輕型客車電動外擺門設(shè)計

胡建鋒

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

目前，小團(tuán)體中短途旅行、城郊短途客運(yùn)等市場越來越火爆。針對市場需求，結(jié)合我司現(xiàn)產(chǎn)品現(xiàn)狀，選定某款輕型客車進(jìn)行乘客門的自動化改制。該種外擺式乘客門具有門敞開度大、密封性能好、開關(guān)簡便、剛度性能高等優(yōu)點。

1 電動外擺門約束

電動外擺門系統(tǒng)的設(shè)計約束條件有：（1）不允許外擺門自行開啟。（2）在開閉過程中遇到障礙物時，外擺門應(yīng)能停止關(guān)閉或自動開啟。防夾力不大于250N。（3）在車內(nèi)或車外能手動操縱緊急開啟裝置。（4）車輛停在20%的上、下坡上，外擺門應(yīng)能正常打開。（5）最小限度的保持車身造型。

2 電動外擺門設(shè)計布置方法

電動外擺門系統(tǒng)主要由外擺門本體、擺臂及門泵總成、下平衡桿總成、車身總成組成。設(shè)計為四連桿機(jī)構(gòu)，車門本體為一桿，擺臂為一桿，下平衡桿為一桿，車身為一桿，四桿之間的連接均采用鉸接連接。如此，確定了車門運(yùn)動軌跡的唯一性。

2.1 外擺門設(shè)計參數(shù)的確定

理論設(shè)計中，需確定的外擺門的設(shè)計參數(shù)如圖1所示。

外擺門門框?qū)挾扔绍嚿砜偛贾么_認(rèn)后輸入，即外擺門本體寬度L與兩倍的外擺門與門框間隙之和（2S＋L）。根據(jù)我司的工藝制造精度水平和與密封條廠家確認(rèn)外擺門密封結(jié)構(gòu)形式，確定外擺門與門框間隙S以及外擺門寬度L。外擺門本體一般采用鋁合金材質(zhì)，在保證門本體剛度及強(qiáng)度的前提下，門本體厚度T要求30mm-40mm。擺臂與外擺門鉸接點A到車門內(nèi)壁距離 e由門上支架的寬度決定，一般在20mm-30mm之間。門泵旋轉(zhuǎn)中心O點到乘客門一級踏步側(cè)壁（即電動門泵安裝面）距離a是由門泵自身尺寸決定的，可根據(jù)選定的電動門泵進(jìn)行實測。打開的外擺門停在側(cè)圍外側(cè)，為防止打開的外擺門與車身側(cè)圍外側(cè)干涉，外擺門內(nèi)壁距離側(cè)圍外側(cè)距離C，要求在80mm-120mm之間。C值取小時，外擺門開度會稍微增大。外擺門打開時，左端可留在門框內(nèi)少許，外擺門左端邊緣距離踏步側(cè)壁距離D可根據(jù)門泵安裝尺寸a確定。D值取小值（可直到0）時，通道尺寸增大；D值取大值時，對車門運(yùn)動設(shè)計有利。對于D值，可先確定一個值，然后進(jìn)行外擺門的機(jī)構(gòu)設(shè)計。

圖1 外擺門設(shè)計參數(shù)

門系統(tǒng)四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計，就是在上述參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，將四連桿機(jī)構(gòu)的4個鉸接點確定下來，即擺臂與門鉸接點A，電動門泵旋轉(zhuǎn)中心O點，下平衡桿與車門鉸接點D點，下平衡桿與車身鉸接點E點。設(shè)計的外擺門運(yùn)動軌跡狀態(tài)，必須要達(dá)到既定的設(shè)計要求。在尋找鉸接點的設(shè)計過程中，會進(jìn)行外擺門的運(yùn)動校核，根據(jù)外擺門運(yùn)動過程的姿態(tài)及軌跡，會反過來修改已設(shè)定的S、L、T、e、C、D這些基本參數(shù)，使得外擺門的運(yùn)動姿態(tài)和軌跡符合設(shè)計要求。

2.2 外擺門運(yùn)動鉸接點位置的確定

2.2.1 門泵旋轉(zhuǎn)中心O點及擺臂與外擺門鉸接點A的確定

e值設(shè)定為25mm，A點取在外擺門本體中分面上，如此在草圖上確定了A的平面位置。A點在門中分面上，可保證車門前后側(cè)在運(yùn)動時受力均勻，且不使擺臂承受附加力矩。之后采用作圖法來求取O點（圖2所示）。

首先，做出車門開啟后A點的位置A’，連接AA’，作出其垂直平分線m，與距踏步距離為a的直線n相交，則交點即為O點。因為O點是電動門泵旋轉(zhuǎn)中心，故必須以此點來檢驗電動門泵是否安裝的下。為此，在圖中畫出門泵的橫截面，檢查與周邊件的間距是否滿足設(shè)計要求。其外邊緣與車門內(nèi)壁間距f必須能滿足結(jié)構(gòu)的要求（即外擺門密封條放置空間及與門泵的間隙，車門密封結(jié)構(gòu)已確定，間隙要求5mm），則O點即定下來，否則需重新確定。

