基于公差的车门限位器包络面的参数化计算

黄国珍

摘 要：文章介绍了汽车前期开发过程中车门限位器布置的评价模型，提出车门限位器主臂轨迹的计算方法，并且在考虑限位器安装公差的基础上计算限位器主臂在车门内板内的运动包络面。

关键字：限位器;主臂;包络面;公差

Abstract： This paper introduces the evaluation method of automotive door checker， proposes a calculation method of the check arm contour and calculate the motion envelope of the checker arm between door outer panel and innen panel based on the tolerance of the door system.

Keywords： Door checker; Checker arm; Envelope; Tolerance

1 车门限位器及其功能介绍

汽车车门限位器是车门启闭系统中的关键零件，其设计与布置是否合理直接关系到整车的安全性以及车门启闭的灵活性等，是控制车门开启角度并使车门停留在某一预期开度位置的装置。轿车上的限位器可分为扭杆式限位器、弹簧式限位器以及盒式限位器。其中，扭杆式和弹簧式是和門铰链固定为一体，而盒式限位器独立于铰链，是一种最为常见的分体式限位器（如图1所示），由安装支架、轴销、主臂、限位器盒、防尘套和密封垫组成。对于汽车同一厂商，安装支架和轴销通常都是一样的，限位器盒会根据车门重量的大小可以有有限的几个模块可供选择，但主臂和防尘套则根据限位器在车门上的位置的不同而不同，同时，主臂的轮廓直接影响着防尘套的形状。因此可以说，车门限位器的设计其本质上就是车门限位器主臂的设计。

盒式车门限位器主臂有两个方向上的轮廓（如图2所示），一个沿着轴销轴向方向视角的轮廓，称之为主臂轨迹，它是限位器盒在限位器主臂上运动;另一个为沿着轴销径向方向视角的轮廓，称之为主臂形状，它反映了车门各级开启角度以及开启力度。这个两个相互独立的轮廓也相应地可以把车门限位器的设计分为两个阶段，在前期开发（总布置）时，仅考虑主臂轨迹，它与限位器在车门上的位置、车门玻璃以及铰链轴线直接相关;零部件设计阶段，考虑主臂形状，它与车门系统的重量、车门开启级数、各级开启角度以及产品定义要求的车辆驻坡角度相关。本文仅考虑车门限位器主臂轨迹以及主臂在车门内外板内运动包络面的设计。

2 限位器布置的关键参数

一般地，在车身宽度方向上，车门限位器布置在车门玻璃与车门内板之间（如图3所示），而在车身高度方向上，车门限位器则布置在上铰链与下铰链之间，并且尽量靠近下铰链的位置， 但由于车门内其他附件的边界条件限制使得限位器的布置出现偏上或者偏下的现象，通常情况下，限位器的布置遵循以下原则：

（1）限位器的旋转轴线与铰链轴线平行，以避免开关门过程中主臂与限位器盒之间发生摩擦产生异响;

（2）限位器的最大开启角度A应该比铰链的最大开启角度小5°以上，同时，考虑到前门尺寸一般情况下比后门大，其相应的限位器最大开启角度则应该比后门小，一般地，前门A值取64°，后门A值取68°;

（3）考虑到侧围与门内板冲压的便利性，限位器安装支架以及限位器盒的位置应尽量使其对应安装面与车身Y坐标方向的角度B、C大于6°;

（4）轴销到限位器盒中心点距离L的选择应该保证车门内板与车门密封条之间有足够的接触面积，如果L的选择影响到车门内板的冲压角度C，则可以选择适当加大L的取值，然后将限位器盒安装到限位器加强板上;

（5）开门过程中，限位器盒中心线与限位器主臂轨迹在限位器中心点位置的切线夹角T小于5°;

（6）限位器运动过程中相对于铰链轴线的力臂E不小于60mm;

（7）限位器包络面与车门玻璃等运动零件之间的间距G不小于10mm，与玻璃导槽、车门内板等固定零件之间的间距不小于5mm;

