轿车后背门铰链机构的运动分析及修改设计

摘要通过ＡＤＡＭＳ建模对某轿车后背门开启机构做运动分析，来解决后背门初开启阶段的干涉问题和完全开启时的漏雨问题。

通过ＡＤＡＭＳ的优化分析和运动分析，给出了解决问题的建议：调整相关点位置可以改善后背门与侧围的干涉现象，而且最佳的办法是将铰链机构整体前移；调整相关点位置或修改限位块尺寸可以改善后备门开启角度过大及行李箱漏雨的问题。

ＣＡＥ在汽车工程中的效率和价值都得到了具体体现。

关键词后背门铰链结构运动分析ＤＯＥＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＰａｓｓｅｎｇｅｒＣａｒＢａｃｋＤｏｏｒＨｉｎｇｅＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｏｐｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃａｒｂａｃｋｄｏｏｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｂｕｉｌｄｉｎｇａｍｏｄｅｌｗｉｔｈＡＤＡＭＳ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｂａｃｋｄｏｏｒａｎｄｓｉｄｅｐａｎｅｌｗｈｅｎｂａｃｋｄｏｏｒｉｓｏｐｅｎｉｎｇａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇａｎｄｒｅｓｏｌｖｉｎｇｌｅａｋｒａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｗｈｅｎｂａｃｋｄｏｏｒｉｓｉｎｆｕｌｌ－ｓｉｚｅｏｐｅｎｉｎｇ．ＳｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓａｒｅｏｆｆｅｒｅｄａｆｔｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｖｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｂｏｔｈｆｉｎｉｓｈｅｄｗｉｔｈＡＤＡＭＳ．Ａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｉｎｔｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｂａｃｋｄｏｏｒａｎｄｓｉｄｅｐａｎｅｌ，ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｔｈｅｂｅｓｔｗａｙｏｆａｄｊｕｓｔｉｎｇｉｓｔｏｍｏｖｅｔｈｅｗｈｏｌｅｈｉｎｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｗａｒｄC ａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｉｎｔａｎｄｒｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｌｉｍｉｔｉｎｇｂｌｏｃｋｃａｎａｌｓｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｐｅｎｉｎｇａｎｇｌｅｏｆｂａｃｋｄｏｏｒａｎｄｒｅｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｅａｋｒａｉｎ．ＴｈｅｖａｌｕｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＣＡＥｉｎａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｃｌｅａｒｌｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨｉｎｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｂａｃｋｄｏｏｒＯｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｖｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓＤＯＥ张德超杨亚娟刘红领陈伟柳杨（奇瑞汽车有限公司乘用车工程研究院ＣＡＥ部）车门是车身上重要部件之一，按其开启方式分为顺开式、逆开式、水平移动式、上掀式和折叠式等几种。

轿车后背门主要有２种设计方案：第１种方案是典型两厢车的后备门，将后窗玻璃与后背门做成一个整体，也称掀背门，这种设计方案在三厢车及轻型货车等车型中也有广泛应用；另一种方案是将后窗玻璃与后背门做成分离的，其中后窗玻璃与车身是一个整体，２种方案的选择主要根据车身造型及布置来决定。

某轿车的后背门总成如图１所示。

开启机构是由１个四连杆和１个气弹簧构成，如图２，左右两侧对称布置。

在试制车间装车时，发现有２个问题，第１个问题是后背门在初始开启阶段会与侧围发生干涉，会损坏车身油漆；第２个问题是后背门完全打开的时候，会有雨水漏入行李厢。

解决这２个问题最直接的办法是修改侧围的模具，但是修改量很大，成本很高，下面通过平面四连杆机构的运动分析，来解决这２个问题。

图１后背门总成图２后背门开启机构轿车后背门铰链机构的运动分析及修改设计"!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!"１平面机构分析方法［１］机构的运动分析是指对机构的位置、速度和加速度进行分析。

