两厢车后背门支撑杆的布置及运动分析
【摘要】气动支撑杆开启机构是目前轿车上经常采用的一种结构。
由于气动支撑杆生产技术成熟、性能优良等原因，在本次两厢车开发中，后背门的开启机构采用气动支撑杆。
工作中借助三维设计软件CATIA和计算和分析优化工具MATLAB，对支撑杆进行了布置，并且从运动学和动力学角度分析了上掀式后背门开启和关闭过程中力和力矩的关系，进而对其进行优化，最后对后背门开启的速度和加速度进行了仿真分析，满足后背门的平稳开启/关闭平稳、助力轻松、使用安全等功能要求。
【关键词】CATIA，后背门，气动支撑杆
Abstract: The opening mechanism of gas damper is a kind of structure which is often used in cars. This time when developing the hatchback, use the gas damper。
With work on CATIA and MATLAB, from kinematics and dynamics，I analysis the relationship of forces and moments during the opening and closing of hatch back’s backdoor，and optimize the layout of the installation point。
As result, the performance of hatchback’s backdoor meets functional requirements which is the steady of backdoor when open or close, and assist, safety.
Keywords: CATIA; Backdoor; Gas damper;
1 轿车用气动支撑杆介绍
1.1 构造及支撑力
气动支撑杆由活塞、气筒、导杆等构成。
如图1所示。
图1 气动支撑杆结构简图
Fig.1 Structure diagram of gas damper
气动支撑杆的支撑力：气动支撑杆运动中提供的总支撑力包括两部分：压力差产生的支撑力和相对运动部件之间的摩擦力。
由波义耳定律可知，一定质量的气体，其压强与体积的乘积为定数，即体积减小，压强增大，反之，体积变大，压强减小。
当施加外力时，导杆在气室内体积增大，致使压缩气体的有效容积变
小，气体压强增大，从而压力差产生的支撑力变大；
1.2 气动支撑杆的特点及应用
我国的气动支撑杆制造技术成熟，成本也在不断下降。
气动支撑杆具有尺寸小、容易布置、可靠性高等特点。
目前气动支撑杆在专业生产厂家均按标准化和系列化设计，使用和维修也更加方便。
气动支撑杆的可靠性可以满足汽车、飞机及医疗器械等开启机构上的要求，尤其在汽车应用上。
后背门及发动机舱盖等开启机构不仅要符合车身造型的需要，而且要满足安全、可靠及使用方便的要求，气动支撑杆可以很好地满足这些要求。
基于以上优点，本次两厢车开发采用气动支撑杆。
2 两厢车后背门的运动分析
2.1 两厢车后背门开闭类型：
许多轿车和轻型客车都设置有后背门，以方便装卸货物和行李。
后背门通常有平开式和上掀式两种结构。
两者相比，上掀式后背门具有节省空间、开启轻便及关闭可靠等优点，因而被广泛应用[1]。
本次两厢车开发采用上掀式结构。
这种后背门需要借助助力撑杆来开启，当开启后背门时，利用气动支撑杆产的反作用力通过对铰链旋转轴线产生的力矩来来克服重力矩和摩擦力矩，从而使后背门开启[2]。
如图2所示。
图2 后背门开启位置
Fig.2 Open position of backdoor
2.2 支撑杆的运动空间
由于随着后背门开启和关闭，气动支撑杆也做近似旋转运动，所以首先要确保气动支撑杆在作动时与后背门内板、流水槽等周边部品无干涉。
利用CATIA的DMU模块[2]来确定支撑杆有效运动空间。
如图3所示。
图3 支撑杆运动空间
Fig.3 Moving space of gas damper
2.3 后背门及支撑杆运动过程分析
车门与车体是通过两个铰链进行连接且铰链中心线平行，车门开启与关闭是围绕铰链中心线进行圆周运动。
而气动支撑杆的两个安装点所在面与铰链中心线不相垂直，即气动支撑杆的运动面为非平面。
图4 平衡位置示意图
Fig.4 Diagram of Equilibrium position
后背门运动过程中，共有三个静止平衡点。
如图4、表1所示。
表1 三个平衡点位置
3 后背门动力学分析
3.1 支撑杆力学性能
本次两厢车开发选用的支撑杆基本参数如表2所示。
表2 气动支撑杆基本参数
根据支撑杆的性能参数，利用MATLAB计算出支撑杆力学性能，如图5所示。
图5 支撑杆力学性能图
Fig.5 Performance chart of gas damper
3.2 后背门重力矩与气动支撑杆力矩之间的关系
从上文内容可知，后背门有三个平衡点。
后背门的开启和关闭过程中，开启角度、能否静态平衡以及力矩间的关系如表3所示。
表3 开启/关闭过程中的逻辑关系
根据表3的逻辑关系确定力学变化模型，如表4所示。
以开门过程为例（关门过程为逆向）；定义向上方向为正，向下方向为负；顺时针为负，逆时针为正。
表4 运动过程中力学模型
根据人机工程学的要求，后背门的关闭初始拉力为20N，后背门的开启初始拉力为30N。
考虑安全性，开启和关闭的初始拉力误差须在±3N以内。
根据力矩平衡要求，首先通过对平衡点的力学计算，进而得出支撑杆的长度，根据此结果可以初步设置支撑点位置。
图6 平衡点A 图7 平衡点B 图8 平衡点C Fig.6 Balance point A Fig.7 Balance point B Fig.8 Balance point C 根据计算结果，初步设定了符合要求的支撑杆安装位置。
4 支撑杆安装位置布置及优化
4.1 支撑点安装点空间确定
通过以上的分析和计算，初步确定出支撑杆固定点的安装位置，为了确保安全，需对支撑杆与周边部品的间隙及后背门的运行性能（速度和加减速度）进行校核和优化。
首先检查间隙是否满足要求。
如图9所示。
图9 安装状态断面图
Fig.9 Drawing of clearance check
然后对整个开门过程计算，通过MATLAB工具进行计算与分析，优化安装点位置。
如图10所示。
图10 运动过程力学模型
Fig.10 Mechanical model
4.2 优化后结果
根据以上的优化分析，利用CATIA DMU模块，对运动过程的速度和加速度进行仿真[3]，仿真及分析结果如图11、图12所示。
图11 支撑杆固定点相对于支撑杆运动的运动关系图
Fig.11 Chart of motion
图12 支撑杆固定点相对于车身运动关系图
Fig.12 Chart of motion
5 结论
借助于CATIA、MATLAB工具，对汽车后背门气动支撑杆进行了按钻过布置且对运动特性进行了仿真及优化，结果符合设计要求。
通过软件的应用，减少了大量的运算时间，提高了工作效率。
在保证后背门开启平稳顺畅、助力轻便的基础上，满足了结合人机工程要求及安全性能。
参考文献
[1] 李宇彤，牛东妍，李卓森上掀式背门气动撑杆的优化布置. 汽车技术 1999（9） 15-16.
[2] 黄天泽，黄金陵. 汽车车身结构与设计[M]. 北京：机械工业出版社 1996：214-222.
[3] 鲁君尚等. 无师自通CATIA V5之电子样机[M]. 北京：北京航空航天大学 2008：94-150.。
