龐夏光　亓歡寧　謝崇早

關(guān)鍵詞：隱藏手柄；四連桿；多連桿；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)分析；技術(shù)要求

中圖分類號(hào)：U463.85+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

近年來，汽車技術(shù)迅猛發(fā)展，特別是新造車勢(shì)力的加入，使得汽車的電動(dòng)化、智能化成為重要趨勢(shì)。汽車外開手柄是汽車的重要部件，是乘客首先看到和觸摸到的零件，承載著車門開啟和造型外觀的雙重要求。隱藏式外開手柄可以為用戶提供更好的開門體驗(yàn)，正越來越多地被各新車型應(yīng)用。但由于其屬機(jī)電一體化產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)手柄更為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)及開發(fā)存在一定難度。

工業(yè)化發(fā)展迅猛的今天，自動(dòng)化生產(chǎn)線上的送料機(jī)構(gòu)、快速壓力機(jī)、機(jī)器人步行機(jī)運(yùn)動(dòng)構(gòu)、內(nèi)燃機(jī)配氣結(jié)構(gòu)、裝載機(jī)及挖掘機(jī)主臂等都基于多連桿機(jī)構(gòu)展開應(yīng)用。而汽車行業(yè)當(dāng)中的雨刮、底盤懸架等都基于多連桿機(jī)構(gòu)展開應(yīng)用。目前具體到隱藏式手柄行業(yè)，同樣可從連桿機(jī)構(gòu)作為突破口，同時(shí)結(jié)合CAD、CAE 等輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用，把多連桿機(jī)構(gòu)在平推外開手柄內(nèi)部關(guān)鍵的伸縮功能拓展實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

1 隱藏外開簡介及常規(guī)結(jié)構(gòu)形式

隱藏外開手柄的工作原理是，在不需要使用車門外開手柄時(shí)，整個(gè)外開手柄隱藏于車門中。這時(shí)外開手柄與車門外板曲面保持一致，猶如門板的一部分，感知好，能有效減小風(fēng)阻和降低風(fēng)噪。當(dāng)需要使用手柄開啟車門時(shí)，手柄可以伸出足夠空間供乘員抓握，解鎖并開啟車門。目前，按手柄伸出時(shí)的運(yùn)動(dòng)形式，市場(chǎng)上的車型主要存在2 種類型的隱藏外開手柄，分別為旋出式外開手柄和平推式外開手柄。

1.1 旋出式外開手柄

旋出式隱藏外開手柄在解鎖時(shí)，手柄會(huì)繞著旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在手柄后側(cè)出現(xiàn)足夠的空間供乘員抓握，拉動(dòng)手柄解鎖后開啟車門（圖1）。這種手柄結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，成本較低，缺點(diǎn)是旋出后供乘員抓握長度短，手柄與門板之前空間不足，人機(jī)操作較差。在旋出式隱藏外開手柄的結(jié)構(gòu)中，手柄本身為一根杠桿，只需把內(nèi)部增加轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，即可把行程傳遞進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拉開解鎖。

1.2 平推式外開手柄

平推式隱藏外開手柄在解鎖時(shí)，手柄以近似與門板平行的方式運(yùn)動(dòng)，完全伸出時(shí)與門板平行（圖2）。這種手柄平出時(shí)更具科技感，為乘員提供更佳的人機(jī)空間以及操作體驗(yàn)。但手柄一般要靠復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基本功能，內(nèi)部空間也對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的布置帶來較大的挑戰(zhàn)。因此，平推結(jié)構(gòu)總體成本以及對(duì)整體設(shè)計(jì)開發(fā)要求較高。

2 基本概念性功能原理

如果把實(shí)現(xiàn)手柄的伸出、縮回作為基本概念性功能，那么平推式隱藏外開手柄的連桿機(jī)構(gòu)可以以常規(guī)平行四邊形原理做參考（圖3）。手柄作為其中一連桿，限制其只能伸縮運(yùn)動(dòng)（圖3 中的上下運(yùn)動(dòng)），那么只需要有伸縮機(jī)構(gòu)給手柄對(duì)向的連桿（綠色）提供動(dòng)力做水平的移動(dòng)。如另外兩根連桿長度差異，表現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生差異。

