一种大灯开关旋钮轨道数据建模方法与流程

本发明涉及机械工业技术领域，尤其涉及一种大灯开关旋钮轨道数据建模方法。

背景技术：

机械部件在设计过程中均需进行实体造型，以供强度分析、结构优化设计之用，除此之外还可供装配分析及数控加工之用。

现有技术中，大灯开关旋钮轨道的设计存在以下缺点：(1)轨道面设计过于简化，且弹簧设计过程中仅与两点载荷相关，导致整个轨道仅两点与目标值相近，无法保证过程中扭矩变化，也无法控制扭矩增长斜率，保证回位；(2)高度分配存在问题，根据面积定比例的前提是高度增长斜率与扭矩值成正比，由于整个过程中弹簧载荷是变化的，因而扭矩与高度增长斜率不成正比，在弹簧载荷差值较大时此高度分配误差越大；(3)弹簧设计存在隐患：弹簧设计不仅只能满足两点要求，在引入最大行程作为压缩量，弹簧压缩量可能会不满足弹簧设计的行程要求；(4)角度设计由于未考虑β角，导致目标位置存在偏差；(5)对于扭矩过程复杂如此例正转(最大扭矩非最大压缩位置同时有位置要求)设计难以实现；(6)产品开发周期长，且成本高，偏离目标时需重新设计。

由此可见，大灯开关旋钮轨道为很复杂的曲面造型，以往的建模方式必须依赖于人工操作，反复修改方能保证建模的准确性，建模效率低下。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种大灯开关旋钮轨道数据建模方法，解决现有技术中大灯开关旋钮轨道建模效率低下的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种大灯开关旋钮轨道数据建模方法，所述方法包括：

获取大灯开关旋钮轨道的扭矩曲线；

根据扭矩或载荷的设计要求，确定结构参数，并根据所述确定的结构参数，通过几何与受力关系构建出爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，且进一步将所述扭矩曲线划分成多个依序连接的爬坡直线和/或下坡直线，使得每一爬坡直线和下坡直线通过牛顿迭代思想离散微元直线的斜率均可通过柱坐标转化后形成由高度随角度增量变化的对应关系；

确定所述扭矩曲线的起点及其对应的回位角、修正角和高度，并根据所述起点的回位角、修正角和高度，以及预设的角度增量，利用所述构建出的爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，依序计算每一爬坡直线和/或下坡直线的高度；

将所述依序计算得到的高度进行拟合，绘制出三维的目标轨道曲线。

其中，所述确定所述扭矩曲线的起点及其对应的回位角、修正角和高度，并根据所述起点的回位角、修正角和高度，以及预设的角度增量，依序计算每一爬坡直线和/或下坡直线的高度的步骤具体包括：

S1、统计计算次数N；其中，N由预设的总角度和角度增量决定，且N为整数；

S2、确定所述起点的回位角、修正角和高度，并确定与起点相连的直线及其利用的当前扭矩公式；其中，当与起点相连的直线为爬坡直线时，则所述与起点相连直线利用的扭矩公式为爬坡扭矩公式；当与起点相连的直线为下坡直线时，则所述与起点相连直线利用的扭矩公式为下坡扭矩公式；

S3、根据所述起点的回位角、修正角和高度，所述预设的角度增量，以及所述与起点相连直线利用的扭矩公式，得到与起点相连直线的高度并作为当前计算得到的高度输出，且将N减一；

S4、判断N是否大于0；

S5、如果是，则获取所述当前计算得到的高度，并获取当前依序计算的下一直线及其利用的扭矩公式、回位角和修正角；其中，当所述下一直线为爬坡直线时，则所述下一直线利用的扭矩公式为爬坡扭矩公式；当所述下一直线为下坡直线时，则所述下一直线利用的扭矩公式为下坡扭矩公式；

S6、根据所述获取到的当前计算得到的高度，所述下一直线利用的扭矩公式、回位角和修正角，以及所述预设的角度增量，得到所述下一直线的高度并作为当前计算得到的高度输出，且将N再减一后，返回步骤S4；

