CN110188510B - 一种背掀机构重力特性等效模拟方法 - Google Patents

一种背掀机构重力特性等效模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种背掀机构重力特性等效模拟方法，其特征在于：采用模拟装置对背掀机构的重力特性进行模拟；在模拟装置的总质量Gnorm不变的情况下，通过调整模拟装置的质心位置，使模拟装置的重力特性与被模拟背掀机构的重力特性等同。该等效模拟方法可真实反应背掀机构重力特性，节省成本和提高模拟装置的通用性，模拟效果精确度高。

Description

一种背掀机构重力特性等效模拟方法
技术领域
本发明涉及重力特性等效模拟技术领域，更具体地说，涉及一种背掀机构重力特性等效模拟方法。
背景技术
背掀机构是绝大多数乘用车尾门所使用的机械方案，在高层建筑窗户等机械结构中也有诸多使用，安全性关系重大，其支撑部件(如气弹簧撑杆、电动撑杆等、机械合页)设计的安全性必须要经过验证。模拟装置是实际验证中的必要试验设备。
乘用车等机电产品使用规模的增大，扩大了背掀机构支撑部件的市场需求，间接提高了对试验装置的技术要求。背掀机构支撑部件的研制已经成为逐渐成熟的产业链，并且需要不断的更新产品以提高其安全可靠性，进而对试验装置的合理性和精确度提出了更高的要求。
背掀机构重力特性是背掀机构支撑部件强度设计、可靠性分析的关键因素。试验装置必须能够模拟背掀机构真实的重力特性，才能用于准确考核相关零部件的安全可靠性。背掀机构特点决定了重力特性是由质量和质心位置这两方面共同作用而形成的。但是通常的模拟装置仅是模拟质量，并不能完全真实的模拟背掀机构重力特性。其次，仅通过改变模拟质量来进行不同重量的背掀机构重力模拟时，需要大量不同质量的配重块，并且配重块存在质量误差，因此难以具有准确的模拟效果。
发明内容
为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种背掀机构重力特性等效模拟方法。该等效模拟方法可真实反应背掀机构重力特性，节省成本和提高模拟装置的通用性，模拟效果精确度高。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种背掀机构重力特性等效模拟方法，其特征在于：采用模拟装置对背掀机构的重力特性进行模拟；在模拟装置的总质量Gnorm不变的情况下，通过调整模拟装置的质心位置，使模拟装置的重力特性与被模拟背掀机构的重力特性等同。
本发明等效模拟方法，综合考虑质量和质心位置两个因素来对背掀机构重力特性进行模拟，可真实反应背掀机构重力特性。同时，通过调整模拟装置的质心位置，可以在不改变模拟装置的总质量情况下模拟不同质量的背掀机构；因此不需要像传统方式那样需要更换模拟装置的配重块来达到不同质量的技术目的，本发明等效模拟方法的模拟效果精确度更高，不需要配备大量不同质量的配重块，可节省成本和提高模拟装置的通用性；当模拟装置用在试验装置时可更准确地模拟出背掀机构的重力特性，有利于提高试验结果的准确性。
优选地，包括如下步骤：
S1步，以被模拟背掀机构转动点为坐标系原点0，建立大地坐标系O-XZ和与被模拟背掀机构相对固定的坐标系O-UW；
S2步，获取被模拟背掀机构的特性参数：包括重量G，以及质心位置极坐标(r，θ0)或质心位置笛卡尔坐标(UG，WG)；
S3步，获取模拟装置的总质量Gnorm；计算模拟装置质心位置极坐标r′或笛卡尔坐标(U′G，W′G)；
S4步，根据质心位置极坐标r′，采用极坐标方式计算出配重及r坐标调整机构的质心坐标(r4，θ4)和θ坐标调整机构的质心坐标(r5，θ5)；