2.1 功能拓展原理

平推式隱藏外開手柄一般工作過程共分為3 個(gè)位置。第1 個(gè)位置是隱藏位置（即圖3a 所示位置），該位置為隱藏手柄未動(dòng)作時(shí)的狀態(tài)，手柄與外板平齊。第2 個(gè)位置為平推展開位置（即圖3b所示位置），該位置為手柄接收到相關(guān)信號(hào)，通過執(zhí)行器的推桿伸出，驅(qū)動(dòng)手柄內(nèi)部連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換成手柄趨向平推伸出，使手柄展開到與門外板平行位置，提供足夠空間供乘員抓握。第3 個(gè)位置為解鎖位置，該位置在外力作用下，拉動(dòng)手柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.1.1 功能拓展示例1

基于以上基本需求，搭建以A、B、C、D 為軸點(diǎn)組成的一個(gè)基本四連桿結(jié)構(gòu)（即四邊形）。把連桿AB 拓展彎曲延伸至E 點(diǎn)，E 點(diǎn)設(shè)為固定在基座上的轉(zhuǎn)軸；把連桿AC 拓展延伸至F 點(diǎn)， F 點(diǎn)也設(shè)為固定轉(zhuǎn)軸?？梢钥闯觯珹 和F 這2 個(gè)轉(zhuǎn)軸位置限定后，如AB 連桿繞E 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)整個(gè)A、B、C、D 組成的 4 連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)（圖4a）。

具體可以設(shè)置伸縮機(jī)構(gòu)提供輸出力，作用于BE 連桿的彎曲段（AE）， 使其產(chǎn)生一定范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)， 從理論上可以實(shí)現(xiàn)BD 連桿的趨向平出往上的運(yùn)動(dòng)。BD 連桿設(shè)定為手握處的手柄（圖4b）。同時(shí)，如在AF 連桿上的C 點(diǎn)設(shè)置導(dǎo)槽，CD 連桿中C 點(diǎn)可在除了做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)還能做在導(dǎo)槽中做滑動(dòng)。

平出完成后，AB 連桿旋轉(zhuǎn)到達(dá)最大位置不能再動(dòng)，拉動(dòng)BD手柄解鎖時(shí)，手柄BD 繞B 點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時(shí)C、D 點(diǎn)（手柄尾端）翹起。拉動(dòng)CD 連桿，CD 連桿在導(dǎo)槽中滑動(dòng)，把D 點(diǎn)（手柄尾端）翹起（圖4c），理論上通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，把行程傳遞給門鎖外開拉索，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)解鎖。這個(gè)過程同傳統(tǒng)車門把手解鎖的效果類似。

2.1.2 功能拓展示例2

以同等的基本需求，搭建A、B、C、D 為軸點(diǎn)組成一個(gè)基本四連桿，把連桿AB 拓展彎曲延伸至E。E 點(diǎn)設(shè)為固定在基座的轉(zhuǎn)軸，D 點(diǎn)也設(shè)為固定在基座的轉(zhuǎn)軸，CD 連桿繞D 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。把連桿AC 拓展增加滑槽，F(xiàn)G 連桿中的F 點(diǎn)在滑槽中設(shè)為可轉(zhuǎn)動(dòng)及滑動(dòng)，BG 設(shè)為其中的連桿?？梢钥闯觯珽 和D 這2 個(gè)轉(zhuǎn)軸位置限定后，如AB 連桿繞E 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)整個(gè)A、B、C、D 及G 組成的5 連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)（圖5）。

具體可以設(shè)置伸縮機(jī)構(gòu)提供輸出力，作用于BE 連桿的彎曲段（AE），使其產(chǎn)生一定范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，從理論上可以實(shí)現(xiàn)BG 連桿趨向平出往上的運(yùn)動(dòng)。BG 連桿設(shè)定為手握處的手柄。同時(shí)，F(xiàn)G 連桿上的F 點(diǎn)設(shè)置為只要有向上的力作用，都可在導(dǎo)槽中滑動(dòng)，同時(shí)還能隨整個(gè)連桿機(jī)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)置伸縮機(jī)構(gòu)提供輸出力，作用于BE 連桿的彎曲段（AE），使其產(chǎn)生一定范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，從理論上同樣可以實(shí)現(xiàn)BG 手柄連桿趨向平出往上的運(yùn)動(dòng)。

