CN112989498B - 四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法 - Google Patents

四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法 Download PDF

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CN112989498B CN202110433657.7A CN202110433657A CN112989498B CN 112989498 B CN112989498 B CN 112989498B CN 202110433657 A CN202110433657 A CN 202110433657A CN 112989498 B CN112989498 B CN 112989498B
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Abstract

本发明涉及一种四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，包括以下步骤：建立一个自定义坐标系，使得连杆的四个铰链节点J1、J2、J3、J4坐标落入自定义坐标系中；由四个铰链节点的坐标以及四个铰链节点连线所形成的多个三角形之间的边角关系求出连杆瞬心O点的轨迹方程、尾门重心G点的轨迹方程、重力力矩的轨迹方程式、重力力臂长度
Figure 622479DEST_PATH_IMAGE001
的方程式、电撑杆力臂长度
Figure 805198DEST_PATH_IMAGE002
的方程式，从而求出电撑杆输出力大小并将重要节点以及轨迹方程式输入Excel中。本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法。

Description

四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法
技术领域
本发明涉及汽车制造领域，尤其涉及四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法。
背景技术
随着居民收入水平的提高，我国普通消费者的汽车购买力在逐步增强。从近年来汽车销售市场的反馈来看，豪华品牌则能实现逆势增长，这也表现出消费者在汽车消费需求上有升级的态势，正逐步从低端同质化产品转向中高端个性化产品，汽车相关零件的升级也在不断进行中。
例如汽车尾门的开关也由以往的手动优化升级为电动。然而现有电动尾门的设计初期都是通过CAD软件来绘制图形导出关键参数的坐标轨迹线至Excel，而该方法无法得到其轨迹方程；此外通过CAD绘图输出关键点的轨迹线效率低下，若数据变动则需要修正CAD参数重新输出，绘制修正过程繁琐，增加工作量以及工作时间。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，包括以下步骤：
s1：建立一个自定义坐标系，使得连杆的四个铰链节点J1、J2、J3、J4坐标落入自定义坐标系中；
s2：由四个铰链节点的坐标以及四个铰链节点连线所形成的多个三角形之间的边角关系求出连杆瞬心O点的轨迹方程；
s3：根据步骤s2的求解，计算出尾门重心G点的轨迹方程式；
s4：根据步骤s2和步骤s3，求出重力力矩的轨迹方程式和重力臂长度
Figure 440838DEST_PATH_IMAGE001
的方程式；
s5：根据步骤s2和步骤s3，求出电撑杆力臂长度
Figure 561241DEST_PATH_IMAGE002
的方程式和电撑杆安装角度C的关系式；
s6：根据电撑杆输出力公式
Figure 127981DEST_PATH_IMAGE003
，求出电撑杆输出力的大小；
s7：将s1至s6中的方程式和关系式导入Excel。
更优地，所述步骤s2中连杆瞬心O点的轨迹方程的具体求解步骤为：
s21：根据四个铰链节点J1、J2、J3、J4初始位置坐标获得L1、L2、L3、L4的固定长以及A1的初始角度；
