皮卡车货箱门开闭机构气压撑杆设计

张志阳，龚青山，曹占龙，郭庆贺，任爱华

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰 442002）

货箱门的可靠性和开闭过程中的舒适性对开闭机构提出了高要求，货箱门开闭机构的设计与研究成为学者关注的对象。在结构设计方面，张淑坤等［1］以某车型为例，从人机工程、乘员保护、撑杆内部结构设计、气温变化对撑杆支撑力的影响以及撑杆布置方式对背门的影响等方面进行研究，解决了背门关闭力过大、背门开闭性不良、背门下垂等问题。优化设计方面，刘豪等［2］以几个构件的材料厚度为设计变量，采用最优拉丁方试验设计方法获得样本数据，并用响应面法构建近似模型，利用序列二次规划法进行多学科并行优化，在保证背门质量不增加的情况下，显著提高了背门的1 阶固有频率。白中浩等［3］针对国内SUV 车型背门下垂的问题，设计了新型的导向机构。汪祥等［4］利用集成优化设计方法对汽车尾门气弹簧系统进行设计优化，使得汽车尾门系统操作性能在满足客户需求的前提下气弹簧支撑力最小。顾华朋等［5］从后背门安装点处截面、搭接结构、料厚等多方面对后背门铰链安装点静刚度不足的原因进行了分析，并进行多方面优化。王伯坤等［6］采用正向设计的方法对汽车电动尾门撑杆进行了布置和力学计算。仇维蓉等［7］通过分析各参数对发动机罩开启力的影响，并从中选择开启力满足人机工程学的设计方案。朱鑫等［8］对行李箱盖铰链杆的结构进行优化，优化后铰链杆的强度基本不变，刚度提高了22.7%。近年来学者对汽车开闭机构的研究主要集中在上翻型的后背门或者发动机罩上，大多对机构中某部件如背门、撑杆等单独研究，将理论计算、设计及仿真分析结合起来对下翻型货箱门开闭机构整体进行研究则相对较少。皮卡车货箱门上面装配气压撑杆的不多，文中为了使货箱门的开闭过程更加省力，针对某款皮卡车的下翻型货箱门，设计其开闭机构用气压撑杆并进行力学计算及仿真分析。

气压撑杆，也叫气弹簧，一般由缸筒、活塞、活塞杆、液压油等组成，利用密闭在压力缸的高压惰性气体（一般为氮气）或者油气混合物，使腔体内的压力远大于大气压，然后利用伸缩杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生压力差来实现气压撑杆拉伸和压缩运动，结构如图1所示。气压撑杆分为拉伸式和压缩式2种类型，拉伸式气压撑杆原始状态为压缩状态，压缩式气压撑杆原始状态为拉伸状态，装配在汽车上面的多为拉伸式气压撑杆。将气压撑杆装配到皮卡车货箱门和车身上后，相比于传统的不带气压撑杆的货箱门，可以达到开闭过程中更省力的目的。

图1 气压撑杆结构图

气压撑杆主要起辅助作用。普通压缩气压撑杆开启辅助力为45 N 左右，拉伸类气压撑杆常态为收缩状态，将气压撑杆开启力设计为60 N左右；
参考以往设计经验［9］，将关闭辅助力设计为160 N。由于拉簧作用，货箱门在关闭状态时门的重力不足以保持关闭状态，因此需要有额外的机构锁紧，防止货箱门自由开启。锁紧机构施加的力矩小于开启货箱门所施加的力矩，不参与设计计算。货箱门从完全关闭到开启再到开到最大，分为3个不同的状态。完全关闭状态施加的开门外力为开启力，完全开启状态施加的关门外力为关闭力。

1.1 货箱门关闭状态

货箱门的输入参数如表1 所示。货箱门开启过程辅助开启力矩大于气压撑杆拉伸力矩。根据汽车三维坐标系的定义，将货箱门开闭机构投影到XZ平面，货箱门开启瞬时的机构简图见图2a。

图2 货箱门开闭状态示意图

表1 货箱门输入参数

以点A分析货箱门开启过程中受力状况，得到

式中：F1为气压撑杆拉伸力；
Fw1为开启辅助力，取60 N；
G为货箱门重力，取324.87 N；
Lw为开闭辅助力臂，取473 mm；
Lg为重力臂，取33.34 mm；
L1为气压撑杆拉伸力臂，取49.48 mm。计算得出F1为344.16 N。由于有2根关于旋转中心对称的气压撑杆，所以单根气压撑杆的拉伸力为172.08 N。

1.2 货箱门平衡状态

由于气压撑杆内阻的存在，货箱门在10°～13°基本处于平衡状态，向2个方向（开启或关闭）运动都需要辅助外力。超过13°货箱门可以自由下落。

1.3 货箱门开启状态

货箱门由关闭状态到完全开启翻转角度为90°，关闭瞬时的机构简图如图2b 所示。以点A分析货箱门关闭过程中的受力状况。

式中：F2为气压撑杆收缩力；
Fw2为关闭辅助力，取160 N；
L2为气压撑杆收缩力臂，取104.43 mm；
Lg取310 mm。计算得出F2为240.53 N。单根气压撑杆的收缩力为120.27 N。

以铰链四连杆机构为基础，设计用于连接车身和货箱门的运动构件气压撑杆，并检验机构的运动特性，验证气压撑杆的长度是否满足要求以及运动过程中气压撑杆是否与其他零部件发生干涉。

