車用輪椅跳板門裝置設(shè)計(jì)與受力分析

梅麗芳，易際明，劉金武，何友郎 （廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024）

近幾年來(lái)，我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)展開(kāi)對(duì)城市無(wú)障礙車設(shè)計(jì)的探索［1］?，F(xiàn)有無(wú)障礙車設(shè)計(jì)中，跳板門裝置基本上都是作為附屬裝置且造型簡(jiǎn)單，大多為平板形狀，沒(méi)有與整車造型融合在一起。為此，筆者通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和受力分析，設(shè)計(jì)出一款融車身后圍造型與承載輪椅為一體的車用輪椅跳板門裝置。

1 跳板門骨架的設(shè)計(jì)與受力分析

1.1 跳板門骨架的設(shè)計(jì)

通過(guò)查找相關(guān)設(shè)計(jì)資料［2－4］，初步確定輪椅橫向輪距大多為420～480mm，縱向輪距在390～515mm范圍之間。根據(jù)跳板門實(shí)際工況，取橫向梁距450mm，取縱向梁距320mm。從所用材質(zhì)及縱橫梁的布置形式出發(fā)，筆者設(shè)計(jì)了2種方案。

圖1 肋板設(shè)計(jì)圖

1）方案1 在跳板門縱橫向布置上均采用尺寸規(guī)格為30mm×30mm×2mm、材質(zhì)為Q235的矩形方鋼作為外邊框架和支持梁。此外，為更好地支撐弧狀外蒙皮，還設(shè)計(jì)了普通鋼板材質(zhì)的肋板，肋板一端為平整狀，另一端為仿車門外形的曲弧狀 （見(jiàn)圖1）。外邊框架及縱橫梁均采用相應(yīng)的輔助肋板，根據(jù)中間縱橫向梁不同的布置形式，又可分為幾種不同的設(shè)計(jì)形式：①形式1。中間縱橫梁與肋板相輔而成且呈“?！弊中闻帕校ㄒ?jiàn)圖2（a））。②形式2。中間縱橫梁無(wú)輔肋板，且去掉中間縱梁或橫梁的中段（見(jiàn)圖2（b）和圖2（c））。③形式3。去掉縱向和橫向四根梁的中段和中間梁的輔助肋板 （見(jiàn)圖2（d））。④形式4。中間縱橫向梁呈“米”字形排列且無(wú)輔助肋板（見(jiàn)圖2 （e））。

圖2 設(shè)計(jì)方案1

在方案1中，不同形式或縱橫梁的布置不同，整個(gè)跳板門的重量及承載也不同。形式2是在形式1的基礎(chǔ)上分別減少了縱向或橫向的兩根梁的中段，該設(shè)計(jì)減輕了骨架的質(zhì)量，減少了焊點(diǎn)。形式3由于中部受力集中區(qū)域沒(méi)有支撐，外框承受大量載荷。形式4中間縱橫向梁呈“米”字形排列方式，加強(qiáng)了受力集中區(qū)域的支撐，但由于梁由焊接連接，在中間區(qū)域焊點(diǎn)過(guò)多，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而影響骨架強(qiáng)度。

2）方案2 采用厚度為2mm、材質(zhì)為硬鋁 （YL12）的肋板直接作為外邊框和支持梁。跳板門外邊框架以各肋板首尾相連接而成，中間縱橫肋板梁呈“＃”字形排列，采用相互卡位與焊接固定 （見(jiàn)圖3）。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于硬鋁的密度小于鋼的密度，從而大大減輕了骨架重量，且內(nèi)襯肋板與外蒙皮緊密貼合，可防止外蒙皮在受力過(guò)程中產(chǎn)生凹陷形變。

