CN110704941A - 一种汽车背门气弹簧布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车背门气弹簧布置方法，包括在CATIA环境中执行的以下步骤：步骤S1：输入参数；步骤S2：建立气弹簧长度计算模型，基于输入参数，得到任意开启角度下的气弹簧长度；步骤S3：建立平衡力计算模型，基于任意开启角度下的气弹簧长度，得到最大开启角度下的平衡力力值；步骤S4：基于最大开启角度下的平衡力力值得到公称力；步骤S5：基于公称力，得到任意开启角度下的气弹簧力值；步骤S6：基于任意开启角度下的气弹簧力值，得到开门力和关门力，继而进行气弹簧布置。与现有技术相比，可直观显示气弹簧布置，并同时进行开、关门力计算，方便确认气弹簧与周边件的相对关系，有利于工程师使用。

Description

一种汽车背门气弹簧布置方法

技术领域

本发明涉及汽车制造技术领域，尤其是涉及一种汽车背门气弹簧布置方法。

背景技术

气弹簧是一种具有支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的工业配件。它由压力缸、活塞杆、活塞、填充物(惰性气体或者油气混合物)、缸内控制元件与缸外控制元件(指可控气弹簧)和接头等构成。其工作原理是在密闭的压力缸内充入惰性气体或者油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用由活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积产生的压力差实现活塞杆的运动。由于工作原理的不同，与普通弹簧相比，气弹簧具有速度相对缓慢、动态力变化较小、容易控制等优点。

一般汽车背门气弹簧的布置方法大多是将背门的详细信息输出到气弹簧供应商，由供应商计算并反馈包括开关门力在内的气弹簧性能及位置信息。工程师再根据收到的信息结合主机厂本身要求确认是否可行，如此反复多次最后确认气弹簧布置信息，主机厂最关心的是气弹簧布置的开门力和关门力。

供应商反馈的为不可编辑的表格，需要多次反复的交换信息，效率不高。纵使部分工程师也有本身主机厂的Excel版计算表格，excel版表格编制起来公式繁杂，不够直观，且一般计算结果与供应商存在差别，工程师也偏向直接由供应商输出布置信息以保证正确性，整个过程反复性高，效率低。

因此，目前缺乏能够同时直观显示气弹簧布置并进行开、关门力计算的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种汽车背门气弹簧布置方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种汽车背门气弹簧布置方法，该方法包括在CATIA环境中执行的以下步骤：

步骤S1：获得输入参数；

步骤S2：建立气弹簧长度计算模型，基于输入参数，得到任意开启角度下的气弹簧长度；

步骤S3：建立平衡力计算模型，基于任意开启角度下的气弹簧长度，得到最大开启角度下的平衡力力值；

步骤S4：基于最大开启角度下的平衡力力值得到公称力；

步骤S5：基于公称力，得到任意开启角度下的气弹簧力值；

步骤S6：基于任意开启角度下的气弹簧力值，得到开门力和关门力；

步骤S7：检测开门力和关门力是否符合人体客观用力力值，若是，则按照输入参数布置气弹簧；若否，改变输入参数值，重复步骤S2-S7，或改变公称力，重复步骤S5-S7。

该方法还包括显示当前输入参数下气弹簧布置示意图。

所述的输入参数包括铰链点坐标、上安装点坐标、下安装点坐标、重心坐标、开门点坐标、关门点坐标、背门质量、背门最大开度、背门任意开度、缸筒直径、缸筒长度和活塞杆直径。

所述的气弹簧长度计算模型包括以下步骤：

步骤S21：设定气弹簧开启角度θ；

步骤S22：气弹簧开启角度为θ时气弹簧长度为：

其中，X₁为铰链轴的X向坐标，X₂为上安装点的X向坐标，X₃为下安装点的X向坐标，Y₂为上安装点的Y向坐标，Y₃为下安装点的Y向坐标，Z₁为铰链轴的Z向坐标，Z₂为上安装点的Z向坐标，Z₃为下安装点的Z向坐标。

所述的平衡力力值为：

平衡力力值＝背门重力×重力力臂/(N×气弹簧力臂)

其中，N为气弹簧个数。

所述的气弹簧力臂为：

气弹簧力臂＝

其中，X₁为铰链轴的X向坐标，X₂为上安装点的X向坐标，X₃为下安装点的X向坐标，Y₂为上安装点的Y向坐标，Y₃为下安装点的Y向坐标，Z₁为铰链轴的Z向坐标，Z₂为上安装点的Z向坐标，Z₃为下安装点的Z向坐标。

所述的公称力大于最大开启角度下的平衡力力值。

所述的任意开启角度下的气弹簧力值F’为：

F’＝F×D²l/(D²l-d²s)