2.1 气压撑杆设计及选型

气压撑杆的上下安装点位置以及行程通过输入参数得出，通过数模测量气压撑杆伸长及收缩时的长度，得到气压撑杆的工作行程。气压撑杆的收缩状态长度为320.169 mm，取320 mm；
伸长状态长度为390.107 mm，取390 mm；
工作行程为70 mm。根据以往的设计经验，气压撑杆长度L应满足：

式中：Lmin为气压撑杆的最小长度（收缩状态长度）；
S为气压撑杆的工作行程。Lmin的定义主要考虑活塞的尺寸及预留出油气混合物的空间，保证气压撑杆能够正常伸缩。

根据背门气撑杆布置规范及技术标准［10］，取缸筒直径为22 mm，活塞杆直径为10 mm。活塞杆端接头为单片式，缸筒端接头为球铰式，最小伸展力为250 N，型号为LQ10/22-70-390（O-B）250。

2.2 货箱门开闭机构运动分析

将位于车身和货箱门上的4 个铰接点处设置为旋转副，外缸筒和伸缩杆之间设置移动副，模拟货箱门从关闭到完全打开的运动过程。运用CA‑TIA 中的DMU 运动仿真模块检验气压撑杆运动过程中是否出现与周围零部件的干涉现象，货箱门开启过程如图3 所示。观察机构的运动过程，使用CATIA 的测量工具测得气压撑杆与周围零部件的最小间距为8.6 mm，气压撑杆运动过程中没有出现与周围零部件的干涉现象。

图3 货箱门开启过程

根据相关坐标点信息，在ADAMS 中建立货箱门开闭机构的简化模型，进行动力学仿真分析，求得铰接点受力最大位置并提取载荷。

货箱门结构比较复杂，若直接导入ADAMS，不利于分析，因此将货箱门简化为拉伸体，将其质量定义为实际质量；
将气压撑杆简化为2根同轴不同半径的圆柱体，在气压撑杆与车身铰接点处设置旋转副，气压撑杆与货箱门铰接点处设置点线副，圆柱体之间设置为移动副，模拟货箱门的开闭过程。建立的简化模型如图4所示。

图4 货箱门关闭模型

为了使仿真效果更加符合实际情况，将货箱门的运动设定为匀速运动，仿真时间为5 s。货箱门从关闭到完全打开过程中点B受力曲线如图5 所示。由图5 可知，在货箱门下落过程中，点B沿气压撑杆轴向方向先向上后向下运动，由于气压撑杆内部的阻尼作用，受力呈增减增的趋势。当货箱门完全打开时点B处受力最大，为141.15 N，比计算值大17%，证明仿真结果与计算结果较相符。

图5 铰接点B处受力曲线

气压撑杆在运动过程中主要受货箱门重力、活塞杆的轴向输出力和摩擦力作用，在力的共同作用下气压撑杆会产生一定的轴向形变，因此需要对气压撑杆的变形进行分析，保证气压撑杆的运动过程稳定可靠。气压撑杆与车身和货箱门均通过球头销连接，货箱门在由关闭到开启的过程中，气压撑杆绕点C逆时针旋转，货箱门绕点B顺时针旋转（均在XZ平面内），且气压撑杆逐渐伸长。货箱门完全开启时绕点A旋转90°，此时气压撑杆长度为390 mm。若不考虑辅助关闭力，忽略摩擦力，气压撑杆的强度完全可以支撑货箱门重力的作用。由于此货箱门内部设计有1个登步梯，需要考虑承载货物或人员质量的情况，将75 kg 质量加在货箱门的质心上，货箱门重力变为1059.87 N。根据力矩平衡，得出单根气压撑杆拉伸力为1574.48 N。对此状态的气压撑杆进行静力学分析，观察铰接点处应力以及变形，根据分析结果决定是否需要优化。

为避免前处理过程太繁琐导致错误，对气压撑杆模型进行简化，将简化后的气压撑杆模型导入HyperMesh 中，采用3D 实体单元四面体和六面体混合的方式进行实体网格划分，得到52 785个单元体和25 877 个节点，单元尺寸（四面体和六面体的边长）为2 mm，网格质量良好。

约束气压撑杆上端万向球头内表面节点6 个自由度，在下端万向球头内表面下半部分创建rbe2刚性连接，将载荷施加到刚性单元的中心点，沿气压撑杆轴向指向下端万向球头方向施加1574.48 N载荷，气压撑杆的材料为45号钢，具体参数见表2。

表2 气压撑杆材料参数

将气压撑杆模型提交给Optistruct 求解器模块求解，在HyperView 中查看结果，气压撑杆的位移和应力云图如图6所示。由图6可知，气压撑杆的最大位移为0.0247 mm，位于下端铰接点处附近。气压撑杆的最大应力为45.13 MPa，位于下端万向球头与活塞杆连接处及活塞杆与缸筒连接处附近，远小于许用应力，强度满足性能要求。

图6 气压撑杆位移和应力云图

文中根据设计要求及空间位置信息，绘制了货箱门开闭机构的平面运动简图，对开闭机构用气压撑杆进行受力分析。据此设计了气压撑杆，检验气压撑杆的运动特性并进行干涉检查，分析得出，开闭机构满足运动特性要求。在ADAMS 中建立货箱门开闭机构模型，进行动力学仿真，求得气压撑杆铰接点处受力最大位置，结果表明，当货箱门完全打开时，气压撑杆铰接点处的受力最大。考虑货箱门完全打开且增加75 kg 质量时的情形，使用HyperMesh 进行静力学分析，结果表明，气压撑杆的强度较为富足，机构满足使用要求。

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