2.2.2 下平衡桿與外擺門鉸接點D及與車身鉸接點E的確定

由于擺臂與外擺門鉸接點 A一般在車門中心偏前的位置，為保證外擺門在運(yùn)動過程中平順、穩(wěn)定，應(yīng)盡可能的加大A點和D點的間距，所以，平衡桿與外擺門門鉸接點D，應(yīng)盡可能的布置在車門的左前端，并且越靠前越好，一般設(shè)計中直接將D點設(shè)置在車門最左端。距離車門內(nèi)壁距離也為e。這樣，D點就確定了。依然采用作圖法求出 E點（圖 3所示）。

圖2 O及A點確定示意圖

首先，做出車門開啟后D的位置D’，連接DD’，作出其垂直平分線K，那么E點肯定在直線K上。此外擺門的四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計為平行四邊形結(jié)構(gòu)，故過D點作直線平行于直線OA，該直線與直線K的交點即為E點。

圖3 D及E點確定示意圖

3 電動外擺門作動理論計算

電動外擺門作動一個循環(huán)包括關(guān)閉作動過程和開啟作動過程。

3.1 外擺門平擺作動實現(xiàn)原理計算

擺臂與電動門泵螺紋-螺柱配合，螺紋配合面角度40°。外擺門本體總質(zhì)量M1為30.6kg，擺臂總成質(zhì)量M2為6.2kg，上升過程擺臂內(nèi)的加壓彈簧壓縮量L為0.0075m，加壓彈簧彈性系數(shù)k=20000N/m。擺臂及門本體受力分析如圖5所示。

圖5 擺臂及門本體受力分析

圖6 電動門泵受力分析

式中N為擺臂及門本體重量；N1、N2是N的分力；F動為動摩擦力；u為動摩擦系數(shù)，取1.4。圖中f為擺臂及門本體所受靜摩擦力。因 N1＜F動，可知擺臂與電動門泵之間的摩擦是靜摩擦，故電動門泵和擺臂相對靜止。電動門泵受力分析如圖6所示。

因擺臂與電動門泵相對靜止，故擺臂施加給電動門泵的靜摩擦力 f力值與 N1相等，方向相反。電動門泵輸出扭矩3N.m-4N.m。

式中為f1靜摩擦力分力；H1為靜摩擦力力矩；R為電動門泵螺柱半徑，值為 0.0135m。因靜摩擦力力矩小于電動門泵輸出的扭矩，故可實現(xiàn)擺臂及門本體跟隨電動門泵一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)平擺 。

3.2 外擺門抬升作動實現(xiàn)原理計算

外擺門本體總質(zhì)量 M1為 30.6kg，擺臂總成質(zhì)量 M2為6.2kg，上升過程擺臂內(nèi)的加壓彈簧壓縮量L為0.025m，加壓彈簧彈性系數(shù) k=20000N/m，電動門泵自身輸出舉升力 T在800N-1000N。此外擺門所需舉升力：

式中g(shù)為重力加速度，取9.8N/kg。

實際所需舉升力在電動門泵自身輸出舉升力范圍內(nèi)，故可實現(xiàn)外擺門抬升作動。

3.3 外擺門20%上坡（坡度11.3°）駐坡作動實現(xiàn)原理計算

當(dāng)車輛停在20%上坡上時，外擺門能正常打開并保持開啟狀態(tài)。外擺門本體總質(zhì)量M1為30.6kg，擺臂總成質(zhì)量M2為6.2kg，上升過程擺臂內(nèi)的加壓彈簧壓縮量L為0.0075m，加壓彈簧彈性系數(shù) k=20000N/m。擺臂及門本體受力分析如圖7所示。

圖7 擺臂及門本體20%坡度受力分析

式中N為擺臂及門本體重量；N1、N2是N的分力；F動為動摩擦力；u為動摩擦系數(shù)，取1.4。圖中f為擺臂及門本體所受靜摩擦力。

因N1＜F動，可知擺臂與電動門泵之間的摩擦是靜摩擦，故電動外擺門可實現(xiàn)在20%的上坡坡度上電動門泵和擺臂相對靜止。電動門泵受力分析如圖8所示。

圖8 電動門泵體20%坡度受力分析

因擺臂與電動門泵相對靜止，故擺臂施加給電動門泵的靜摩擦力 f力值與 N1相等，方向相反。電動門泵輸出扭矩3N.m-4N.m。

式中f1為靜摩擦力分力；H1為靜摩擦力力矩；R為電動門泵螺柱半徑，值為0.0135m。

因靜摩擦力力矩小于電動門泵輸出的扭矩，故電動外擺門可實現(xiàn)在20%的上坡坡度上擺臂及門本體跟隨電動門泵一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)平擺作動。

4 電動外擺門防夾力設(shè)計計算

設(shè)計上當(dāng)電動門在關(guān)閉狀態(tài)時，防夾力相對轉(zhuǎn)軸力臂最小，此時所需防夾力最大。外擺門關(guān)閉狀態(tài)時擺臂及門本體受力分析如圖9所示。

圖9 關(guān)閉狀態(tài)擺臂及門本體受力分析

根據(jù)力平衡，可知：

其中，f為電動門泵與擺臂間的動摩擦力；N為擺臂及門本體重量；F為防夾力；u為動摩擦系數(shù)，取1.4。由（14）算式計算出防夾力為41N，設(shè)計要求防夾力≤100N。故滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

外擺式門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文詳細(xì)闡述了該種車門系統(tǒng)的設(shè)計方法，有利于同行業(yè)人參考借鑒。