圖3 設(shè)計(jì)方案2

1.2 跳板門骨架的受力分析

根據(jù)跳板門骨架的實(shí)際承載情況，可采用Hypermesh軟件對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，由此驗(yàn)證是否能滿足工作需求［5］。骨架所承受的載荷為輪椅與乘員及推輪椅人員的重量，取載荷約為1800N。首先，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，賦予特性，依據(jù)實(shí)況在相應(yīng)位置施加約束與載荷，創(chuàng)建工況。然后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。最后，查看結(jié)果并進(jìn)行分析。

各方案及類型的跳板門骨架受力分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，方案1中形式1在實(shí)際工作情況下局部所受到的最大應(yīng)力為88.64N／mm2（見(jiàn) 圖4 （a））；方案1中形式2去掉橫向中間段梁的骨架局部所受到的最大應(yīng)力為210.9N／mm2（見(jiàn) 圖4 （b）），而去掉縱向中間段梁的跳板門骨架局部所受到的最大應(yīng)力為99.71N／mm2（見(jiàn)圖4 （c））；方案1中形式3在實(shí)際工作情況下局部所受到的最大應(yīng)力為299.8N／mm2（見(jiàn)圖4（d））；方案1中形式4在實(shí)際工作情況下局部所受到的最大應(yīng)力為 184.1N／mm2（見(jiàn)圖4（e））；方案2中跳板門骨架在實(shí)際工作情況下局部所受到的所受最大應(yīng)力為 158.7N／mm2（見(jiàn)圖4（f））。由于在選用材質(zhì)中Q235的屈服強(qiáng)度為235N／mm2，LY12的屈服強(qiáng)度為370N／mm2［3］，因而方案1中形式3的跳板門骨架局部所受到的最大應(yīng)力大于所允許的最大應(yīng)力，不滿足強(qiáng)度要求。除此以外，其他設(shè)計(jì)類型均滿足強(qiáng)度要求。綜合考慮承載強(qiáng)度、輕質(zhì)及造型等因素，決定選用方案2為最終設(shè)計(jì)類型。

圖4 跳板門骨架受力分析結(jié)果圖

2 鉸鏈的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

跳板門通過(guò)鉸鏈與車架相連，并相對(duì)于車架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。鉸鏈?zhǔn)翘彘T繞車架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，其總成主要由鉸鏈主體、支架與銷軸3部分組成 （見(jiàn)圖5）。

圖5 鉸鏈主體、支架及銷軸三維圖

2.1 鉸鏈總成設(shè)計(jì)

鉸鏈主體一端繞銷軸旋轉(zhuǎn)，另一端的連接板與跳板門鉚接固定，鉸鏈支架通過(guò)焊接固定在車架上，用于銷軸的支撐與定位。為消除鉸鏈主體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的干涉，對(duì)支架一側(cè)面與上表面進(jìn)行了切口。鉸鏈支架通過(guò)上表面和兩側(cè)切口面與車架橫梁焊接在一起。鉸鏈支架通過(guò)焊接固定在車架的橫梁上。銷軸連接鉸鏈支架和鉸鏈主體，通過(guò)平墊圈、螺母與開(kāi)尾銷固定 （見(jiàn)圖6）。將鉸鏈總成與車架進(jìn)行裝配定位后，還要分析鉸鏈總成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否與車架上的橫梁產(chǎn)生干涉 （見(jiàn)圖7）。由圖7可知，在兩極限位置范圍內(nèi)，鉸鏈旋轉(zhuǎn)至任何位置都不會(huì)與車架上的橫梁產(chǎn)生干涉。

圖6 跳板門鉸鏈裝配圖

圖7 跳板門鉸鏈運(yùn)動(dòng)干涉分析圖

2.2 銷軸的設(shè)計(jì)與受力分析

銷軸是一類標(biāo)準(zhǔn)化的緊固件，既可靜態(tài)固定連接，亦可與被連接件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，主要用于兩個(gè)零件的鉸接處，構(gòu)成鉸鏈連接［6－7］。但在某些應(yīng)用場(chǎng)合，因各機(jī)構(gòu)或各零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，需對(duì)銷軸進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，銷軸主要用于跳板門與車架之間的可動(dòng)連接，其被支撐于鉸鏈支架上并被裝配在鉸鏈主體上的孔中與之形成間隙配合。銷軸選用35鋼，一端設(shè)計(jì)有螺紋段并開(kāi)有孔，用以裝配螺母并插入開(kāi)尾銷固定。