或者是根据质心位置笛卡尔坐标(U′G，W′G)，采用笛卡尔坐标方式计算出配重及W坐标调整机构的质心坐标(U4，W4)和U坐标调整机构的质心坐标(U5，W5)；
S5步，采用坐标(r4，θ4)和(r5，θ5)调整模拟装置中配重及r坐标调整机构的质心位置和θ坐标调整机构的质心位置，或者是采用坐标(U4，W4)和(U5，W5)调整模拟装置中配重及W坐标调整机构的质心位置和U坐标调整机构的质心位置；采用模拟装置对被模拟背掀机构的重力特性进行模拟。
本发明等效模拟方法的原理是：被模拟背掀机构的重力特性可以用背掀机构的重力G相对于转动点的力矩值来表示，记为M：M＝G*r*cos(θ+θ0)，其中，θ代表背掀机构的开度。后续通过使用固定的模拟装置的总质量Gnorm、保持参数θ0不变，调整模拟装置质心坐标达到等效重力特性的目的。
优选地，所述S3步中，计算模拟装置质心位置极坐标r′：
Gnorm*r′＝G*r；
计算模拟装置质心位置笛卡尔坐标(U′G，W′G)：
Figure BDA0002105911430000031
其中一种方案是：所述S4步中，根据质心位置极坐标r′，采用极坐标方式计算出配重及r坐标调整机构的质心坐标(r4，θ4)和θ坐标调整机构的质心坐标(r5，θ5)，是指包括如下分步骤：
A1步，获取模拟装置的特性参数：包括框架重量G3、框架质心位置坐标(r3，θ3)、配重及r坐标调整机构的重量G4、θ坐标调整机构的重量G5；
A2步，将配重及r坐标调整机构和θ坐标调整机构定义为调整体，计算调整体重量G45和质心坐标(r45，θ45)；
A3步，将配重及r坐标调整机构的质心坐标设定为(r4，θ4)；将θ坐标调整机构的质心坐标设定为(r5，θ5)；根据模拟装置结构获取常数坐标参数r4以及θ4-θ5的差值常数C1；
计算坐标参数θ4、r5、θ5：
Figure BDA0002105911430000032
优选地，所述A2步中，计算调整体重量G45：
G45＝G4+G5；
计算质心坐标(r45，θ45)：
Figure BDA0002105911430000033
另一种方案是：所述S4步中，根据质心位置笛卡尔坐标(U′G，W′G)，采用笛卡尔坐标方式计算出配重及W坐标调整机构的质心坐标(U4，W4)和U坐标调整机构的质心坐标(U5，W5)，是指包括如下分步骤：
B1步，获取模拟装置的特性参数：包括框架重量G3、框架质心位置坐标(U3，W3)、配重及W坐标调整机构的重量G4、U坐标调整机构的重量G5；
B2步，将配重及W坐标调整机构和U坐标调整机构定义为调整体，计算调整体重量G45和质心坐标(U45，W45)；
B3步，将配重及W坐标调整机构的质心坐标设定为(U4，W4)；将U坐标调整机构的质心坐标设定为(U5，W5)；根据模拟装置结构尺寸获取常数坐标参数W5以及U4-U5的差值常数C1；计算坐标参数U4、U5、W5：
Figure BDA0002105911430000041
优选地，所述B2步中，计算调整体重量G45：
G45＝G4+G5；
计算质心坐标(U45，W45)：
Figure BDA0002105911430000042
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
本发明等效模拟方法，综合考虑质量和质心位置两个因素来对背掀机构重力特性进行模拟，可真实反应背掀机构重力特性。同时，通过调整模拟装置的质心位置，可以在不改变模拟装置的总质量情况下模拟不同质量的背掀机构；因此不需要像传统方式那样需要更换模拟装置的配重块来达到不同质量的技术目的，本发明等效模拟方法的模拟效果精确度更高，不需要配备大量不同质量的配重块，可节省成本和提高模拟装置的通用性；当模拟装置用在试验装置时可更准确地模拟出背掀机构的重力特性，有利于提高试验结果的准确性。