其中，L1为两个铰链节点J1和J2之间的连杆长，L2为两个铰链节点J2和J3之间的连杆长，L3为两个铰链节点J3和J4之间的连杆长，L4为两个铰链节点J1和J4之间的连杆长，A1为L1与L4之间的夹角；
s22：将s21中的数据结合余弦定理解出A2、A3、A4分别与A1之间的关系方程式；
其中，A2为L1与L2之间的夹角，A3为L2与L3之间的夹角，A4为L3与L4之间的夹角；
s23：根据s22求得L1在自定义坐标中的直线方程为
Zo-Z1=k1*（Xo-X1）
其中，（Xo，Zo）为连杆瞬心O点坐标，（X1，Z1）为固定点J1的坐标，k1为L1的斜率，由于L1与自定义坐标系夹角已知，故而L1斜率k1也已知；
L3在自定义坐标中的直线方程为
Zo-Z4=k3*（Xo-X4）
其中，令固定点J4坐标为（X4，Z4），已知A1与A3关系，故而L3所在直线方程斜率k3也已知；
s24：由s23中L1和L3的直线方程解出连杆瞬心O点的轨迹方程
Xo=-（K1*X1+K3*X4）/（Z1+Z4）
Zo=（K1*K3*（X4-X1）+Z1*K3-Z4*K1）/（K3-K1）
坐标（Xo，Zo）即为连杆瞬心O点坐标。
更优地，所述步骤s3中尾门重心G点的轨迹方程式的具体求解步骤为：
s31：已知A1与A4的关系，已知J2（X2，Z2）和J3（X3，Z3）初始坐标，求出
X2=L1*cos（A1），Z2=L1*sin（A1）
X3=L3*cos（A4），Z3=L3*sin（A4）；
s32：根据步骤s31中的两组方程解得J2（X2，Z2）和J3（X3，Z3）的轨迹方程；
s33：根据步骤s31中的两组方程解得L2在自定义坐标中的直线方程和尾门开启角度A0的方程式
（Z-Z2）/（X-X2）=（Z-Z3）/（X-X3）
A0=artan[（Z2-Z3）/（X2-X3）]；
s34：已知L2在自定义坐标中的直线方程、J2和尾门重心G点坐标初始位置，求得尾门重心G点的轨迹方程
Xg=Lm*cos（A0+Ag2）+X2
Zg=Lm*sin（A0+Ag2）+Z2；
其中，Lm为尾门中心G点和J2点连线，Ag2为Lm与L2之间形成的夹角，已知尾门中心G（Xg，Zg），J2（X2，Z2）点的初始坐标，故而Ag2和距离Lm也是已知且固定不变，建立动态子坐标系原点永远在J2轨迹运动，X、Y轴平行车身坐标则可得尾门重心G点的轨迹方程。
更优地，同所述尾门重心G点的轨迹方程的求解方法，求出电撑杆尾门安装点A的轨迹方程式
Xa=La*cos（A0+ Ag2）+X2
Za=La*sin（A0+ Ag2）+Z2
其中La为A与J2之间的距离。
更优地，所述尾门重心G点坐标初始位置为尾门全关闭状态下的重心坐标。
更优地，所述步骤s4中重力力矩的轨迹方程式具体求解步骤为：
s41：已知尾门重心G点的轨迹方程、连杆瞬心O点的轨迹方程以及尾门开启角度A0的方程式，求出重力臂长度
Figure 726452DEST_PATH_IMAGE001
的方程式；
s42：已知尾门重量即可知，根据重力*重力臂长度
Figure 9666DEST_PATH_IMAGE001
=重力力矩，求得重力力矩的轨迹方程式。
更优地，所述步骤s5中电撑杆安装角度C的关系式为
C=artan（Ly/Lab）
其中，Lab为A，B之间距离的轨迹方程式
Figure 550238DEST_PATH_IMAGE004
其中，电撑杆尾门安装点A的轨迹方程式为已知，车身安装点B（Xb，Zb）为已知且固定，A（Xa，Ya，Za），B(Xb，Yb，Zb)点Y向坐标Ya，Yb恒定不变；
其中，Ly=|Ya-Yb|，即A，B点Y向距离。
更优地，所述步骤s5中电撑杆力臂长度
Figure 286112DEST_PATH_IMAGE002
的方程式为
Figure 219433DEST_PATH_IMAGE005
。
更优地，所述s6中的电撑杆输出力大小为
Figure 357154DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 507774DEST_PATH_IMAGE007