其中，F＝pπd²/4，p为充气压强，d为气弹簧活塞杆直径，s为气弹簧实时行程，D为气弹簧缸筒直径，l为缸筒长度，F为公称力。

所述的开门力F_o为：

F_o＝(Mg×重力力臂-2F_分×气弹簧力臂)/开门力力臂

其中F_分为任意开启角度下的气弹簧力值在垂直于Y轴线的平面分力，开门力力臂为任意位置的开门点Q到铰链坐标(X₁,Y₁,Z₁)的距离。

所述的关门力F_c为：

F_c＝(Mg×重力力臂-2F’_分×气弹簧力臂)/关门力力臂

其中F’_分为任意开启角度下的气弹簧力和摩擦力在垂直于Y轴线的平面分力，关门力力臂为任意位置的关门点C到铰链坐标(X₁,Y₁,Z₁)的距离。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)利用弹簧长度计算和平衡力计算等模型，计算开、关门力准确度高。

(2)该方法可直观显示气弹簧布置，并同时进行开、关门力计算，方便确认气弹簧与周边件的相对关系，有利于工程师使用。

(3)需要调整参数时，直接在CATIA软件中进行调整，方便快捷。

(4)CATIA能够在输入参数确定的情况下利用草图或者测量命令直接得到距离类参数，可以省去人工计算，减少错误的风险。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的输入参数；

图3为本发明的气弹簧布置简化模型图；

图4为本发明的气弹簧圆柱体示意图；

图5为本发明的输出参数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例提供一种汽车背门气弹簧布置方法，既可以直观显示当前参数下气弹簧布置的空间示意图，又可以计算并检验主机厂关心的开门力和关门力是否符合人体客观用力力值，从而给出合理的汽车背门气弹簧布置。图1为本实施例流程图。

本实施例在CATIA环境中进行，利用CATIA的Knowledgeware模块。

一、输入参数

输入参数包括铰链点坐标、上安装点坐标、下安装点坐标、重心坐标、开门点坐标、关门点坐标、背门质量、背门最大开度、背门任意开度、缸筒直径、缸筒长度和活塞杆直径，计算得到的开门力和关门力若不符合要求，需要重新调整输入参数使开门力和关门力符合人体客观用力力值。图2为本实施例在CATIA中输入参数值。

在CATIA的Knowledgeware模块使用Add Set of Parameters命令增加上述背门质量和关门点坐标等参数。用Formula命令添加背门最大开度和背门任意开度等角度参数。

一般SUV车型背门气弹簧布置方式为上安装点在车身上，下安装点在背门上，简化模型如图3。

其中，O：铰链轴心；A：气弹簧上安装点；B：关闭状态时气弹簧下安装点；C：开启状态时气弹簧下安装点；E：背门重心；F：气弹簧力。

根据输入参数，可以直观看到压缩状态下的气弹簧圆柱体。如图4所示。

二、计算

步骤1：建立气弹簧长度计算模型，基于输入参数，得到任意开启角度下的气弹簧长度；

气弹簧开启任意角度θ，开启后的下安装点坐标(X₃’,Y₃’,Z₃’)，则：

X'₃＝(X₃-X₁)cosθ-(Z₃-Z₁)sinθ+X₁

Z'₃＝(X₃-X₁)sinθ-(Z₃-Z₁)cosθ+Z₁

铰链轴线垂直于Y轴，所以Y₃’＝Y₃。

其中，X₁为铰链轴的X向坐标，X₂为上安装点的X向坐标，X₃为下安装点的X向坐标，Y₂为上安装点的Y向坐标，Y₃为下安装点的Y向坐标，Z₁为铰链轴的Z向坐标，Z₂为上安装点的Z向坐标，Z₃为下安装点的Z向坐标。

利用CATIA能够在输入参数确定的情况下利用草图或者测量命令直接得到距离类参数。再利用Formula命令可将草图中的测量长度关联到外部公式。

步骤2：建立平衡力计算模型，基于任意开启角度下的气弹簧长度，得到最大开启角度下的平衡力力值；

平衡力力值＝背门重力×重力力臂/(N×气弹簧力臂)

其中，N为气弹簧个数，背门重力和重力力臂由输入的背门质量、重心坐标等得出，气弹簧力臂由气弹簧长度得出，公式为：

步骤3：基于最大开启角度下的平衡力力值得到公称力，公称力大于最大开启角度下的平衡力力值；

步骤4：基于公称力，得到任意开启角度下的气弹簧力值：

气弹簧运动过程遵循气体状态方程-波意尔定律P₁V₁＝P₂V₂，其中，P₁、P2为不同状态的气体压强，V₁、V2为气体体积。

不考虑摩擦力，设气弹簧力F，活塞杆面积差S₁-S₂，充气压强p，大气压p₀，则：

F＝p(S₁-S₂)-p₀π(d/2)²＝(p-p₀)πd²/4

一般气弹簧充入的氮气量60-80个大气压，气弹簧力远大于大气压力，故可省略p₀。则F＝pπd²/4

结合P₁V₁＝P₂V₂和F＝pπd²/4两个公式，则：任意开启角度下的气弹簧力：

F’＝F×D²l/(D²l-d²s)

