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用于汽车门锁的多运动模式空间柔顺开启机构及稳定性分析

钟传磊 杭鲁滨 王明远 曲志洋

钟传磊,杭鲁滨,王明远, 等. 用于汽车门锁的多运动模式空间柔顺开启机构及稳定性分析[J]. 机械科学与技术,2023,42(11):1801-1810 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220118
引用本文: 钟传磊,杭鲁滨,王明远, 等. 用于汽车门锁的多运动模式空间柔顺开启机构及稳定性分析[J]. 机械科学与技术,2023,42(11):1801-1810 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220118
ZHONG Chuanlei, HANG Lubin, WANG Mingyuan, QU Zhiyang. Stability Analysis and Spatial Compliant Power Release Mechanism of Vehicle Door Latch with Multi-Mode Motion[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(11): 1801-1810. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220118
Citation: ZHONG Chuanlei, HANG Lubin, WANG Mingyuan, QU Zhiyang. Stability Analysis and Spatial Compliant Power Release Mechanism of Vehicle Door Latch with Multi-Mode Motion[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(11): 1801-1810. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220118

用于汽车门锁的多运动模式空间柔顺开启机构及稳定性分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220118
基金项目: 国家自然科学基金项目(51475050)、上海汽车工业科技发展基金项目(1617)及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:

    钟传磊(1996−),硕士研究生,研究方向为机器人机构学,z912436244@126.com

    通讯作者:

    杭鲁滨,教授,硕士生导师,hanglb@126.com

  • 中图分类号: TH112

Stability Analysis and Spatial Compliant Power Release Mechanism of Vehicle Door Latch with Multi-Mode Motion

  • 摘要: 针对高端电动开启车门锁多工况下多支链主被动运动相容及力柔顺需求,基于变拓扑柔顺副提出了新型电动开启空间柔顺机构,该柔顺机构可实现运动空间相容、具有力顺应特征。依汽车门锁原动件、限位不同情况自动切换4种运动模式适应上解保险、开启门锁等不同工况;以含槽连杆槽内端点作为连杆特征点,研究该多模式空间柔顺机构的连杆空间轨迹、力柔顺特征、模式切换特征;根据特征点电动开启过程的相图与轨迹可视化分析,发现柔顺副扭簧刚度kT是影响机构运动稳定性关键因素。提出将最大Lyapunov指数作为柔顺机构动力系统稳定性的评价指标,以带时标连杆特征点三维轨迹构造时变位移序列,用Wolf算法计算其最大Lyapunov指数,进行空间柔顺机构运动稳定性衡量,最终优选得到柔顺副刚度kT值,确保了机构运动稳定性。
  • 图  1  高端汽车侧门锁多支链机构示意图

    Figure  1.  Schematic diagram for the interior mechanisms of a vehicle's side door latch

    图  2  新型柔顺副示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of a novel compliant joint

    图  3  多模式空间柔顺机构简图

    Figure  3.  Schematic diagram of a multi-mode spatial compliant mechanism

    图  4  多模式空间柔顺机构锁内应用

    Figure  4.  Application of spatial compliant mechanism with multi-mode motion to the vehicle's side door latch

    图  5  空间柔顺机构所构造汽车门锁机构简图

    Figure  5.  Schematic diagram of the vehicle's side door latch's interior mechanisms constructed with the spatial compliance mechanism

    图  6  多模式空间柔顺机构构造的汽车门锁仿真模型

    Figure  6.  The simulation model of the vehicle's latchconstructed with the spatial compliance mechanism

    图  7  特征点F分段轨迹示意图

    Figure  7.  Schematic diagram of characteristic point F sectional trajectory

    图  8  扭簧不同刚度kT下,特征点F轨迹与相图

    Figure  8.  Motion trajectories and phases of characteristic point F trajectory with different kT

    图  9  Wolf数值法求解Lyapunov过程示意图

    Figure  9.  Schematic diagram of the Wolf method used to solve the Lyapunov exponents

    图  10  柔顺副扭簧不同刚度kT下,最大Lyapunov指数图

    Figure  10.  The curves of the Lyapunov exponents along time series data with different stiffness kT

    图  11  kT =1.53 N∙mm/°时,特征点F轨迹与相图

    Figure  11.  The trajectory and phase of characteristic point F when compliance joint stiffness kT = 1.53 N∙mm/°