附图说明
图1是本发明等效模拟方法的坐标系定义示意图；
图2是本发明等效模拟方法在极坐标系下的等效设计方案的示意图；
图3是本发明等效模拟方法的总流程图；
图4是本发明等效模拟方法中极坐标方式调整方案流程图；
图5是本发明等效模拟方法在笛卡尔坐标系下的等效设计方案的示意图；
图6是本发明等效模拟方法中笛卡尔坐标系方式调整方案流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例一
本实施例一种背掀机构重力特性等效模拟方法，采用模拟装置对背掀机构的重力特性进行模拟；在模拟装置的总质量Gnorm不变的情况下，通过调整模拟装置的质心位置，使模拟装置的重力特性与被模拟背掀机构的重力特性等同。
本发明等效模拟方法，综合考虑质量和质心位置两个因素来对背掀机构重力特性进行模拟，可真实反应背掀机构重力特性。同时，通过调整模拟装置的质心位置，可以在不改变模拟装置的总质量情况下模拟不同质量的背掀机构；因此不需要像传统方式那样需要更换模拟装置的配重块来达到不同质量的技术目的，本发明等效模拟方法的模拟效果精确度更高，不需要配备大量不同质量的配重块，可节省成本和提高模拟装置的通用性；当模拟装置用在试验装置时可更准确地模拟出背掀机构的重力特性，有利于提高试验结果的准确性。
本实施例等效模拟方法适用于有如下特点的背掀式机构：背掀机构通过一个或多个、同轴排列的转动铰链与基座连接；背掀机构停放在平地上时，铰链的旋转轴平行于地面；背掀机构通过可伸缩支撑机构同基座连接；背掀机构和支撑机构使用球头副连接。一般情况下，支撑机构是成对使用的，并且所有球头连接副中心点的位于同一直线上，并且这条直线与铰链的旋转轴线是相互平行但不共线的。支撑机构主动伸缩时，背掀机构围绕铰链旋转，进而实现背掀机构的开关动作；背掀机构在外力(如手动操作)作用下发生打开关闭动作时，围绕铰链旋转，同时支撑机构被动伸缩。
本实施例等效模拟方法的坐标系按照图1定义。由于重力方向始终是处在某个竖直平面内的，所以建立二维坐标系用于计算分析。定义大地坐标系为O-XZ，定义与背掀机构相对固定的坐标系O-UW。坐标系O-UW和O-XZ建立方法如下：
以所述铰链102所处位置为坐标系原点O。坐标系O-UW和O-XZ的原点位置相同；
所述坐标系O-UW相对于所述坐标系O-XZ的转角记为θ0，表示背掀机构与大地之间的相对角度；
所述球头副105形心处在坐标系U轴的正半轴上；
背掀机构质心相对于坐标系O-UW的位置记为极坐标(r,θ0)，或记为笛卡尔坐标(UG,WG)。
在模拟装置设计中，针对任一型号的实际背掀机构，按照以下步骤制定重力特性的等效模拟方案：
通过测量或者三维设计方案获取真实背掀机构参数G、r和θ0；
根据背掀机构模拟装置的材料、尺寸、外观等因素，设置一个重量值Gnorm；
根据上面的公式，计算背掀机构模拟装置质心的位置坐标r′；
最终得到能够模拟背掀机构重力特性的等效方案的参数Gnorm、r′和θ0。
当需要模拟新型号的背掀机构时，只需要按照上述步骤，采用新背掀机构的参数θ0、保持Gnorm不变、重新计算r′，即可实现新背掀机构的重力特性的模拟。
极坐标系下的等效设计方案的机构简图，如图2所示。模拟装置由背掀机构铰链302、框架303、配重及r坐标调整机构304、θ坐标调整机构305组成。
本实施例等效模拟方法的流程如图3和图4所示，包括如下步骤：
S1步，以被模拟背掀机构转动点为坐标系原点O，建立大地坐标系O-XZ和与被模拟背掀机构相对固定的坐标系0-UW；