S7、如果否，则输出所有计算得到的高度。

其中，所述爬坡直线得到的由高度随角度增量变化的对应关系为大于0；所述下坡直线得到的由高度随角度增量变化的对应关系为小于0。

其中，所述绘制出的三维的目标轨道曲线可根据3D数据参数化建模或动力学模拟验证。

其中，所述方法进一步包括：

获取所述绘制出的三维的目标轨道曲线对应输出的数据，并将所述获取到的数据导入CAD实现三维模型建立。

其中，所述结构参数包括旋转中心位置、球头半径、旋转外壳安装位置到转动轨道间距、初始外壳安装位置到球心间距、轨道中面到旋转中心距离、弹簧参数、摩擦系数及扭矩值。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

基于轨道扭矩正转公式，利用数值分析方法对轨道曲线进行离散，以直代曲，对多参数进行定量，建立高度增量求解方程，然后利用MATLAB，根据扭矩及轨道曲线尺寸范围要求，反求轨道曲线，从而解决了多参数引起的扭矩不确定问题，本发明设计简单，使用方便，参数可调，适用面广，能够快速精确建立轨道数据模型，减少了设计人员的工作负担。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的大灯开关旋钮轨道数据建模方法的流程图；

图2a-2b为本发明实施例提供的大灯开关旋钮轨道数据建模方法中旋钮工作原理图；其中，2a为结构参数分析图；2b为修正角分析图；

图3a-3b为本发明实施例提供的大灯开关旋钮轨道数据建模方法中档位销受力分析图；其中，3a为爬坡受力分析图；3b为下坡受力分析图；

图4为本发明实施例提供的大灯开关旋钮轨道数据建模方法中步骤S103的流程图；

图5a-5b为本发明实施例提供的大灯开关旋钮轨道数据建模方法中扭矩的应用场景图；其中，5a为正转扭矩分析图；5b为反转扭矩分析图；

图6a-6b为本发明实施例提供的大灯开关旋钮轨道数据建模方法中MATLAB生成曲线的应用场景图；其中，6a为正转轨道曲线图；6b为反转轨道曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种大灯开关旋钮轨道数据建模方法，所述方法包括：

步骤S101、获取大灯开关旋钮轨道的扭矩曲线；

具体过程为，该扭矩曲线为预先设置的，所获取的扭矩曲线可在后续处理过程中进行离散处理。

步骤S102、根据扭矩或载荷的设计要求，确定结构参数，并根据所述确定的结构参数，通过几何与受力关系构建出爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，且进一步将所述扭矩曲线划分成多个依序连接的爬坡直线和/或下坡直线，使得每一爬坡直线和下坡直线通过牛顿迭代思想离散微元直线的斜率均可通过柱坐标转化后形成由高度随角度增量变化的对应关系；

具体过程为，基于MATLAB编程，根据扭矩或载荷设计要求，确定结构参数，并根据结构参数，通过几何与受力关系构建出爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，具体如图2a至图3b所示：

将扭矩曲线转换为不同角度位上下坡目标扭矩值、并获取摩擦系数；同时对结构参数进行初始定义(如旋转中心位置、球头半径、旋转外壳安装位置到转动轨道间距、初始外壳安装位置到球心间距、轨道中面到旋转中心距离、弹簧参数、摩擦系数及扭矩值；弹簧参数包括线径、中径及预压)；

建立爬坡扭矩公式、下坡扭矩公式；其中，爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式均为由回位角、修正角和高度形成的关系式。

以爬坡扭矩公式为例，进行说明，具体如下：

爬坡扭矩方程：M_爬＝F_N×ρ×sinα+F_f×ρ×cosα

其中F_N为法向力，ρ为轨道中面到旋转中心的距离，α为回位角，F_f为摩擦力，r为小球半径。

$F_N=\frac{S}{cos\mathrm{\α}-\mathrm{\μ}\×sin\mathrm{\α}}$

$F_f=\mathrm{\μ}\×\frac{S}{cos\mathrm{\α}-\mathrm{\μ}\×sin\mathrm{\α}}$

其中S为瞬时弹簧力

L＝L_t-H-r×cos(α)

S＝S₀+k×(L₀-L)

其中β为修正角，其中S₀为弹簧初始预压力。

$\mathrm{\β}=arctan\left(\frac{r\×\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\ρ}}\right)$

