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以过约束空间机构构造的汽车侧门锁变模式电动开启支链

曲志洋 杭鲁滨 钟传磊

曲志洋,杭鲁滨,钟传磊. 以过约束空间机构构造的汽车侧门锁变模式电动开启支链[J]. 机械科学与技术,2023,42(8):1221-1228 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220081
引用本文: 曲志洋,杭鲁滨,钟传磊. 以过约束空间机构构造的汽车侧门锁变模式电动开启支链[J]. 机械科学与技术,2023,42(8):1221-1228 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220081
QU Zhiyang, HANG Lubin, ZHONG Chuanlei. Variable Mode Power Release Branch Chain of Vehicle Side Door Latch Constructed with Over-constrained Spatial Mechanism[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(8): 1221-1228. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220081
Citation: QU Zhiyang, HANG Lubin, ZHONG Chuanlei. Variable Mode Power Release Branch Chain of Vehicle Side Door Latch Constructed with Over-constrained Spatial Mechanism[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(8): 1221-1228. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220081

以过约束空间机构构造的汽车侧门锁变模式电动开启支链

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220081
基金项目: 国家自然科学基金项目(51475050)与上海市大型构件智能制造机器人技术协同创新中心开放基金项目(ZXY20211101)
详细信息
    作者简介:

    曲志洋(1996−),硕士研究生,研究方向为机器人机构学,1337465667@qq.com

    通讯作者:

    杭鲁滨,教授,博士,硕士生导师,hanglb@126.com

  • 中图分类号: TG112

Variable Mode Power Release Branch Chain of Vehicle Side Door Latch Constructed with Over-constrained Spatial Mechanism

  • 摘要: 面向汽车侧门锁轻量化及空间有效利用的需求,基于方位特征集提出一种空间过约束机构构型方案,对其拓扑结构及尺度约束类型进行机构解耦特征综合,构造两簇互相垂直的旋转副($\{R_A\|R_B\| R_F \perp R_E\|R_C\| R_D\} $);对空间解耦过约束机构尺度特征进行优化,综合出可用于车门锁电动开启的空间RRURR解耦少杆过约束机构;在此基础上增设由滑槽与扭簧组合的柔顺副,构建具有柔顺性的单回路变模式空间RRUPRR机构。其不同驱动模式、限位边界可实现多种运动模式及其模式切换,包括空间6R过约束机构运动、空间5R1P机构运动和平面3R1P四杆机构运动模式。将柔顺单回路变模式机构嵌入车门锁电动开启支链,实现了电动开启、手动开启等功能;动力学仿真得到手动开启工况中齿轮曲柄仅发生0.042°的微小转动角度,验证了电动开启支链与手动开启支链的运动兼容。
  • 图  1  汽车侧门锁传动机构及有待综合的电动开启支链

    Figure  1.  Side door lock transmission mechanism in automobiles and the electric opening support branched chain to be integrated

    图  2  待综合电动开启机构 和电动开启机构综合方案

    Figure  2.  To be integrated electric opening mechanism and electric opening mechanism comprehensive scheme

    图  3  开启机构尺度约束类型优化

    Figure  3.  Optimization of size-constrained types for the opening mechanism

    图  4  杆副优化后机构

    Figure  4.  The mechanism with optimized bar pair

    图  5  具有柔顺特性的空间RRUPRR机构

    Figure  5.  Spatial RRUPRR mechanism with compliant characteristics

    图  6  汽车侧门锁机构结构示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of the automobile side door lock mechanism

    图  7  空间RRURR机构运动学模型

    Figure  7.  Kinematic model of the spatial RRURR mechanism

    图  8  RRPR机构矢量封闭模型

    Figure  8.  Vector closure model of the RRPR mechanism

    图  9  基于Adams构建的车门锁机构仿真模型

    Figure  9.  Simulation model of the door lock mechanism based on Adams

    图  10  电动开启过程转角变化

    Figure  10.  Variation in angle during the electric opening process

    图  11  电动开启过程棘轮棘爪接触力曲线

    Figure  11.  The contact force curve of the ratchet and pawl during the electric opening process

    图  12  电动开启过程中齿轮曲柄驱动力变化曲线

    Figure  12.  Variation in the driving force of the gear crank during the electric opening process

    图  13  手动开启过程棘轮棘爪接触力曲线

    Figure  13.  The contact force curve of the ratchet and pawl during the manual opening process

    图  14  手动开启过程中齿轮曲柄转角变化

    Figure  14.  Variation in crank angle during the manual opening process

    表  1  各工况车门锁操作机构运动过程及其对应的空间柔顺七杆机构运动示意图

    Table  1.   Motion processeses of the operating mechanisms for various working conditions of the door lock and corresponding motion diagrams of the spatial compliant seven-bar mechanisms

    工况车门锁操作机构运动示意图空间柔顺七杆机构运动示意图功能实现及运动过程



    曲柄CD逆时针转动,带动棘爪盘AB使棘爪脱离限位块;一定角度后,棘爪释放棘轮,门锁开启;该过程转动副B始终处于滑槽极限位置,不会产生相对滑动。
    P副刚化,空间RRUPRR机构转化为空间RRURR机构。 1自由度空间过约束机构运动模式
    $\rm DOF=6-5=1 $
    等效机构为:RRURR过约束机构





    曲柄CD与棘爪顺时针旋转复位,由于惯性力作用,齿轮曲柄CD回到原始位置后会继续反转一段距离,此时棘爪和棘爪盘由于扭簧力的作用保持静止。
    复位扭簧TD为驱动,空间RRUPRR机构转化为空间RRUPR机构。 1自由度空间机构运动模式
    $ \rm DOF=6-5=1 $
    等效机构为:空间5R1P机构



    棘爪盘AB顺时针转动,转动副B脱离滑槽左端极限位置,与滑槽之间产生相对滑动,同时棘爪顺时针转动,一定角度后棘爪释放棘轮,门锁开启。
    转动副D刚化,空间RRUPRR机构转化为平面3R1P机构。 1自由度平面机构运动模式
    $\rm DOF=6-5=1 $
    等效机构为:平面3R1P机构
    注:图中黑色虚线为运动初始位置,黑色实线为运动过程某一瞬时位置。
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    表  2  扭簧刚度系数及预载荷参数

    Table  2.   The stiffness coefficient and pre-load parameters of the torsion spring

    参数刚度系数/(Nmm·(°)−1预载荷/N
    棘爪扭簧$ {T_1} $ 2.2119 265
    棘轮扭簧$ {T_2} $ 0.4927 −340
    曲柄扭簧$ {T_D} $ 2.2119 0
    柔顺扭簧$ {T_B} $ 0.4927 0
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    表  3  齿轮传动机构参数

    Table  3.   Gear transmission mechanism cylinder parameters

    参数数值
    齿轮曲柄节圆半径r 13.5 mm
    齿轮传动机构传动比i 1∶120
    电机最大转矩T 11 Nmm
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-21
  • 网络出版日期:  2023-09-13
  • 刊出日期:  2023-08-31

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