂-l₂₃)²)/(2*l₁₄*l₃₄)

(α-β)即为短连杆的最大转角

2、计算四连杆在开启过程中的位置(即计算点2'与点3'的位置坐标)如图6所示，由初始点3与点4的坐标，可以算出初始短连杆与X轴的夹角，记为θ，同理可求得初始长连杆与X轴的夹角γ。记X₃为点3的初始x坐标，Z₃为点3的初始z坐标；X_3’为点3'的x坐标，Z_3'为3'的z坐标；X₄为点4的x坐标，Z₄为点4的z坐标，其它同理。假设短连杆逆时针转过4度(步长可以任意，可为1度，2度，3度...),点3转到点3'，点2转到点2'。

X_3'、Z_3'的坐标可由下式求得：

X_3’＝X₄-l₃₄*cos(θ+4)

Z_3'＝Z₄+l₃₄*sin(θ+4)

点2'为两圆的交点之一，同时满足如下两方程：

(X_2’-X₁)²+(Z_2’-Z₁)²＝l₁₂ ²

(X_2’-X_3’)²+(Z_2’-Z_3')²＝l₂₃ ²

此方程组如果用消元法求解比较繁琐，且程序比较难实现。

本程序采用如下方法，假设点2逆时针转动微小角度到(2)',该微小角度可取值为0.001，则X_(2)’＝X₁-l₁₂*cos(γ+0.001)

Z_(2)'＝Z₁+l₁₂*sin(γ+0.001)

计算点(2)'到点3'的距离，如果距离与l₂₃在给定的误差范围，则(2)'即为2'的坐标。该算法可以很方便的利用循环及条件判断语句实现。

利用该算法可以求得给定步长(该程序为4度)下点2与点3的一系列坐标值，即四连杆在开启过程中的位置。

3、计算后盖在不同位置时的瞬态转动中心(以后盖关闭位置为例，其它类同)由机械原理可知，后盖的瞬态转动中心即为长连杆与短连杆的交点，由于长连杆与短连杆在开启过程中位置是变化的，所以后盖的转动中心也随之改变。

假设X_O、Z_O分别为瞬态转动中心O的x、z坐标,X_O与Z_O需同时满足如下两方程：

(Z_O-Z₄)/(X_O-X₄)＝(Z₃-Z₄)/(X₃-X₄)

(Z_O-Z₁)/(X_O-X₁)＝(Z₂-Z₁)/(X₂-X₁)

其中点1，点2，点3，点4的坐标都是已知的，利用消元法可求得交点坐标，但过程较繁琐，程序比较难实现。

本程序采用如下算法，以(X₄+10)到(X₄-500)为区间，以0.01为步长，当取定任意x值时，利用第一个方程可解得对应z值，将计算所得x与z值代入第二个方程，如果满足，即该x与z值即为瞬态转动中心O的坐标。该算法可以很方便的利用循环及条件判断语句实现。

4、计算气弹簧活动安装点在开启过程中的坐标

由图8所示，当四连杆铰链的点2与点3运动到2'与3'时，气弹簧活动点由位置1运动到位置2，记X_{气弹簧活动点位置2}与Z_{气弹簧活动点位置2}为气弹簧活动点位置2的x与z坐标。X_2'、Z_2'、X_3'、Z_3'由之前算法已求出，记l₂₅为气弹簧活动点位置1到点2的距离，l₃₅为气弹簧活动点位置1到点3的距离，它们可由初始坐标值算得。则

X_{气弹簧活动点位置2}与Z_{气弹簧活动点位置2}需要同时满足如下两圆方程：

(X_{气弹簧活动点位置2}-X_2')²+(Z_{气弹簧活动点位置2}-Z_2')²＝l₂₅ ²

(X_{气弹簧活动点位置2}-X_3')²+(Z_{气弹簧活动点位置2}-Z_3')²＝l₃₅ ²

此方程组如果用消元法求解比较繁琐，且程序比较难实现。

本程序采用如下算法，以Z_{气弹簧活动点位置1}到(Z_2'+l₂₅)为区间，以0.01为步长，当取任意z值时，通过上面的第一个方程可解得x值，将计算所得的x与z代入第二个方程，如果满足，即该x与z即为气弹簧活动点对应四连杆运动后的位置。利用该算法可求得气弹簧活动安装点的一系列坐标。