进一步的，该扭矩曲线使用内部函数离散成数组形式来表示，从而对扭矩曲线分解的单独段(爬坡或下坡段)进行角度离散分段。

此时，爬坡直线和下坡直线的斜率进行柱坐标转化后，利用几何关系，形成高度随角度增量变化的对应关系，具体如下：

$tan\left(\mathrm{\α}\right)=\left|\frac{dH}{\mathrm{\ρ}\·d\mathrm{\θ}}\right|$

其中看作整体进行求解

即建立几何、力学方程、柱坐标微分方程，通过变量回位角α为中间桥梁建立起角度随半径增量与目标扭矩的关系式。

步骤S103、确定所述扭矩曲线的起点及其对应的回位角、修正角和高度，并根据所述起点的回位角、修正角和高度，以及预设的角度增量，依序计算每一爬坡直线和/或下坡直线的高度；

具体过程为，步骤S1、统计计算次数N；其中，N由预设的总角度和角度增量决定，且N为整数；在一个实施例中，N＝预设的总角度/预设的角度增量，且取整；

步骤S2、确定起点的回位角、修正角和高度，并确定与起点相连的直线及其利用的当前扭矩公式；其中，当与起点相连的直线为爬坡直线时，则与起点相连直线利用的扭矩公式为爬坡扭矩公式；当与起点相连的直线为下坡直线时，则与起点相连直线利用的扭矩公式为下坡扭矩公式；

步骤S3、根据起点的回位角、修正角和高度，预设的角度增量，以及与起点相连直线利用的扭矩公式，得到与起点相连直线的高度并作为当前计算得到的高度输出，且将N减一；

步骤S4、判断N是否大于0；

步骤S5、如果是，则获取当前计算得到的高度，并获取当前依序计算的下一直线及其利用的扭矩公式、回位角和修正角；其中，当下一直线为爬坡直线时，则下一直线利用的扭矩公式为爬坡扭矩公式；当下一直线为下坡直线时，则下一直线利用的扭矩公式为下坡扭矩公式；

步骤S6、根据获取到的当前计算得到的高度，下一直线利用的扭矩公式、回位角和修正角，以及预设的角度增量，得到下一直线的高度并作为当前计算得到的高度输出，且将N再减一后，返回步骤S4；

步骤S7、如果否，则输出所有计算得到的高度。

应当说明的是，本发明实施例中的方法首先根据上一直线的半径作为当前计算得到的高度，其次利用下一直线对应的扭矩公式来求解回位角α，再次根据回位角α求解下一直线斜率，然后将下一直线的斜率进行柱坐标转化求出高度随角度增量。根据角度增量与高度随角度增量相乘得到半径增量，最后加上初始高度就得到本次计算的半径值。

步骤S104、将所述依序计算得到的高度进行拟合，绘制出三维的目标轨道曲线。

具体过程为，绘制出的三维的目标轨道曲线可根据3D数据参数化建模或动力学模拟验证。当然，更进一步的，获取绘制出的三维的目标轨道曲线对应输出的数据，并将获取到的数据导入CAD实现三维模型建立。

如图5a至图6b所示，对本发明实施例中的大灯开关旋钮轨道数据建模方法的应用场景做进一步说明：

旋钮受扭矩最大值位于转角15°处，目标扭矩为1.0±0.2N。根据目标扭矩生成轨道数据(注：反转角度添加负号)，导入cad，将cad曲线进行三维模型绘制。正转扭矩模拟结果最大扭矩为M1＝3.94*2＝7.88N*cm，角度值S1为9.9°，第二档位S2位于30°，且在档位附近存在较大扭矩梯度，符合设计要求，对应反转扭矩模拟最大载荷M3＝N*cm，角度值S3＝14.8°，M4为3.22*2＝6.44，S4＝20.1°，手感值为32％，符合反转要求。正转目标扭矩M1＝8±2N*cm，实测结果7.9N*cm，S1＝10°±1.5°，实测值9.5°，符合设计要求。第二档位S2＝30±1.5°，实测29.4°，同时在档位附近(0°、29.4°)存在较大扭矩梯度。

反转目标扭矩M3＝10±2N*cm，实测9.9N*cm，S3＝15°±1.5°，实测15.3°，M4＝7±2N*cm实测7.5N*cm。S4＝20±1.5°，实测19.6°，手感值设计目标为30％，实测24％。实测结果验证本发明可行

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

基于轨道扭矩正转公式，利用数值分析方法对轨道曲线进行离散，以直代曲，对多参数进行定量，建立高度增量求解方程，然后利用MATLAB，根据扭矩及轨道曲线尺寸范围要求，反求轨道曲线，从而解决了多参数引起的扭矩不确定问题，本发明设计简单，使用方便，参数可调，适用面广，能够快速精确建立轨道数据模型，减少了设计人员的工作负担。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。