客車氣動(dòng)雙內(nèi)擺門的設(shè)計(jì)

張?jiān)气P，程小平

（安徽安凱汽車股份有限公司汽車工程研究中心，合肥 230051）

客車氣動(dòng)雙內(nèi)擺門的設(shè)計(jì)

張?jiān)气P，程小平

（安徽安凱汽車股份有限公司汽車工程研究中心，合肥 230051）

介紹氣動(dòng)內(nèi)擺門的結(jié)構(gòu)、工作原理，繪制出運(yùn)動(dòng)軌跡圖；分析運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制點(diǎn)，確定以及控制點(diǎn)位置對(duì)通道、踏步尺寸的影響，并給出設(shè)計(jì)實(shí)例。

城市客車；氣動(dòng)雙內(nèi)擺門；結(jié)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)軌跡

客車乘客門按結(jié)構(gòu)可分為折疊門、內(nèi)擺門、外擺門等；按驅(qū)動(dòng)方式可分為手動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)等。氣動(dòng)內(nèi)擺門具有開度大、有效通道寬、乘客上下車方便/快捷、駕駛員控制方便等優(yōu)點(diǎn)，而且雙內(nèi)擺門前后兩扇門板上都能安裝上下車扶手，便于乘客上下車時(shí)抓扶，可有效防止乘客上下車時(shí)受傷。另外，內(nèi)擺門還具有防夾功能，車門在關(guān)閉過程中，如遇到障礙物，氣壓開關(guān)工作，車門將立即自動(dòng)打開而避免夾傷人。內(nèi)擺門的外形可以與側(cè)圍弧度一致，上下左右采用全密封結(jié)構(gòu)，門玻璃采用全景大玻璃形式，不僅外形美觀，還能避免客車行駛時(shí)由于乘客門內(nèi)凹而形成空氣渦流，減小風(fēng)阻，降低油耗和噪聲。因此，內(nèi)擺門在客車尤其是城市客車中應(yīng)用最為廣泛。

1 氣動(dòng)雙內(nèi)擺門設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

氣動(dòng)內(nèi)擺門的結(jié)構(gòu)[1-4]如圖1所示，其工作原理如圖2所示?；钊麠U向右伸出，雙內(nèi)擺門前扇門向前打開，同時(shí)后扇門向后打開。當(dāng)翹板開關(guān)B點(diǎn)接通時(shí)，電磁閥上端線圈通電，壓縮空氣經(jīng)電磁閥向氣缸1左腔充氣，同時(shí)壓縮空氣經(jīng)電磁閥向氣缸2右腔充氣，氣缸1右腔殘留的空氣和氣缸2左腔殘留的空氣經(jīng)電磁閥排氣口排出，壓縮空氣推動(dòng)氣缸1活塞向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)壓縮空氣推動(dòng)氣缸2活塞向左運(yùn)動(dòng)，雙內(nèi)擺門前后兩扇同時(shí)關(guān)閉[5-6]。當(dāng)氣路、電路出現(xiàn)故障時(shí)，將各應(yīng)急閥中的任何一個(gè)應(yīng)急閥旋鈕撥到“關(guān)”的位置，氣缸1和氣缸2左右腔的壓縮空氣都能通過電磁閥的排氣口及各應(yīng)急閥的排氣口排出，從而實(shí)現(xiàn)乘客門的手動(dòng)打開和關(guān)閉。圖2中各應(yīng)急閥的氣管路是串聯(lián)在一起的，因此，如遇到緊急情況，只要將方便操作位置的任何一個(gè)應(yīng)急閥旋轉(zhuǎn)按鈕撥到“關(guān)”的位置，就能實(shí)現(xiàn)乘客門的手動(dòng)打開和關(guān)閉。

1.2 上下?lián)u臂與門體的運(yùn)動(dòng)

