王際成，林會(huì)明，張海國(guó)，曹蘇群

（1.江蘇惠民交通設(shè)備有限公司，江蘇 淮安223000；2.淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安223003）

0 引言

隨著車(chē)輛的飛快發(fā)展，人們對(duì)車(chē)輛門(mén)的安全性和人性化的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。目前應(yīng)用在車(chē)輛門(mén)中的離合閉鎖機(jī)構(gòu)有兩種：一種是終點(diǎn)鎖閉，即在門(mén)關(guān)閉后采用機(jī)械方式鎖閉；另一種是全程鎖閉，即門(mén)可被電動(dòng)機(jī)控制實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)，而無(wú)法自行打開(kāi)或在非緊急情況下被手動(dòng)打開(kāi)。

本文設(shè)計(jì)了一種用于車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)[1]，可在緊急情況下進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)門(mén)，且具有單向性，在運(yùn)行過(guò)程中摩擦力小，大大改善零部件磨損現(xiàn)象，使車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)更加安全、耐久、可靠。

1 單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)

1.1 功能和需求

單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)將電動(dòng)機(jī)輸入的順時(shí)針或逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳到絲桿上，絲桿單向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力不被阻卻，即通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)的軸向開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)，而無(wú)法自行打開(kāi)或在非緊急情況下被手動(dòng)打開(kāi)。

單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)能夠極大地提高在正?；蛲话l(fā)情況下人身的安全系數(shù)，有效地保證了人們的生命安全。因此車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足當(dāng)代的乘車(chē)需求。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

車(chē)輛門(mén)單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)是由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)軸、離合分離爪、離合器總成、離合器箱體、絲桿、主動(dòng)齒軸、制動(dòng)齒圈、電動(dòng)機(jī)接盤(pán)、行星架、主動(dòng)盤(pán)、撥桿、撥塊、撥爪、離合器套筒、星輪、離合器滾柱、離合器彈簧等部件組成，如圖1～圖3所示。

圖1 車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 離合器總成與電動(dòng)機(jī)連接端的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 非緊急情況下的自動(dòng)工作狀態(tài)

1）開(kāi)門(mén)時(shí)。首先電動(dòng)機(jī)輸入逆時(shí)針?lè)较虻膭?dòng)力到撥桿上，撥桿帶動(dòng)撥塊自轉(zhuǎn)，消除拔塊與拔爪之間的間隙，并推動(dòng)撥爪向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)撥爪的端部“L”結(jié)構(gòu)推動(dòng)離合器滾柱，將離合器滾柱推入楔形槽較寬的位置（即離合器滾柱處于自由位置），不再楔緊。因此星輪、撥爪和離合器滾柱一起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)。

圖3 離合器與絲桿端結(jié)構(gòu)示意圖

2）關(guān)門(mén)時(shí)。電動(dòng)機(jī)輸入順時(shí)針?lè)较騽?dòng)力至主動(dòng)盤(pán)，主動(dòng)盤(pán)沿順時(shí)針?lè)较蛲苿?dòng)行星架，固定在行星架孔中的3個(gè)撥塊也沿順時(shí)針?lè)较虬l(fā)生公轉(zhuǎn)，消除撥塊與星輪的間隙，帶動(dòng)星輪旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，在離合器彈簧的推動(dòng)下，位于楔形槽中的離合器滾柱處于星輪與離合器套筒兩兩相切的位置，又在摩擦力的作用下，將離合器滾柱推入星輪與離合器套筒之間楔形槽中較寬的位置（即離合器滾柱處于自由狀態(tài)），不再楔緊，因此星輪、撥爪和離合器滾柱一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)門(mén)。

1.2.2 非緊急情況下的手動(dòng)工作狀態(tài)

1）開(kāi)門(mén)時(shí)。絲桿在門(mén)的帶動(dòng)下沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)[2]，主動(dòng)齒軸受絲杠帶動(dòng)且與星輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在星輪即將轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，離合器滾柱正處于星輪與離合器套筒楔形槽中兩兩相切的位置，由于星輪有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，使星輪與撥爪之間的間隙增大，且撥爪端部“L”結(jié)構(gòu)將遠(yuǎn)離離合器滾柱，無(wú)法實(shí)現(xiàn)推的動(dòng)作，因此在摩擦力的作用下，將離合器滾柱推向星輪與離合器套筒中間槽較窄的位置，且越推越緊，最終處于卡死狀態(tài)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)。由于開(kāi)門(mén)的動(dòng)作可以在門(mén)的任意位置被禁止，因此保證了門(mén)系統(tǒng)的安全性要求。

2）關(guān)門(mén)時(shí)。絲桿在門(mén)的帶動(dòng)下逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，主動(dòng)齒軸受絲杠帶動(dòng)且與星輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)星輪作為主動(dòng)端，位于楔形槽中的離合器滾柱在摩擦力的作用下，將離合器滾柱推入槽中較寬的位置（即離合器滾柱處于自由位置），不再楔緊，因此星輪和撥爪、離合器滾柱一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)門(mén)。