平出完成后，AB 連桿旋轉(zhuǎn)到達(dá)最大位置不能再動(dòng)。拉動(dòng)BD手柄解鎖時(shí)，手柄BG 繞B 點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，G 點(diǎn)（手柄尾端）翹起。拉動(dòng)BG 連桿，F(xiàn)G 連桿的F 點(diǎn)在導(dǎo)槽中滑動(dòng)，理論上通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，把行程傳遞給門鎖外開拉索，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)解鎖。這個(gè)過程理論上也能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手柄一樣開鎖的效果。

3 多連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核

3.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)確定及概念連桿運(yùn)動(dòng)模型建立

以上所述僅為很初級(jí)的多連桿展開概念理論。實(shí)際在隱藏外開手柄設(shè)計(jì)中，還要結(jié)合目標(biāo)需求及邊界條件進(jìn)行約束，確定關(guān)鍵的基本目標(biāo)需求參數(shù)，再進(jìn)行下一步工作。目標(biāo)需求參數(shù)主要有以下幾個(gè)：①推出手握人機(jī)空間需求，手柄整體尺寸；②手柄一段展出距離，手柄二段拉出距離；③拉開解鎖力、輸出解鎖行程[1] ；④伸縮機(jī)構(gòu)的推力、推出行程；⑤ Y 向布置空間[2] ；⑥耐慣性力校核[3]。

基于主要參數(shù)作為限制后，要完成高效、可靠的設(shè)計(jì)，通常都在如UG、Solid Works 等設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行初版運(yùn)動(dòng)仿真模型建立，確認(rèn)運(yùn)動(dòng)模型可實(shí)現(xiàn)性及各個(gè)連桿的受力情況。這個(gè)過程需要帶參數(shù)不斷修改調(diào)整連桿長度尺寸以及轉(zhuǎn)軸位置，從而確認(rèn)各機(jī)構(gòu)的初始值，并且符合基本參數(shù)要求（圖6）。

3.2 配合件與連桿布置設(shè)計(jì)

根據(jù)在設(shè)計(jì)軟件里建立的概念運(yùn)動(dòng)模型，把最終要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能匹配件的各項(xiàng)細(xì)節(jié)零件進(jìn)行初步布置。主要涉及的零件有底座、伸縮機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）、手柄主體、連桿、旋轉(zhuǎn)軸、推塊和彈簧等。連桿在設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中應(yīng)具有剛度大、響應(yīng)快和精度高等優(yōu)點(diǎn)[4]。將布置進(jìn)一步細(xì)化，并確認(rèn)運(yùn)動(dòng)模型的可實(shí)現(xiàn)性，這個(gè)過程需要帶參數(shù)不斷修改調(diào)整連桿長度尺寸、轉(zhuǎn)軸位置，把各機(jī)構(gòu)進(jìn)一步確認(rèn)最優(yōu)值（圖7）。

3.3 連桿機(jī)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

（1）連桿機(jī)構(gòu)中涉及的幾根軸要平行；連桿上有通孔，要與軸等其他件受力。在保證連桿厚度的同時(shí)做大加筋條予以加強(qiáng)，然后再進(jìn)行減料。另外，確定主壁厚，要設(shè)計(jì)出凸邊并增加加強(qiáng)筋予以加強(qiáng)（圖8）。

（2）為了保證連桿的強(qiáng)度，其在運(yùn)動(dòng)包絡(luò)占用空間最小，以及單件具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，連桿除了厚度尺寸盡可能做大，寬度尺寸也在保證空間需求滿足的情況下盡量做大，以保證軸強(qiáng)度及軸與連桿配合的強(qiáng)度。