为了研究的方便，不考虑引起其运动的外力和构件的弹性变形以及运动副间隙对机构运动的影响。

而仅根据原动件的已知运动规律，确定从动件的位置、角位移、角速度和角加速度以及其上某些点的位移、轨迹、速度和加速度等运动参数。

其目的在于了解机构在整个运动循环中的运动参数和运动特点，为机构的选择、使用、校核和修改设计提供依据。

无论是设计新的机械还是分析现有机构的工作性能，都必须对其进行运动分析。

通过位移（或轨迹）分析，可以确定机构中某些构件的运动范围或轮廓尺寸，以及判断各构件之间是否相互干涉或某些点的运动轨迹是否满足要求。

通过速度分析，可以确定机构中从动件的速度变化规律是否满足工艺要求。

此外，速度分析还是进行机构加速度分析、力分析以及研究机器动态特性和功率等问题的前提。

通过加速度或力的分析可以研究机械的动力特性，确定构件的惯性力（矩）。

机构运动分析的方法有实测法、图解法和解析法等。

实测法只用于确定现有机构的实际运动规律，对于修改设计无能为力。

图解法特点是形象直观，方法简单，但精度不高，且在对机构的一系列位置进行分析时，需反复作图而显得繁琐。

解析法是建立各种运动参数和机构尺寸之间的函数关系式，即所谓的数学模型，借助电子计算机计算，不仅可以获得高精度的计算结果，而且可以把机构的分析与综合问题联系起来，因此解析法得到了越来越广泛的应用。

现以铰链四杆机构的位置（或轨迹）分析来讨论解析法中的矩阵法。

图３所示铰链四杆机构，假设已知各构件的尺寸及原动件１的角加速度，求构件２、３及点Ｅ的位置。

为了分析方便，取轴ｘ与Ｌ４一致，标出各构件上的运动副及分析点的矢量方向和位置角，并建议表示邻架杆的矢量由其固定铰链引出，以便标出其位置角，如图３中Ｌ１、Ｌ３所示。

规定角运动量以ｘ轴正向为基准，逆时针方向为正，反之为负。

则该机构各构件所构成的矢量封闭图形ＡＢＣＤ，可写出机构的位置矢量方程如下：Ｌ１＋Ｌ２＝Ｌ３＋Ｌ４（１）将（１）式分别向ｘ轴和ｙ轴上投影得：Ｌ１ｃｏｓ!１＋Ｌ２ｃｏｓ!２＝Ｌ４＋Ｌ３ｃｏｓ!３Ｌ１ｓｉｎ!１＋Ｌ２ｓｉｎ!２＝Ｌ３ｓｉｎ!３（２）（２）式即为机构的位置方程式，（２）式中仅含２个未知量!２和!３，故可以求解。

又如图３所示：构件２上点Ｅ的坐标为：ｘＥ＝Ｌ１ｃｏｓ!１＋ｍｃｏｓ（ａ＋!２）ｙＥ＝Ｌ１ｓｉｎ!１＋ｍｓｉｎ（ａ＋!２）（３）将!２及!１代入（３）式，就可以求出点Ｅ的位置坐标。

２Ａｄａｍｓ／ｖｉｅｗ仿真分析及建议［２］通过Ａｄａｍｓ／ｖｉｅｗ仿真分析来试图找出造成后背门在初始开启阶段会与侧围干涉的原因，建模是以整车坐标系为参考坐标系。

输出结果为后背门端点在ｘ方向与ｚ方向的位置，分析中可以简化认为这个铰链机构是在ｘｚ平面的机构，如图４所示。

后背门端点ｘ轴、ｚ轴位移仿真结果如图５和图６所示。

分析图５和图６中的曲线得出，后背门端点在初始开启阶段是沿ｘ轴负向移动和沿ｚ轴正向位移。

由图５和图６可以看出，设计的四连杆机构是完全满足要求的，不会导致后背门端点与侧围干涉。

图３机构的解析法运动分析图４后背门处于关闭状态的铰链机构图９Ａ点对后背门开启角度的影响Ａ点沿ＡＤ轴线移动１０ｍｍ，角度为１７７．４°，此时漏雨，如果能调整角度＜１７０．３，也可以是不漏雨的图５后背门端点在ｘ方向的位移ｔ／ｓ图７后背门初始开启阶段简化模型图６后背门端点在ｚ方向的位移查看装车现场发现：后背门端点在初始开启阶段是沿ｘ轴负向移动，沿ｚ轴负向位移才导致干涉现象发生。