为已知尾门重量。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
（1）本发明将重要节点坐标以及相关的轨迹方程输入Excel，在Excel改变相应的重要节点坐标即可直接得到修正后的轨迹线，无需在通过CAD复杂的修正方式进行操作，节省时间。
（2）本发明在求电撑杆输出力的同时，还求出了各个连杆长度以及重要铰链节点的轨迹方程，优点在于辅助设计，便于检验连杆长度是否符合强度和车身布局等要求，也可检测四连杆运动过程是否对车身产生干涉。
（3）本发明在求电撑杆输出力的同时，还求出了电撑杆行程以及实施长度，针对不同车型，可以实时对电撑杆行程及长度进行设置，辅助电撑杆结构设计布局。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的四连杆尾门与车身整体示意图；
图2为本发明的自定义坐标系下四连杆的示意图；
图3为本发明的连杆瞬心O点的轨迹图；
图4为本发明的尾门重心G点的轨迹图；
图5为本发明的电撑杆尾门安装点的轨迹图；
图6为本发明的重力力臂长度和重力力矩的轨迹图；
图7为本发明的电撑杆安装角度C的示意图；
图8为本发明的电撑杆力臂长度的轨迹图；
图9为本发明的常温电撑杆保持力的轨迹图；
图10为本发明的原理图；
图11为本发明的尾门结构示意图。
具体实施方式
见图1至图11，本发明包括以下步骤：
见图2，s1：建立一个自定义坐标系，使得连杆的四个铰链节点J1、J2、J3、J4坐标落入自定义坐标系中，并使得自定义坐标系的原点与铰链节点J1的坐标重合，上述的J1和J4节点为安装在车身上的两个旋转中心节点，J2和J3为安装在车尾门上的两个旋转中心节点；
s2：由四个铰链节点的坐标以及四个铰链节点连线所形成的多个三角形之间的边角关系求出连杆瞬心O点的轨迹方程，连杆瞬心O即为尾门旋转中心，在四连杆尾门结构中，尾门旋转中心为非固定点，其随着尾门开启角度变化，通常不在实体上；
本实施例中更具体地，连杆瞬心O点的轨迹方程的具体求解步骤为：
s21：根据四个铰链节点J1、J2、J3、J4初始位置坐标获得L1、L2、L3、L4的固定长以及A1的初始角度；
其中，L1为两个铰链节点J1和J2之间的连杆长，L2为两个铰链节点J2和J3之间的连杆长，L3为两个铰链节点J3和J4之间的连杆长，L4为两个铰链节点J1和J4之间的连杆长，A1为L1与L4之间的夹角；
s22：将s21中的数据结合余弦定理解出A2、A3、A4分别与A1之间的关系方程式
具体地，利用铰链节点J1、J2、J4和铰链节点J2、J3、J4形成两个三角形，三角形J1J2J4和三角形J2J3J4存在一条共同的边J2J4，边J2J4的长度随A1的变化而变化，通过余弦定理
Figure 996525DEST_PATH_IMAGE008
求出A1与A3的关系方程式；
由铰链节点J1、J2、J3和铰链节点J1、J3、J4形成两个三角形，三角形J1J2J3和三角形J1J3J4存在一条共同的边J1J3，边J1J3的长度随A1的变化而变化，通过余弦定理、内角和公式
Figure 467957DEST_PATH_IMAGE009
可求出A1与A2、A4的关系方程式；
其中，A2为L1与L2之间的夹角，A3为L2与L3之间的夹角，A4为L3与L4之间的夹角；
s23：根据s22求得L1在自定义坐标中的直线方程为
Zo-Z1=k1*（Xo-X1）
其中，（Xo，Zo）为连杆瞬心O点坐标，（X1，Z1）为固定点J1的坐标，k1为L1的斜率，由于L1与自定义坐标系夹角已知，故而L1斜率k1也已知；
L3在自定义坐标中的直线方程为
Zo-Z4=k3*（Xo-X4）
其中，令固定点J4坐标为（X4，Z4），已知A3与A1的关系方程式，A1与自定义坐标系夹角已知，A3与自定义坐标系夹角可描述成与A1为变量的方程式，结合铰链节点J1和J4恒定不变的已知坐标，即可求得L1、L3所在直线方程在自定义坐标中的斜率，由斜率可得L1、L3的直线方程，L1、L3直线方程的变量均且仅与A1相关；