上下?lián)u臂與門體的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。氣缸驅(qū)動(dòng)曲柄繞A點(diǎn)（上下轉(zhuǎn)臂或門軸回轉(zhuǎn)中心）轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)門軸及上下擺臂一起繞門軸中心A旋轉(zhuǎn)，門體上各點(diǎn)隨之運(yùn)動(dòng)。在門體運(yùn)動(dòng)過程中，E點(diǎn)（門體上滾輪中心）始終在固定于托盤下面的滑道里作直線滑動(dòng)[2]，保持Y向不變。由圖3可以看出，當(dāng)D點(diǎn)（上轉(zhuǎn)臂或下轉(zhuǎn)臂與門體鉸接點(diǎn)）繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)β角到D'時(shí)，門體上E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以看作該點(diǎn)隨著D點(diǎn)的變化由E平移到E'。同時(shí)，該點(diǎn)繞D'反向旋轉(zhuǎn)，由E旋轉(zhuǎn)至E"。由于滑道的限位作用，E"與E在Y方向上位置不變。E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以看作以上平移運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果[2]。同樣，門體上其它各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)也可以看作是這兩種運(yùn)動(dòng)的合成，正是這種合成運(yùn)動(dòng)決定了內(nèi)擺門運(yùn)動(dòng)軌跡的確定性[2]。由于E點(diǎn)隨D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)由E平移到E'，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離EE'等于D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離DD'，因此，DD'的Y向距離Ydd'等于EE'的Y向距離Yee'，即Ydd'=Yee'。又因?yàn)镋''與E'在Y方向上位置不變，所以 Ye'e''=Yee'，即 Ye'e''=Ydd' （1）

令δ=arctg（Xad/Yad）

式中：Xad為門體關(guān)閉時(shí)轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)中心A點(diǎn)和上搖臂（或下?lián)u臂）與門體鉸接點(diǎn)D之間的X向距離；Yad為A點(diǎn)和 D點(diǎn)之間的Y向距離。令 θ=arctg（Xd'e'/Yd'e'）式中：Xd'e'為D點(diǎn)與門體滾輪E點(diǎn)之間的X向距離；Yd'e'為D點(diǎn)和E點(diǎn)之間的Y向距離。

由圖可知，Ydd'=Yad+Yad'=ADcosδ+ADcos（180- βδ）=ADcosδ+ADcos（β+δ） （2）

式中：AD為搖臂回轉(zhuǎn)中心A點(diǎn)和搖臂與門體鉸接點(diǎn)D之間的直線距離。

同理，可以得出

式中：DE為搖臂與門體鉸接點(diǎn)D點(diǎn)和門體上滾輪E點(diǎn)之間的直線距離。

將（2）式、（3）式代入（1）式，可得

（4）式就是上下?lián)u臂與門體運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)角δ與θ之間的關(guān)系式。當(dāng)Xad=Xd'e'=Xde，Yad=Yd'e'=Yde時(shí)，AD=DE且θ=δ，此時(shí)，γ=β。在這種情況下，當(dāng)搖臂隨門立軸轉(zhuǎn)過一個(gè)角度β時(shí)，鉸接點(diǎn)D移到D'，門體上各點(diǎn)隨之平移的同時(shí)，還繞D'點(diǎn)反向旋轉(zhuǎn)相同的角度β[7-8]。