1.2.3 緊急情況下的手動(dòng)開(kāi)門(mén)的工作狀態(tài)

在操作緊急解鎖裝置后，離合分離爪在外力作用下繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使離合分離爪與制動(dòng)齒圈脫離后，消除了制動(dòng)力，讓星輪和拔爪、離合器滾柱、離合器套筒一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即整個(gè)機(jī)構(gòu)一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開(kāi)門(mén)。

1.3 控制原理

車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)能夠滿(mǎn)足車(chē)在正常行駛過(guò)程中的開(kāi)關(guān)需求，當(dāng)車(chē)輛停穩(wěn)時(shí)，按下開(kāi)門(mén)按鍵，主動(dòng)端電動(dòng)機(jī)輸入的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳到從動(dòng)端的絲桿，絲桿慢速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)屏蔽門(mén)在光桿上做軸向運(yùn)動(dòng)，至屏蔽門(mén)完全打開(kāi)。如屏蔽門(mén)未完全關(guān)閉，微控開(kāi)關(guān)將會(huì)工作，提示屏蔽門(mén)未完全關(guān)閉。

圖4 控制原理圖

在屏蔽門(mén)的基礎(chǔ)上增加了綜合監(jiān)控系統(tǒng)[3]、信號(hào)系統(tǒng)[4]、報(bào)警控制盤(pán)協(xié)同工作。

1.4 可靠性和安全性及操作性分析

1.4.1 可靠性分析

對(duì)車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障模式影響與嚴(yán)重性分析，如表1所示。由分析結(jié)果可以看出，車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)不存在安全隱患，當(dāng)控制裝置無(wú)法對(duì)門(mén)進(jìn)行控制時(shí)，可以通過(guò)緊急情況下的手動(dòng)開(kāi)門(mén)，因此控制裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采用可靠的裝置，提升安全系數(shù)。

表1 故障模式影響與嚴(yán)重性分析報(bào)告

1.4.2 安全性分析

要考慮到門(mén)系統(tǒng)意外打開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行圖5所示的故障分析，車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)意外未完全關(guān)閉，車(chē)輛門(mén)可滿(mǎn)足“未完全關(guān)閉”的風(fēng)險(xiǎn)要求。

1.4.3 可操作性分析

車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)具有單向性，在正常工作行程中不會(huì)對(duì)門(mén)產(chǎn)生不良影響。在運(yùn)行過(guò)程中摩擦力小，大大改善零部件磨損現(xiàn)象，且裝置安裝在門(mén)的頂部，布線簡(jiǎn)單，使車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)更加安全、耐久、可靠。

2 測(cè)試與應(yīng)用

2.1 楔角α的選取

在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)在關(guān)門(mén)時(shí)容易發(fā)生車(chē)門(mén)無(wú)法鎖緊（鎖閉機(jī)構(gòu)打滑）和無(wú)法解鎖的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)與鎖止角α（如圖6）有關(guān)，要保證車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)可靠的自鎖，應(yīng)使?jié)L柱對(duì)星輪接觸面的最小摩擦角ρmin>α/2，滾柱對(duì)星輪接觸面的最小摩擦角ρmin=arctan μ。其中：μ為摩擦因數(shù)，一般取0.1，則ρmin=arctan 0.1=5.7°，α=2×ρmin=11.7°。

圖5 故障分析圖

圖6 楔角α示意圖

經(jīng)過(guò)理論值的計(jì)算與大量實(shí)驗(yàn)的探究發(fā)現(xiàn)：1）當(dāng)楔角α≤8.5°時(shí)，單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)可以可靠地鎖閉；2）當(dāng)楔角7°≤α≤8°時(shí)，車(chē)門(mén)既可以可靠地鎖閉也可以正常解鎖開(kāi)門(mén)；3）當(dāng)楔角α＜6°時(shí)，解鎖力變大，滾柱脫開(kāi)困難，造成電動(dòng)機(jī)無(wú)法解鎖，車(chē)輛門(mén)開(kāi)門(mén)失敗。

2.2 接觸應(yīng)力σH校核

通過(guò)對(duì)楔角α的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)、材料及熱處理方案的選定，車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，順利完成了車(chē)門(mén)系統(tǒng)的150萬(wàn)次無(wú)故障試驗(yàn)。

2.3 實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際生產(chǎn)中，車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)已經(jīng)十分成熟，成功地運(yùn)用在淮安有軌電車(chē)與廣州地鐵上。

在軌道交通使用中，該機(jī)構(gòu)外形美觀時(shí)尚，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，可靠性高，密封性好，安全性高，并具有較好的防水、防寒效果，且結(jié)構(gòu)十分小巧，功能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

圖7 廣州地鐵

圖8 淮安有軌電車(chē)

針對(duì)市場(chǎng)上車(chē)輛門(mén)的高質(zhì)量要求，該單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中摩擦力小，大大改善零部件磨損的問(wèn)題，使車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)更加安全、耐久、可靠。在對(duì)已有技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，研究出新的解決方案以滿(mǎn)足功能需求，達(dá)到了車(chē)輛安全性和可靠性要求。

圖9 車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)實(shí)物圖