见图3，s24：由s23中L1和L3的直线方程解出连杆瞬心O点的轨迹方程
联合方程Zo-Z1=k1*（Xo-X1）
Zo-Z4=k3*（Xo-X4）
即可解得连杆瞬心O点的轨迹方程
Xo=-（K1*X1+K3*X4）/（Z1+Z4）
Zo=（K1*K3*（X4-X1）+Z1*K3-Z4*K1）/（K3-K1）
坐标（Xo，Zo）即为连杆瞬心O点坐标，连杆瞬心O点在L1和L3直线方程交点上，联合L1和L3的直线方程即可解出连杆瞬心O点与A1的关系方程，最后得出连杆瞬心O点坐标由J1、J2、J3、J4定量和A1变量决定；
s3：根据步骤s2的求解，计算出尾门重心G点的轨迹方程式；
见图4，本实施例中更具体地，所述步骤s3中尾门重心G点的轨迹方程式的具体求解步骤为：
s31：已知A1与A4的关系，已知J2（X2，Z2）和J3（X3，Z3）初始坐标，求出
X2=L1*cos（A1），Z2=L1*sin（A1）
X3=L3*cos（A4），Z3=L3*sin（A4）；
s32：根据步骤s31中的两组方程解得J2（X2，Z2）和J3（X3，Z3）的轨迹方程；
s33：根据步骤s31中的两组方程解得L2在自定义坐标中的直线方程和尾门开启角度A0的方程式，具体为J2，J3的轨迹方程均与变量A1相关，通过两点直线方程可求得L2与变量A1的直线方程，由该直线方程可得出L2的斜率，其中L2在自定义坐标中的直线方程为
（Z-Z2）/（X-X2）=（Z-Z3）/（X-X3）
从而可求得尾门开启角度A0的方程式
A0=artan[（Z2-Z3）/ （X2-X3）]；
s34：已知L2在自定义坐标中的直线方程、J2和尾门重心G点坐标初始位置，求得尾门重心G点的轨迹方程
Xg=Lm*cos（A0+Ag2）+X2
Zg=Lm*sin（A0+Ag2）+Z2；
其中，Lm为尾门中心G点和J2点连线，Ag2为Lm与L2之间形成的夹角，已知尾门中心G（Xg，Zg），J2（X2，Z2）点的初始坐标，故而Ag2和距离Lm也是已知且固定不变，建立动态子坐标系原点永远在J2轨迹运动，X、Y轴平行车身坐标则可得尾门重心G点的轨迹方程。
本实施例中更具体地，所述尾门重心G点坐标初始位置为尾门全关闭状态下的重心坐标。
见图5，本实施例中更具体地，同所述尾门重心G点的轨迹方程的求解方法，求出电撑杆尾门安装点A的轨迹方程式
Xa=La*cos（A0+ Ag2）+X2
Za=La*sin（A0+ Ag2）+Z2
其中La为A与J2之间的距离。
见图6，s4：根据步骤s2和步骤s3，求出重力力矩的轨迹方程式和重力臂长度
Figure 725763DEST_PATH_IMAGE001
的方程式；
本实施例中更具体地，所述步骤s4中重力力矩的轨迹方程式具体求解步骤为：
s41：已知尾门重心G点的轨迹方程、连杆瞬心O点的轨迹方程以及尾门开启角度A0的方程式，求出重力臂长度
Figure 890028DEST_PATH_IMAGE001
的方程式；
s42：根据重力*重力臂长度
Figure 849763DEST_PATH_IMAGE001
=重力力矩，求得重力力矩的轨迹方程式。
更为具体地，尾门重心G点的轨迹方程和连杆瞬心O点的轨迹方程，即可求得OG距离与变量A1的方程式、OG与自定义坐标系X轴角度关系的方程式，结合已知的尾门开启角度A0与A1方程式即可求得重力臂长度
Figure 262902DEST_PATH_IMAGE001
与A0的关系方程式；已知尾门重量即可知重力，重力*重力臂长度
Figure 375215DEST_PATH_IMAGE001
即可得到尾门实时开启角度的重力力矩，因此可求出重力力矩的轨迹方程式。
见图7，s5：根据步骤s2和步骤s3，求出电撑杆力臂长度
Figure 179223DEST_PATH_IMAGE002
的方程式和电撑杆安装角度C的关系式；
本实施例中更具体地，所述步骤s5中电撑杆安装角度C的关系式为
C=artan（Ly/Lab）
其中，Lab为A，B之间距离的轨迹方程式
Figure 187105DEST_PATH_IMAGE004