    图  12  含多模式空间柔顺机构的汽车门锁样机实物

    Figure  12.  Prototype of vehicle's side door latch of themulti-mode spatial compliant mechanism

    表  1  各工况空间柔顺机构过程及其对应的车门锁机构运动

    Table  1.   Kinematical representation and relationship between vehicle's side door latch and spatial compliant mechanism under various working modes

    空间柔顺机构多运动模式及其机构简图不同工况下汽车门锁机构简图
    1.RSRRR运动模式 电动开启工况(开启阶段)
    AB杆逆时针旋转,旋转中心G运动到槽内极限位置柔顺副转化为R副,机构运动中自由度为1,具有确定性运动。 初始位姿 电机正转,不完全齿轮与AB杆啮合,驱动AB杆逆时针旋转,带动DE杆脱开L1限位块并运动至L2限位块处,棘爪释放棘轮,汽车门锁实现电动开启功能。
    运动过程
    2. RRPRSR运动模式 电动开启工况(复位阶段)
    DE杆受扭簧力T3的影响逆时针旋转,机构自由度为2,机构处于欠驱动状态,扭簧力T4约束一个自由度运动,机构实现力自适应复位运动。 初始位姿 不完全齿轮与AB杆脱啮,在扭簧力矩T1T3的作用下,DE杆从L2限位块处向L1限位块处复位,实现汽车门锁电动开启自动复位。
    运动过程
    3. RRPRS运动模式 手动开启工况
    AB杆刚化不可动,DE杆顺时针驱动,运动过程中自由
    度为1,具有确定
    性运动。
    初始位姿 AB杆受蜗轮蜗杆自锁影响被锁定,变为机架,DE杆顺时针旋转脱开 L1限位块运动至 L2限位块,棘爪释放棘轮,实现门锁手动开启且不影响电动开启支链。
    运动过程
    4.RRRP运动模式 上保险工况
    AB杆顺时针驱动,DE杆受限位影响刚化不可动。BS副消极为R副。扭簧提供弹性储能,实现机构自动复位。运动过程中自由度为1,具有确定性运动。 初始位姿 电机反转,不完全齿轮与AB杆啮合,驱动AB杆顺时针旋转、保险支链运动,实现保险支链与电动开启支链脱离,完成上保险动作且与电动开启支链兼容。
    运动过程
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    表  2  空间柔顺机构几何和物理参数

    Table  2.   Geometric and physical parameters of the spatial compliant mechanism

    零件机构简图材料质量/kg长度/mm
    曲柄齿轮lAB7500尼龙6.63 × 10−48.1
    含槽连杆lBC7500尼龙3.06 × 10−431.3
    滑块连杆lCD7500尼龙1.08 × 10−329.0
    棘爪盘lDE45#钢1.35 × 10−219.0
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    表  3  门锁机构内部扭簧参数设置

    Table  3.   Interior torsion springs' parameter design for latch mechanism

    扭簧刚度/
    (N·mm·°−1
    初始角度/(°)预载荷/(N·mm)
    棘爪扭簧0.492725.1021.300
    棘轮扭簧0.492723.27340.725
    棘爪盘扭簧2.2119105265.428
    柔顺副扭簧1.00001800
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    表  4  门锁机构各工况下不同运动模式的运动特性

    Table  4.   Different motion characteristics of the vehicle's side door latch under different working modes

    工况驱动时间/ms运动速度自由度驱动力矩/(N·mm)
    电动开启821,213.3
    手动开启1000113.3
    电动保险25极快15.2
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    表  5  扭簧不同刚度kT对应最大Lyapunov指数

    Table  5.   The largest Lyapunov exponents corresponding to different kT

    kT /(N·mm·°−1最大Lyapunov指数λmax
    0.50.004578
    1.00.004951
    1.50.000842
    2.00.003283
    3.00.004578
    5.00.001759
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    表  6  kT插值搜索区域对应的最大Lyapunov指数

    Table  6.   The largest Lyapunov exponents corresponding toadditional kT values' search regions

    kT /(N·mm·°−1最大Lyapunov指数λmax
    1.450.000766
    1.460.001972
    1.470.000657
    1.480.000633
    1.490.001390
    1.500.000842
    1.510.002058
    1.520.000809
    1.530.000000
    1.540.002609
    1.550.003664
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  • 收稿日期:  2021-10-07
  • 刊出日期:  2023-11-30

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