5、计算后盖重心在开启过程中的坐标

算法与4相同，不再赘述。

6、计算开启过程中气弹簧的力臂

由数学知识可知：设P(X₀，Y₀)，直线方程为AX+BY+C＝0，则点P到直线的距离公式为：d＝abs(AX₀+BY₀+C)/(A²+B²)^1/2

如图9所示，由气弹簧固定点及气弹簧活动点的坐标可列直线方程如下：

(Z-Z_{气弹簧固定点})/(X-X_{气弹簧固定点})＝k

其中k＝(Z_{气弹簧活动点}-Z_{气弹簧固定点})/(X_{气弹簧活动点}-X_{气弹簧固定点})

整理得直线方程为：kX-Z+Z_{气弹簧固定点}-kX_{气弹簧固定点}＝0

其中A＝k，B＝-1，C＝Z_{气弹簧固定点}-kX_{气弹簧固定点}

瞬态转动中心O已求得，记为X_{瞬态中心O}与Z_{瞬态中心O}，则力臂l为：

l＝abs(kX_{瞬态中心O}-Z_{瞬态中心O}+Z_{气弹簧固定点}-kX_{气弹簧固定点})/(k²+1)^1/2

利用该公式可方便求出在不同开启位置下气弹簧的力臂值。

7、计算开启过程中重力的力臂及重力矩

由3可得后盖的一系列瞬态转动中心，则重力的力臂L为：

L＝X_重心-X_{瞬态中心O}

重力矩M_重力矩＝mg*L

8、计算开启过程中气弹簧的力值及力矩

由4计算得到后盖开启过程中一系列气弹簧活动安装点的坐标，可算出对应的气弹簧长度，根据输入的F1，F2，F3，F4及L_min和L_max利用插值法可得到对应的气弹簧力值，然后和6对应的力臂l相乘即得气弹簧力矩。

9、计算后盖开启角度

四连杆处于初始位置时后盖的开启角度为O,根据点2与点3的初始坐标算得转动页板与X轴的夹角，当短连杆转过4度时，点2转动到2'，点3转动到3’,根据两者坐标算得此时的转动页板与X轴夹角，此夹角与初始夹角差即为此时后盖的开启角度。

根据上述步骤程序自动求得短连杆在转过4°、8°、12°...对应的后盖瞬态转动中心、气弹簧力臂、重力力臂、气弹簧力值、后盖开启角度等。

本发明技术方案避免了求解大量二元一次方程组、二元二次方程组，利用计算机强大的计算能力得到精度高的数值解。

利用该程序可方便快速得到计算结果。在设计阶段，可在布置空间内微调某些参数，对比计算结果，选择最优方案，减少由于初期布置问题引起后盖开启力大等缺陷及后期修模费用的浪费。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在程序界面输入计算所需四连杆铰链参数；

(2)计算四连杆运动过程中的位置坐标、后盖瞬态转动中心、开启过程中气弹簧活动安装点坐标、开启过程中后盖重心坐标等；

(3)计算出行李箱盖在不同开启角度时的重力矩及气弹簧力矩；

(4)对不同布置方案的计算结果对比分析；

(5)选择合适布置方案。

2.如权利要求1所述的行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述参数包括四连杆铰链四个点坐标、气弹簧安装点坐标、行李箱盖重心坐标及重量、气弹簧的力值。

3.如权利要求1或2所述的行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，其特征在于，步骤(3)后还可绘出力矩曲线。

4.如权利要求1-3种任一项所述的行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，其特征在于，步骤(4)中，程序设置了数据导出功能，可将不同开启角度的重力矩、气弹簧开启力矩、气弹簧关闭力矩、重力力臂、气弹簧力臂等输出到excel，在excel中对不同布置方案的计算结果对比分析。

5.如权利要求1-4种任一项所述的行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，其特征在于，步骤(2)中具体包括如下步骤：

(2-1)计算该四连杆的极限运行位置；

(2-2)计算四连杆在开启过程中的位置；

(2-3)计算后盖在不同位置时的瞬态转动中心；

(2-4)计算气弹簧活动安装点在开启过程中的坐标；

(2-5)计算后盖重心在开启过程中的坐标；

(2-6)计算开启过程中气弹簧的力臂。

6.如权利要求1-5种任一项所述的行李箱盖气弹簧四连杆铰链设计方法，其特征在于，步骤(3)和(4)之间还包括步骤：计算后盖开启角度。