S2步，获取被模拟背掀机构的特性参数：包括重量G，以及质心位置极坐标(r，θ0)或质心位置笛卡尔坐标(UG，WG)；
S3步，获取模拟装置的总质量Gnorm；计算模拟装置质心位置极坐标r′：
Gnorm*r′＝G*r；
S4步，根据质心位置极坐标r′，采用极坐标方式计算出配重及r坐标调整机构的质心坐标(r4，θ4)和θ坐标调整机构的质心坐标(r5，θ5)；
具体地说，包括如下分步骤：
A1步，获取模拟装置的特性参数：包括框架重量G3、框架质心位置坐标(r3，θ3)、配重及r坐标调整机构的重量G4、θ坐标调整机构的重量G5；
A2步，将配重及r坐标调整机构和θ坐标调整机构定义为调整体，计算调整体重量G45和质心坐标(r45，θ45)；
G45＝G4+G5；
Figure BDA0002105911430000061
A3步，将配重及r坐标调整机构的质心坐标设定为(r4，θ4)；将θ坐标调整机构的质心坐标设定为(r5，θ5)；根据模拟装置结构，通过测量或者三维设计方案获取常数坐标参数r4以及θ4-θ5的差值常数C1；
计算坐标参数θ4、r5、θ5：
Figure BDA0002105911430000071
S5步，采用坐标(r4，θ4)和(r5，θ5)调整模拟装置中配重及r坐标调整机构的质心位置和θ坐标调整机构的质心位置；采用模拟装置对被模拟背掀机构的重力特性进行模拟。
实施例二
本实施例一种背掀机构重力特性等效模拟方法，与实施例一的区别在于：本实施例是采用笛卡尔坐标方式进行计算。
笛卡尔坐标下的等效设计方案的机构简图，如图5所示。模拟装置由背掀机构铰链402、框架403、配重及W坐标调整机构404、U坐标调整机构405组成。
本实施例等效模拟方法的流程如图6所示，包括如下步骤：
S1步，以被模拟背掀机构转动点为坐标系原点O，建立大地坐标系O-XZ和与被模拟背掀机构相对固定的坐标系O-UW；
S2步，获取被模拟背掀机构的特性参数：包括重量G，以及质心位置极坐标(r，θ0)或质心位置笛卡尔坐标(UG，WG)；
S3步，获取模拟装置的总质量Gnorm；计算模拟装置质心位置笛卡尔坐标(U′G，W′G)：
Figure BDA0002105911430000072
S4步，根据质心位置笛卡尔坐标(U′G，W′G)，采用笛卡尔坐标方式计算出配重及W坐标调整机构的质心坐标(U4，W4)和U坐标调整机构的质心坐标(U5，W5)；
具体地说，包括如下分步骤：
B1步，获取模拟装置的特性参数：包括框架重量G3、框架质心位置坐标(U3，W3)、配重及W坐标调整机构的重量G4、U坐标调整机构的重量G5；
B2步，将配重及W坐标调整机构和U坐标调整机构定义为调整体，计算调整体重量G45和质心坐标(U45，W45)：
G45＝G4+G5；
Figure BDA0002105911430000081
B3步，将配重及W坐标调整机构的质心坐标设定为(U4，W4)；将U坐标调整机构的质心坐标设定为(U5，W5)；根据模拟装置结构尺寸通过测量或者三维设计方案获取常数坐标参数W5以及U4-U5的差值常数C1；计算坐标参数U4、U5、W5：
Figure BDA0002105911430000082
S5步，采用坐标(U4，W4)和(U5，W5)调整模拟装置中配重及W坐标调整机构的质心位置和U坐标调整机构的质心位置；采用模拟装置对被模拟背掀机构的重力特性进行模拟。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种背掀机构重力特性等效模拟方法，其特征在于：采用模拟装置对背掀机构的重力特性进行模拟；在模拟装置的总质量Gnorm不变的情况下，通过调整模拟装置的质心位置，使模拟装置的重力特性与被模拟背掀机构的重力特性等同；