圖8 銷軸受力分析圖

在跳板門工作過(guò)程中銷軸起承載作用，需通過(guò)受力分析來(lái)確定其強(qiáng)度是否達(dá)到要求，。由于鉸鏈為對(duì)稱布置，輪椅與人員重量之和取1800N，所以單個(gè)銷軸所受載荷取900N。根據(jù)銷軸工作過(guò)程中的實(shí)際承載情況，賦予特性，并在相應(yīng)位置施加約束與載荷，創(chuàng)建工況，然后進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，銷軸受力段最大應(yīng)力為184.1N／mm2，而35鋼的最大疲勞強(qiáng)度為315N／mm2，在許可范圍內(nèi)。

3 跳板門總體設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

在跳板門裝置中，主要包括門骨架與運(yùn)動(dòng)鉸鏈兩大部件。跳板門主體與鉸鏈上的連接板鉚接在一起；鉸鏈繞銷軸旋轉(zhuǎn)，銷軸支撐于支架上，而支架焊接在車架橫梁上。由此跳板門主體得以繞鉸鏈相對(duì)車架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) （見(jiàn)圖9）。最后，對(duì)裝配好的跳板門總成進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。讓跳板門主體繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，觀察其是否能正常旋轉(zhuǎn)并能否旋轉(zhuǎn)至地面，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否與車體發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。跳板門工作時(shí)有兩個(gè)極限位置，閉合時(shí)極限位置由門框上的限位機(jī)構(gòu)確定，開(kāi)啟時(shí)極限位置為跳板門接觸地面時(shí)的位置，兩者之間的夾角約為110°（見(jiàn)圖10）。由圖10可知，跳板門可以從閉合狀態(tài)的位置旋轉(zhuǎn)至接觸地面的位置，此間鉸鏈主體、跳板門主體均不會(huì)與車體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。因此，鉸鏈可以滿足跳板門的行程需求。

圖9 跳板門總體設(shè)計(jì)圖

圖10 跳板門與鉸鏈的兩極限運(yùn)動(dòng)位置圖

4 結(jié) 語(yǔ)

基于車用輪椅跳板門的承載、連接和造型特點(diǎn)，采用三維繪圖UG軟件進(jìn)行了跳板門主體和鉸鏈總成的設(shè)計(jì)，并在HyperMesh分析軟件中劃分網(wǎng)格，賦予特性，依據(jù)實(shí)況在相應(yīng)位置施加約束與載荷，創(chuàng)建工況，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性和受力分析。結(jié)果表明，車用輪椅跳板門能滿足承載、輕質(zhì)及造型要求且在目標(biāo)范圍內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉，能夠滿足無(wú)障礙車的使用要求。

［1］王引 .我國(guó)無(wú)障礙公交車設(shè)計(jì)探討 ［J］.大眾科技，2010，34（3）：1－3.

［2］王秋惠 .上海市無(wú)障礙公共交通設(shè)施設(shè)計(jì)研究 ［D］.上海：東華大學(xué)，2005.

［3］吳宗澤，羅圣國(guó) .機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) ［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［4］魯偉 .淺談車門及附件的設(shè)計(jì)與布置 ［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（24）：88.

［5］郝琪，張繼偉 .車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的靈敏度分析研究 ［J］.汽車技術(shù)，2010，22（5）：40－44.

［6］范葉森，王三民，袁茹，等 .大轉(zhuǎn)角柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)動(dòng)剛度研究 ［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，26（2）：1093－1096.

［7］張德超，楊亞娟，劉紅領(lǐng)，等 .轎車后背門鉸鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及修改設(shè)計(jì) ［J］.汽車技術(shù)，2007，19（3）：12－14.