其中，电撑杆尾门安装点A的轨迹方程式为已知，车身安装点B（Xb，Zb）为已知且固定，A（Xa，Ya，Za），B（Xb，Yb，Zb）点Y向坐标Ya，Yb恒定不变；
其中，Ly=|Ya-Yb|，即A，B点Y向距离。
见图8，本实施例中更具体地，所述步骤s5中电撑杆力臂长度
Figure 938024DEST_PATH_IMAGE002
的方程式为
Figure 357373DEST_PATH_IMAGE005
已知Lab轨迹方程
Figure 332282DEST_PATH_IMAGE004
已知O（Xo，Zo）点轨迹方程
Zo-Z1=k1*（Xo-X1）
Zo-Z4=k3*（Xo-X4）
即可求得
Figure 502494DEST_PATH_IMAGE002
Figure 119421DEST_PATH_IMAGE005
。
见图9，s6：根据电撑杆输出力公式
Figure 940746DEST_PATH_IMAGE003
，求出电撑杆输出力的大小；
本实施例中更为具体地，所述s6中的电撑杆输出力大小为
Figure 352136DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 508179DEST_PATH_IMAGE007
为已知尾门重量。
s7：将s1至s6中的方程式和关系式导入Excel。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：建立一个自定义坐标系，使得连杆的四个铰链节点J1、J2、J3、J4坐标落入自定义坐标系中；
s2：由四个铰链节点的坐标以及四个铰链节点连线所形成的多个三角形之间的边角关系求出A2、A3、A4分别与A1之间的关系方程式以及连杆瞬心O点的轨迹方程，其中A1为L1与L4之间的夹角，A2为L1与L2之间的夹角，A3为L2与L3之间的夹角，A4为L3与L4之间的夹角，L1为两个铰链节点J1和J2之间的连杆长，L2为两个铰链节点J2和J3之间的连杆长，L3为两个铰链节点J3和J4之间的连杆长，L4为两个铰链节点J1和J4之间的连杆长；
s3：根据步骤s2的求解，计算出尾门重心G点的轨迹方程式，尾门重心G点的轨迹方程式的具体求解步骤为：
s31：已知A1与A4的关系，已知J2（X2，Z2）和J3（X3，Z3）初始坐标，求出
X2=L1*cos(A1)，Z2=L1*sin(A1)
X3=L3*cos(A4)，Z3=L3*sin(A4)；
s32：根据步骤s31中的两组方程解得J2（X2，Z2）和J3（X3，Z3）的轨迹方程；
s33：根据步骤s31中的两组方程解得L2在自定义坐标中的直线方程和尾门开启角度A0的方程式
（Z-Z2）/（X-X2）=（Z-Z3）/（X-X3）
A0=artan[(Z2-Z3)/(X2-X3)]；
s34：已知L2在自定义坐标中的直线方程、J2和尾门重心G点坐标初始位置，求得尾门重心G点的轨迹方程
Xg=Lm*cos(A0+Ag2)+X2
Zg=Lm*sin(A0+Ag2)+Z2；
其中，Lm为尾门中心G点和J2点连线，Ag2为Lm与L2之间形成的夹角，已知尾门中心G（Xg，Zg），J2（X2，Z2）点的初始坐标，故而Ag2和距离Lm也是已知且固定不变，建立动态子坐标系原点永远在J2轨迹运动，X、Y轴平行车身坐标则可得尾门重心G点的轨迹方程；
s4：根据步骤s2和步骤s3，求出重力力矩的轨迹方程式和重力臂长度
Figure 373043DEST_PATH_IMAGE001
的方程式；
s5：根据步骤s2和步骤s3，求出电撑杆力臂长度
Figure 24604DEST_PATH_IMAGE002
的方程式和电撑杆安装角度C的关系式；
s6：根据电撑杆输出力公式
Figure 601079DEST_PATH_IMAGE003
，求出电撑杆输出力
Figure 730709DEST_PATH_IMAGE004
的大小，其中
Figure 217185DEST_PATH_IMAGE005
为已知尾门重量；
s7：将s1至s6中的方程式和关系式导入Excel。