进一步查看装车现场发现，整个四连杆机构的制造及装配误差很大，足以使四连杆机构在初始开启阶段失效。

如果提高制造及装配精度，肯定可以改善干涉现象，但是会较大的增加成本，这种改进方案并不可取。

如图７所示，改进干涉现象的关键是必须将Ｂ点沿ＣＢ方向移动，为了有效改进干涉现象，并降低修改的成本，最好的修改办法就是将整个铰链机构向ｘ轴负向移动。

通过Ａｄａｍｓ／ｖｉｅｗ进一步仿真分析发现，优化Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ这４个点的位置可以解决漏雨问题。

在４个点中，Ａ、Ｄ这２点修改起来成本最低，为了知道Ａ、Ｄ点谁对漏雨问题的影响最大，利用Ａｄａｍｓ／Ｉｎｓｉｇｈｔ进行ＤＯＥ分析。

设定Ａ、Ｄ这２点ｘ坐标值为设计参数，后背门的开启角度值为响应参数，分析结果如图８所示：Ａ点ｘ坐标值的影响有１１８０．１８％，而Ｄ点ｘ坐标值的影响仅有２４．７２％。

显然，修改Ａ点能较快的改变铰链机构的运动特性，修改Ｄ点对改变铰链机构的运动特性效果不太明显。

Ａｄａｍｓ／ｖｉｅｗ可以算出移动Ａ点对应的后背门开启角度，图９为Ａ点对后背门开启角度的影响图。

Ａ点沿ＤＡ轴线移动１０ｍｍ，角度为１５６．２２９９°，不漏雨原模型，角度为１６７．９６７４°，刚好满足不漏雨要求ｌ／ｍｍｔ／ｓ（下转第４５页）ｌ／ｍｍ图８Ａ、Ｄ点Ｘ坐标值对后背门开启角度的影响程度（上接第１４页）由图９可分析出将Ａ沿ＡＤ轴线前后移动１０ｍｍ的后背门开启角度，设计部门可以根据后背门的高度要求来决定后背门开启角度值，反馈给分析部门，由分析部门提供最理想的Ａ点坐标。

如图９所示，将Ａ点沿ＡＤ轴线移动１０ｍｍ时，是漏雨的，但是也可以通过修改限位块尺寸的办法来改善这种状况。

建议２种办法结合使用。

实践证明：运用以上分析结果，成功解决了后背门开启中碰到的２大难题。

３结论综上所述，运用Ａｄａｍｓ软件对后背门铰链机构进行运动分析，并给出了修改建议。

ＣＡＥ在汽车工程中的效率和价值都得到了具体体现。

ＣＡＥ在汽车设计前期及工程实现后期都非常重要。

快速、有效及低成本的优势使其成为现代汽车设计中非常重要的环节。

参考文献１曹泗秋，杨巍．机械原理．湖北省：湖北科学技术出版社，１９９４２陈立平，张云清，任卫群，等．机械系统动力学分析及ＡＤＡＭＳ应用教程．北京：清华大学出版社，２００５（收稿日期：２００７－０５－０９）野车。

在２０世纪５０～７０年代，这种车曾是我国军队主要的指挥车。

从６０年代中后期开始，它逐步被北京ＢＪ２１２型越野车所替代。

此前，高尔基汽车厂曾生产过各种类型的军用越野车，除嘎斯６７和嘎斯６９外，还曾生产过嘎斯５１载货车。

在我国２０世纪５０年代末建成的南京汽车制造厂曾以该车型为蓝本生产载重车质量为２０００ｋｇ的跃进ＮＪ１３０型货车，同时，还仿造嘎斯６３生产了跃进ＮＪ２３０型越野车，这就是我们过去常见到和所熟知的南京嘎斯。

４胜利———Ｍ２０小客车俄罗斯（前苏联）高尔基汽车厂因以生产嘎斯汽车为主，所以简称嘎斯厂。

其实，它不仅生产众所周知的嘎斯型载重汽车和越野车，而且还生产小有名气的嘎斯系列小客车。

如伏尔加牌小客车和海鸥牌高级小客车，以及嘎斯——３１０２和嘎斯——２４型小客车等。

自第二次世界大战后期的１９４６年，高尔基汽车厂开始生产胜利———Ｍ２０小客车。

见图４（俄罗斯），它是２０世纪５０年代俄罗斯（前苏联）高尔基汽车厂生产的一种轿车。

图４中汽车主图是胜利———Ｍ２０轿车，是１９５４年生产的，图中右上角的图案是一个形似盾牌的商标标志，标志中有一只悠然自得的鹿，鹿的下方有ГＡ３（嘎斯）字样。