（8）选择合适的D、N，让限位器防尘罩到玻璃以及车门内板保持在合适的距离。

3 限位器轮廓的计算方法

通常地，有了门洞止口边和铰链轴线后，就可以相应地设计限位器的布置方案截面，并初步确定出安装支架以及限位器盒的位置。然后，就可以做主臂轨迹的设计。传统主臂轨迹设计方法多采用分段画圆——单元逼近法，这种方法绘制过程比较复杂，对于确定的安装支架和限位器盒位置以及确定的门开启角度，轨迹唯一且容易出错。事实上，主臂轨迹的主要作用就是限制开门的最终位置，同时在开关门过程中引导限位器盒顺畅地运动，未必是一条唯一的轨迹。一般地，只要在开关门过程中的任意位置，限位器盒中心线与主臂轨迹切线方向的夹角T都小于5°，即认为限位器盒能在限位器主臂上顺畅地运动。因此，对于确定的限位器安装支架和限位器盒的位置，可以在车门打开到最大位置时，桥接出一条主臂轨迹的曲线，然后反过来检查其在车门打开的各个中间位置是否都满足T<5°，如果不满足，则可以通过调整桥接曲线，直到所有的T都小于5°。

具体做法如下图4所示：

（1）确定安装支架及限位器盒位置，即确定限位器盒初始中线点O0;

（2）门开启角度A，将限位器盒及其中心点绕铰链轴线旋转到O8位置，并将O0到O8中心点位置绕铰链做8等分（根据需要可以更多等分）;

（3）假定门开启到最大角度A时，主臂绕着轴销旋转了K角度，即O0点旋转到了O0点，根据经验，一般K值控制在A±4°范围之内;

（4）保留O0点到轴销之间以及O8点之外的限位器盒中心线的直线段部分，用样条曲线桥接点O0点到O8点之间的部分，且保证相切连续，得到主臂轨迹;

（5）将得到的主臂轨迹绕限位器轴销旋转到各个中间位置O0，O1，O2，…，O8，并作出主臂轨迹在该点的切线，得到角度T0，T1，T2，…，T8;

（6）检查角度T0，T1，T2，…，T8，如果这些角度都满足小于5°，则认为限位器盒能比较顺滑地在主臂上滑动，则该主臂轨迹满足技术要求;反之，如果有其中一个或者多个角度大于5°，则调整桥接曲线的张量或者角度K值，直到所有角度都满足为止。

获得了限位器的主臂轨迹之后，根据主臂末端限位块的结构尺寸，可以得到如图5中主臂位置8所示的限位器主臂。同上述步骤5，可以得到类似的各个主臂的中间位置，然后让每个中间位置绕铰链轴线反向旋转对应的角度，得到各个主臂相对门内板设计状态的位置，主臂位置0，主臂位置1，主臂位置2，…，主臂位置8。这些主臂位置组成的连续空间，就是理论上限位器主臂在车门内板中运动的摆动包络面。

4 基于公差的限位器摆动分析

通过上面方法计算出来的主臂摆动包络面其实是在非常理论条件下得到的。而事实上限位器安装支架、限位器盒与门内板之间的固定以及門板与车身之间的安装都存在有公差，这种公差的存在使得限位器主臂在门内板之间的实际摆动量远大于上述计算获得的理论摆动量。通常，这些公差都等效累积到安装支架在安装平面上的公差，一般考虑±2.5mm。这时，公差反应到主臂在门内板空间内的运动其实就是主臂轴销绕着限位器盒中心点做±2.5mm的摆动（如下图6中的O3位置所示）。同计算主臂一样，做出主臂在开始过程中各个位置的摆动分析，然后然铰链轴线反向旋转相应角度，得到各个位置摆动分析相对门内板设计状态的位置。然后用封闭曲线将这些限位器主臂包围起来，且曲线到限位器主臂之间的距离控制在3mm左右（一般地，防尘套的料厚为1.5mm，留1.5mm间隙）。得到的封闭曲线则认为是限位器主臂在开门过程中在内门板中扫掠过的包络面。

5 校核及参数修正

以门洞止口边、门铰链轴线为输入，在Catia软件中构建如图4、图5、图6所示的限位器主臂包络面的参数化绘制CAD模型，导入车窗导槽、车门玻璃等零件，构建门内板结构方案，检查限位器盒、限位器主臂包络面与各周边零件的间隙是否满足技术要求。如果无法满足，则首先优先考虑调整图4中的角度K值，仍然无法满足技术要求的话，则考虑图3所示中的D、N值，直到满足。

6 结束语

本文简单介绍了车门限位器的结构与功能，阐述了限位器布置的评价模型及其关键参数，通过在Catia软件中构建参数化的CAD模型，控制限位器主臂切线与限位器中心线之间的角度偏差，计算出限位器的主臂轨迹及主臂的摆动包络面，最后通过评价模型来判定限位器的布置以及主臂轨迹是否合理。而且可以通过把参数化的CAD模型做成模板文件，推广引用到其它的工作项目中去，极大程度地提高了工作效率。

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