2.根据权利要求1所述的四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，其特征在于：所述步骤s2中连杆瞬心O点的轨迹方程的具体求解步骤为：
s21：根据四个铰链节点J1、J2、J3、J4初始位置坐标获得L1、L2、L3、L4的固定长以及A1的初始角度；
s22：将s21中的数据结合余弦定理解出A2、A3、A4分别与A1之间的关系方程式；
s23：根据s22求得L1在自定义坐标中的直线方程为
Zo-Z1=k1*（Xo-X1）
其中，（Xo，Zo）为连杆瞬心O点坐标，（X1，Z1）为固定点J1的坐标，k1为L1的斜率，由于L1与自定义坐标系夹角已知，故而L1斜率k1也已知；
L3在自定义坐标中的直线方程为
Zo-Z4=k3*（Xo-X4）
其中，已知A1与A3关系，故而L3所在直线方程斜率k3也已知，令固定点J4坐标为（X4，Z4）；
s24：由s23中L1和L3的直线方程解出连杆瞬心O点的轨迹方程
Xo=-(K1*X1+K3*X4)/(Z1+Z4)
Zo=(K1*K3*(X4-X1)+Z1*K3-Z4*K1)/(K3-K1)。
3.根据权利要求1所述的四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，其特征在于：同所述尾门重心G点的轨迹方程式的求解方法，求出电撑杆尾门安装点A的轨迹方程式
Xa=La*cos(A0+Ag2)+X2
Za=La*sin(A0+Ag2)+Z2
其中（Xa，Za）为电撑杆尾门安装点A的坐标，La为A与J2之间的距离。
4.根据权利要求1所述的四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，其特征在于：所述尾门重心G点坐标初始位置为尾门全关闭状态下的重心坐标。
5.根据权利要求1所述的四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，其特征在于：所述步骤s4中重力力矩的轨迹方程式具体求解步骤为：
s41：已知尾门重心G点的轨迹方程、连杆瞬心O点的轨迹方程以及尾门开启角度A0的方程式，求出重力臂长度
Figure 774069DEST_PATH_IMAGE001
的方程式；
s42：根据重力*重力臂长度
Figure 837840DEST_PATH_IMAGE001
=重力力矩，已知尾门重量即可知重力，求得重力力矩的轨迹方程式。
6.根据权利要求3所述的四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，其特征在于：所述步骤s5中电撑杆安装角度C的关系式为
C=artan(Ly/Lab)
其中，Lab为A，B之间距离的轨迹方程式
Figure 771161DEST_PATH_IMAGE006
其中，电撑杆尾门安装点A的轨迹方程式为已知，车身安装点B（Xb，Zb）为已知且固定，A（Xa，Ya，Za），B(Xb，Yb，Zb)点Y向坐标Ya，Yb恒定不变；
其中，Ly=|Ya-Yb|，即A，B点Y向距离。
7.根据权利要求6所述的四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，其特征在于：所述步骤s5中电撑杆力臂长度
Figure 95832DEST_PATH_IMAGE002
的方程式为
Figure 885933DEST_PATH_IMAGE002
=|(tan（A0）*Xo-Zo-(tan(A0)*Xb)+Zb)/(
Figure 374683DEST_PATH_IMAGE007
)|
其中，Lab轨迹方程和连杆瞬心O点的轨迹方程为已知。
8.根据权利要求7所述的四连杆尾门电撑杆输出力的计算方法，其特征在于：所述s6中的电撑杆输出力大小为
Figure 783799DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 41605DEST_PATH_IMAGE005
为已知尾门重量。
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