其中，d为活塞杆直径，s为气弹簧实时行程，D为气弹簧缸筒直径，l为缸筒长度，F为公称力。

步骤5：基于任意开启角度下的气弹簧力值，得到开门力和关门力；

开门力F_o为：

F_o＝(Mg×重力力臂-2F_分×气弹簧力臂)/开门力力臂

其中F_分为任意开启角度下的气弹簧力值在垂直于Y轴线的平面分力，开门力力臂为任意位置的开门点Q到铰链坐标(X₁,Y₁,Z₁)的距离。

关门力F_c为：

F_c＝(Mg×重力力臂-2F’_分×气弹簧力臂)/关门力力臂

其中F’_分为任意开启角度下的气弹簧力和摩擦力在垂直于Y轴线的平面分力，关门力力臂为任意位置的关门点C到铰链坐标(X₁,Y₁,Z₁)的距离。

步骤6：显示当前输入参数下气弹簧布置示意图，并检测开门力和关门力是否符合人体客观用力力值，若是；则按照输入参数布置气弹簧；若否，改变输入参数值，重复步骤1-6，或改变公称力，重复步骤4-6。

以上公式可由外部创建好后关联至CATIA。

三、输出参数

输出参数一般包括：背门重力，背门重力臂，气弹簧长度，气弹簧力臂，平衡力，20℃气弹簧力值，20℃背门开门力，20℃背门关门力。

主机厂对于开关门力值看的比较重，会定义开关门力目标值，该目标值必须符合人体客观用力力值，整个气弹簧布置过程就是在气弹簧与周边系统相对位置关系正确的情况下满足开门门力目标。图5为CATIA输出。

最后，气弹簧一般呈外八字形布置且气弹簧行程也有限制条件，所以需要check命令检查，如两倍最大行程+90mm须小于等于气弹簧最大长度。当行程不满足要求时，对输入参数进行修改。

Claims (10)

1.一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，该方法包括在CATIA环境中执行的以下步骤：

步骤S1：获得输入参数；

步骤S2：建立气弹簧长度计算模型，基于输入参数，得到任意开启角度下的气弹簧长度；

步骤S3：建立平衡力计算模型，基于任意开启角度下的气弹簧长度，得到最大开启角度下的平衡力力值；

步骤S4：基于最大开启角度下的平衡力力值得到公称力；

步骤S5：基于公称力，得到任意开启角度下的气弹簧力值；

步骤S6：基于任意开启角度下的气弹簧力值，得到开门力和关门力；

步骤S7：检测开门力和关门力是否符合人体客观用力力值，若是，则按照输入参数布置气弹簧；若否，改变输入参数值，重复步骤S2-S7，或改变公称力，重复步骤S5-S7。

2.根据权利要求1所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，该方法还包括显示当前输入参数下气弹簧布置示意图。

3.根据权利要求1所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，所述的输入参数包括铰链点坐标、上安装点坐标、下安装点坐标、重心坐标、开门点坐标、关门点坐标、背门质量、背门最大开度、背门任意开度、缸筒直径、缸筒长度和活塞杆直径。

4.根据权利要求1所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，所述的气弹簧长度计算模型包括以下步骤：

步骤S21：设定气弹簧开启角度θ；

步骤S22：气弹簧开启角度为θ时气弹簧长度为：

其中，X₁为铰链轴的X向坐标，X₂为上安装点的X向坐标，X₃为下安装点的X向坐标，Y₂为上安装点的Y向坐标，Y₃为下安装点的Y向坐标，Z₁为铰链轴的Z向坐标，Z₂为上安装点的Z向坐标，Z₃为下安装点的Z向坐标。

5.根据权利要求1所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，所述的平衡力力值为：

平衡力力值＝背门重力×重力力臂/(N×气弹簧力臂)

其中，N为气弹簧个数。

6.根据权利要求5所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，所述的气弹簧力臂为：

其中，X₁为铰链轴的X向坐标，X₂为上安装点的X向坐标，X₃为下安装点的X向坐标，Y₂为上安装点的Y向坐标，Y₃为下安装点的Y向坐标，Z₁为铰链轴的Z向坐标，Z₂为上安装点的Z向坐标，Z₃为下安装点的Z向坐标。

7.根据权利要求1所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，所述的公称力大于最大开启角度下的平衡力力值。

8.根据权利要求1所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，所述的任意开启角度下的气弹簧力值F’为：

F’＝F×D²l/(D²l-d²s)

其中，F＝pπd²/4，p为充气压强，d为气弹簧活塞杆直径，s为气弹簧实时行程，D为气弹簧缸筒直径，l为缸筒长度，F为公称力。

9.根据权利要求8所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，所述的开门力F_o为：

F_o＝(Mg×重力力臂-2F_分×气弹簧力臂)/开门力力臂

其中F_分为任意开启角度下的气弹簧力值在垂直于Y轴线的平面分力，开门力力臂为任意位置的开门点Q到铰链坐标(X₁,Y₁,Z₁)的距离。

10.根据权利要求8所述的一种汽车背门气弹簧布置方法，其特征在于，所述的关门力F_c为：

F_c＝(Mg×重力力臂-2F’_分×气弹簧力臂)/关门力力臂

其中F’_分为任意开启角度下的气弹簧力和摩擦力在垂直于Y轴线的平面分力，关门力力臂为任意位置的关门点C到铰链坐标(X₁,Y₁,Z₁)的距离。

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