1.3 內(nèi)擺門各點(diǎn)位置的確定

由圖4可以看出，門軸中心A點(diǎn)與氣缸轉(zhuǎn)軸5的中心C點(diǎn)的相對(duì)位置影響驅(qū)動(dòng)力f的方向與運(yùn)動(dòng)方向V的夾角α的大小，α越小，所需的驅(qū)動(dòng)力越小，內(nèi)擺門的運(yùn)動(dòng)越輕便靈活；當(dāng)曲柄擺到正中位置B"時(shí)，應(yīng)使α=0，這樣效果最好。由圖4還可以看出，氣缸活塞推桿與曲柄鉸接點(diǎn)在B點(diǎn)（氣缸活塞推桿與曲柄鉸接點(diǎn)）時(shí)，氣缸活塞推桿伸出長度最短；當(dāng)移到B'位置時(shí)，氣缸活塞桿伸出長度最長。由此可以確定氣缸活塞桿的最小行程[9]。另外，A點(diǎn)與C點(diǎn)（氣缸轉(zhuǎn)軸中心）距車身側(cè)圍骨架的內(nèi)側(cè)墻不能過大，否則，門泵托盤尺寸過大，門泵裝飾罩制作困難，而且車內(nèi)裝飾顯得蠢笨，也影響上車通道寬度和踏步深度。門立軸曲柄在回轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)保證不與側(cè)圍等其它件干涉。在滿足此項(xiàng)要求的前提下，該距離越小越好。確定A點(diǎn)的X向位置應(yīng)注意，要使A點(diǎn)與門框邊緣基本對(duì)齊，A點(diǎn)太靠右（即門立軸太靠門踏步兩端）。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，門軸轉(zhuǎn)臂很可能與側(cè)圍密封、門框干涉，并且在通常情況下，因底盤橋、板簧等的布置以及乘客門的開檔盡可能大等綜合因素，此處空間往往都比較緊湊；A點(diǎn)太靠左，會(huì)占用乘客門的空間，使門的開度、上車通道有效寬度降低。乘客門完全打開后，當(dāng)門體打開90°時(shí)，開度最大，通道最寬；當(dāng)小于90°時(shí)，前后兩扇門體外側(cè)向內(nèi)傾斜，入口處寬度減小；當(dāng)大于90°時(shí)，前后兩扇門體外側(cè)向門框兩邊傾斜，門體極有可能與門框干涉。因此，內(nèi)擺門設(shè)計(jì)時(shí)通常將打開角度設(shè)計(jì)為90°作為乘客門打開時(shí)的極限位置。當(dāng)受到空間限制時(shí)，可以使門軸轉(zhuǎn)角大于90°，以加大門口通道寬度，但應(yīng)進(jìn)行校核，確保不干涉，而且門軸轉(zhuǎn)角越大，在極限位置α角越大，所需驅(qū)動(dòng)力越大，影響門體啟動(dòng)靈活性。

車門開啟90°時(shí)，上滾輪位置不同、開啟狀況也不一樣。圖5是我公司同樣一款車型的乘客門的兩種不同設(shè)計(jì)方案的軌跡示意圖，圖5（a）是A、E兩點(diǎn)共線，圖5（b）為A、E兩點(diǎn)不共線。兩種狀態(tài)乘客門開度差不多，但圖5（a）在乘客門啟閉過程中，門邊與門軸之間的最小距離要比圖5（b）的大（31 mm＞26 mm），在車身骨架焊接有誤差的情況下，在門立軸需要安裝門軸護(hù)套以防乘客抓扶夾傷手的情況下，圖5（a）在乘客門啟閉過程中，不易與門軸（或是門軸護(hù)套）干涉，調(diào)節(jié)余量要比圖5（b）大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，A、E共線，效果最好。

2 實(shí)例分析

現(xiàn)以我公司13.7 m長的客車乘客門為例，簡單介紹一下雙內(nèi)擺門的設(shè)計(jì)過程。從骨架開始，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[10]及一些大中城市的地方標(biāo)準(zhǔn)，特別是公交公司提出的特殊要求，一般城市客車中乘客門要求凈開檔≥1100 mm。本著下車通道盡可能寬敞的原則，確定乘客門車身骨架洞口寬度尺寸為1380 mm。根據(jù)整車高度、造型及車內(nèi)風(fēng)道截面，確定乘客門骨架洞口高度為2202 mm。

根據(jù)定型的乘客門密封條，確定乘客門與門框間隙縫為40 mm，前、后兩扇門之間的間隙縫為120 mm。由此可算出前（或后）扇門門板的寬度為（1380-40×2-120）/2=590 mm。

因該車是低地板城市客車，一級(jí)踏步，地板上要鋪15 mm厚的竹膠板及2 mm厚的地板革；考慮到便于雨水從車內(nèi)滑落下去，一般踏步作成斜坡，乘客門在開關(guān)范圍內(nèi)踏步落差39 mm。為使乘客門在打開過程中不會(huì)和踏步面干涉導(dǎo)致乘客門不能打開，就將門下端密封毛刷的高度尺寸加大，確定下毛刷高度為55 mm；根據(jù)乘客門配套廠家標(biāo)配件要求，上端密封毛刷的高度為45 mm。由此可以計(jì)算出前（或后）扇門門板的高度為2202-17-55-45=2085 mm。