（3）主連桿中間端設(shè)計(jì)滑動(dòng)連桿弧形導(dǎo)槽，保證與滑動(dòng)軸的配合間隙?；瑒?dòng)軸配合導(dǎo)槽底部孔設(shè)計(jì)回位緩沖膠，能實(shí)現(xiàn)裝配的情況下盡量把連桿上做成一體注塑轉(zhuǎn)軸。

3.4 連桿機(jī)構(gòu)與其他零件細(xì)化設(shè)計(jì)

隱藏手柄結(jié)構(gòu)如圖9 所示，還需要對(duì)相關(guān)的底座、執(zhí)行器、手柄主體、連桿機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)軸、推塊和彈簧等部件進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化設(shè)計(jì)，以更合理地匹配連桿機(jī)構(gòu)。

4 相關(guān)CAE 分析校核

產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)中的CAE 分析在階段性理論求證中也尤其重要。CAE 分析可以最大限度地模擬實(shí)際工況，在理論層面校核概念原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中涉及的相關(guān)CAE 分析內(nèi)容通常有運(yùn)動(dòng)仿真、模態(tài)和受力等。其中，運(yùn)動(dòng)仿真的目的是為校核機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)可行性、各運(yùn)動(dòng)件之間的安全間隙以及干涉檢查。模態(tài)主要分析整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)屬性。另外，開啟力校核是車門外把手系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置的一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)，也是對(duì)車門外把手結(jié)構(gòu)、彈簧選擇和基座平衡塊等細(xì)分零件的一個(gè)綜合考察，在此不做展開。受力部分應(yīng)采用強(qiáng)度較高的材料[5]。

主基座與連桿機(jī)構(gòu)比較關(guān)鍵的性能在CAE 分析軟件中的分析情況如下。

4.1 靜力學(xué)分析校核

基座及連桿機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析校核如圖10 所示。CAE 分析結(jié)果顯示，在100 N 推出阻力工況下，連桿最大位移為0.554 mm，出現(xiàn)在連桿末端位置（目標(biāo)值為5.000 mm）。

4.2 受力形變校核

連桿機(jī)構(gòu)受力形變校核如圖11 所示。CAE 分析結(jié)果顯示，連桿機(jī)構(gòu)受Y 方向1 000 N 拉力作用時(shí)， 最大變形產(chǎn)生位移12.600 mm，出現(xiàn)在連桿靠近手柄末端處（目標(biāo)值為13.000 mm）。

4.3 應(yīng)力校核

連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)力校核如圖12 所示。CAE 分析結(jié)果顯示，連桿機(jī)構(gòu)受Y 方向1 000 N 拉力作用時(shí)， 最大應(yīng)力為280.0 MPa，出現(xiàn)在連桿的銷孔拐角處（目標(biāo)值為300.0 MPa）。

結(jié)合過往行業(yè)內(nèi)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果，連桿結(jié)構(gòu)方案應(yīng)用于隱藏把手，其性能可達(dá)到常規(guī)把手性能的80% 左右。因此，在科技化智能化的大背景下，平推式隱藏外開手柄成為造車新勢(shì)力主推結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

隱藏手柄作為一種汽車新興技術(shù)，已經(jīng)被越來越多的主機(jī)廠應(yīng)用。隨著汽車設(shè)計(jì)水平與生產(chǎn)工藝的不斷提升，隱藏手柄逐漸成為汽車特別是新能源汽車的主流應(yīng)用手柄，因此也給設(shè)計(jì)開閉件的技術(shù)人員提出了此方面技術(shù)儲(chǔ)備的要求及研究課題。

本文基于多連桿結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)技術(shù)的切入點(diǎn)，并結(jié)合采用CAD、CAE 設(shè)計(jì)軟件，對(duì)隱藏外開手柄在實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的伸縮功能方面開展了技術(shù)研究和開發(fā)應(yīng)用，使設(shè)計(jì)開發(fā)效率及產(chǎn)品可靠性進(jìn)一步提升。希望通過本文拋磚引玉，結(jié)合具體實(shí)踐，為廣大整車及零部件從事人員提供一些參考。

作者簡介：

龐夏光，本科，工程師，研究方向?yàn)檐囬T附件。

亓歡寧，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐囬T附件。

謝崇早，本科，工程師，研究方向?yàn)檐囬T附件。