所述背掀机构重力特性等效模拟方法包括如下步骤：
S1步，以被模拟背掀机构转动点为坐标系原点0，建立大地坐标系0-XZ和与被模拟背掀机构相对固定的坐标系O-UW；
S2步，获取被模拟背掀机构的特性参数：包括重量G，以及质心位置极坐标(r，θ0)或质心位置笛卡尔坐标(UG，WG)；
S3步，获取模拟装置的总质量Gnorm；计算模拟装置质心位置极坐标r′或笛卡尔坐标(U′G，W′G)；
计算模拟装置质心位置极坐标r′为：
Gnorm*r′＝G*r；
计算模拟装置质心位置笛卡尔坐标(U′G，W′G)为：
Figure FDA0004065108870000011
S4步，根据质心位置极坐标r′，采用极坐标方式计算出配重及r坐标调整机构的质心坐标(r4，θ4)和θ坐标调整机构的质心坐标(r5，θ5)；
或者是根据质心位置笛卡尔坐标(U′G，W′G)，采用笛卡尔坐标方式计算出配重及W坐标调整机构的质心坐标(U4，W4)和U坐标调整机构的质心坐标(U5，W5)；
S5步，采用坐标(r4，θ4)和(r5，θ5)调整模拟装置中配重及r坐标调整机构的质心位置和θ坐标调整机构的质心位置，或者是采用坐标(U4，W4)和(U5，W5)调整模拟装置中配重及W坐标调整机构的质心位置和U坐标调整机构的质心位置；采用模拟装置对被模拟背掀机构的重力特性进行模拟；
所述S4步中，根据质心位置极坐标r′，采用极坐标方式计算出配重及r坐标调整机构的质心坐标(r4，θ4)和θ坐标调整机构的质心坐标(r5，θ5)，是指包括如下分步骤：
A1步，获取模拟装置的特性参数：包括框架重量G3、框架质心位置坐标(r3，θ3)、配重及r坐标调整机构的重量G4、θ坐标调整机构的重量G5；
A2步，将配重及r坐标调整机构和θ坐标调整机构定义为调整体，计算调整体重量G45和质心坐标(r45，θ45)；
调整体重量G45为：
G45＝G4+G5；
质心坐标(r45，θ45)为：
Figure FDA0004065108870000021
A3步，将配重及r坐标调整机构的质心坐标设定为(r4，θ4)；将θ坐标调整机构的质心坐标设定为(r5，θ5)；根据模拟装置结构获取常数坐标参数r4以及θ4-θ5的差值常数C1，计算坐标参数θ4、r5、θ5；
所述S4步中，根据质心位置笛卡尔坐标(U′G，W′G)，采用笛卡尔坐标方式计算出配重及W坐标调整机构的质心坐标(U4，W4)和U坐标调整机构的质心坐标(U5，W5)，是指包括如下分步骤：
B1步，获取模拟装置的特性参数：包括框架重量G3、框架质心位置坐标(U3，W3)、配重及W坐标调整机构的重量G4、U坐标调整机构的重量G5；
B2步，将配重及W坐标调整机构和U坐标调整机构定义为调整体，计算调整体重量G45和质心坐标(U45，W45)；
调整体重量G45为：
G45＝G4+G5；
质心坐标(U45，W45)为：
Figure FDA0004065108870000022
B3步，将配重及W坐标调整机构的质心坐标设定为(U4，W4)；将U坐标调整机构的质心坐标设定为(U5，W5)；根据模拟装置结构尺寸获取常数坐标参数W5以及U4-U5的差值常数C1，计算坐标参数U4、U5、W5。
2.根据权利要求1所述的背掀机构重力特性等效模拟方法，其特征在于：所述A3步，计算坐标参数θ4、r5、θ5：
Figure FDA0004065108870000023
3.根据权利要求1所述的背掀机构重力特性等效模拟方法，其特征在于：所述B3步，计算坐标参数U4、U5、W5：
Figure FDA0004065108870000031
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