通常內(nèi)擺門A點(diǎn)X方向是和門框邊對(duì)齊。根據(jù)風(fēng)道截面確定上滾輪軸E點(diǎn)的Y方向位置。根據(jù)前面分析，A、E共線最理想，確定A點(diǎn)位置（Y方向上距離為96.5 mm），乘客門伸出車身暫定為84.5 mm＜100 mm，可通過AUTOCAD畫出開門和關(guān)門兩個(gè)極限位置，得出A（門立軸中心）、M（乘客門膠條最外端點(diǎn)）兩點(diǎn)在開門狀態(tài)時(shí)的垂直距離為84.5+96.5=181 mm。乘客門關(guān)閉時(shí)，離門框邊距離為40 mm（根據(jù)密封條而定），因E點(diǎn)在Y方向上始終不變，因此，關(guān)門時(shí)E、M兩點(diǎn)的水平距離為181 mm，乘客門中縫膠條重合一般為10 mm，由乘客門框?qū)挾?380/2=690 mm，可以計(jì)算得到A、E兩點(diǎn)的水平距離為690-（181-10/2）=514 mm。由前面分析Xad=Xd'e'，得A、D間的水平距離為514/2=257 mm，從而得出下?lián)u臂旋轉(zhuǎn)半徑。同理，根據(jù)車身側(cè)圍弧度畫出上搖臂的旋轉(zhuǎn)半徑。根據(jù)門板型材，確定上下?lián)u臂的高度方向的定位，再根據(jù)企業(yè)自身的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件即可確定乘客門立軸的高度以及軸承座等的定位高度，同樣根據(jù)企業(yè)標(biāo)配的曲柄，由上述運(yùn)動(dòng)分析確定氣缸等在托盤內(nèi)的定位。

根據(jù)上述各點(diǎn)的確定，按照前面分析的運(yùn)動(dòng)原理，將內(nèi)擺門運(yùn)動(dòng)在0°～90°范圍內(nèi)畫出運(yùn)動(dòng)軌跡，從而驗(yàn)證內(nèi)擺門在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)與相關(guān)部位干涉。

3 結(jié)束語

隨著各個(gè)城市的大發(fā)展，人們對(duì)城市客車的要求越來越高，城市客車內(nèi)擺門的結(jié)構(gòu)和安全也越來越為人們所重視。城市客車內(nèi)擺門根據(jù)上下?lián)u臂的鏈接方式分為吊掛式結(jié)構(gòu)（即上內(nèi)、下內(nèi)結(jié)構(gòu)）、外鉸接式結(jié)構(gòu)（即上外、下外結(jié)構(gòu)）、上吊掛式下外鉸接式結(jié)構(gòu)（即上內(nèi)、下外結(jié)構(gòu)）。無論是哪種結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原理是不變的。

[1]《汽車工程手冊(cè)》編委會(huì).汽車工程手冊(cè)：設(shè)計(jì)篇[M].北京：人民交通出版社，2001.6.

[2]吳超，許兆勤，李寶，等.氣動(dòng)內(nèi)擺門運(yùn)動(dòng)分析[J].客車技術(shù)與研究，2007，29（2）：30-33.

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[6]舒志兵，曾孟雄，卜云峰.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

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[8]劉善林，胡鵬浩.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008，（5）：79-80.

[9]曹龍華，蔣希成.平面連桿機(jī)構(gòu)綜合[M].北京：高等教育出版社，1990.3.

[10]GB13094-2007，客車結(jié)構(gòu)安全要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

修改稿日期：2012-06-22

Design of Inner Pneumatic Swing Door about Buses

ZHANGYun-feng,CHENGXiao-ping
(Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd,Automotive Eng.Research Center,Hefei 230051,China)

The authors introduce the structure and principle of inner pneumatic swing door,drawthe moving track,analyze the influence of moving mechanism control point position on the passageway and step size,and present the design example.

citybus;inner pneumatic swingdoor;structure;movingtrack

U463.83+4

B

1006-3331（2012）04-0032-04

張?jiān)气P（1970-），女，工程師；一直從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。