某車型旋轉(zhuǎn)式車門啟閉過程分析及優(yōu)化

張林濤，李 旭，楊富凱

（陜西保利特種車制造有限公司，陜西 西安 710200）

引言

部分車輛載員較多且對(duì)上下車時(shí)間有限制，為保證上下車便捷，部分車輛采用旋轉(zhuǎn)式車門[1]。旋轉(zhuǎn)式車門多數(shù)采用定速伸縮缸驅(qū)動(dòng)車門啟閉，該結(jié)構(gòu)不能避免車門啟閉運(yùn)動(dòng)不勻速，導(dǎo)致車門運(yùn)動(dòng)速度忽快忽慢，運(yùn)動(dòng)沖擊[2]較大。

1 某車型旋轉(zhuǎn)式車門存在的問題

某車型旋轉(zhuǎn)式車門在開啟時(shí)車門運(yùn)動(dòng)沖擊較大，開啟瞬間車門旋轉(zhuǎn)速度較大，調(diào)節(jié)油缸速度后沖擊減小，但其旋轉(zhuǎn)角速度變慢，無法滿足開門時(shí)間要求。現(xiàn)就以該旋轉(zhuǎn)式車門為例，對(duì)該車門進(jìn)行啟閉過程分析，不計(jì)摩擦阻力。

2 運(yùn)動(dòng)分析

2.1 相關(guān)參數(shù)

該旋轉(zhuǎn)式車門采用定速伸縮缸驅(qū)動(dòng)后門啟閉運(yùn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中：點(diǎn)A為伸縮缸與車體鉸接點(diǎn)，點(diǎn)O為車門與車體鉸接點(diǎn)，點(diǎn)B為車門與伸縮缸鉸接點(diǎn)，點(diǎn)C為車門上距旋轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)，點(diǎn)D為車體上的點(diǎn)，OA為1042 mm，OB為244 mm，∠BOC為定值。車門在關(guān)閉位置時(shí)∠BOC=0°、AB為803 mm，車門需開啟100°。

2.2 該車門結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

由圖1中△ABO，根據(jù)余弦定理[3]可知：

圖1 旋轉(zhuǎn)式車門結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)中OA代表車體固定結(jié)構(gòu)，OB代表車門旋轉(zhuǎn)臂，將∠COD的值從0°旋轉(zhuǎn)至100°，AB代表定速伸縮缸，按伸縮缸每秒遞增1 mm模擬伸縮缸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)車門旋轉(zhuǎn)的角速度。

按上述參數(shù)計(jì)算可繪制如下圖形：

結(jié)合圖2分析可知，該旋轉(zhuǎn)式車門開啟時(shí)初期角速度較大，末期角速度較小；開啟初期角加速度較大，末期角加速度較小。由此可知開門時(shí)初期運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，末期運(yùn)動(dòng)較為平滑。車門開啟時(shí)角速度最大值為1.4497°/s、最小值為0.2348°/s；角加速度最大值為0.22541936°/s、最小值為0.00000045°/s。

圖2 伸縮缸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)不同位置的角速度和角加速度圖

在該結(jié)構(gòu)下伸縮缸伸長速度保持不變時(shí)，旋轉(zhuǎn)門的角速度與油缸伸長的線速度呈非線性關(guān)系，旋轉(zhuǎn)門的角速度先減小后基本保持不變。

2.3 旋轉(zhuǎn)式車門啟閉過程分析

伸縮缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)式車門的啟閉過程主要局限于伸縮缸與車門鉸接點(diǎn)和車門與車體鉸接點(diǎn)的相對(duì)位置。

由圖1可知，該車門結(jié)構(gòu)類似于曲柄連桿機(jī)構(gòu)[4]。OB為曲柄，AB為連桿。在某一AB值下，該結(jié)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，故可以把車門啟閉過程建立成多個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)在某一連桿長度下的運(yùn)動(dòng)過程。以此類推可知，該結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)死點(diǎn)位置并且存在急回特性。

現(xiàn)不考慮開啟角度要求，按伸縮缸每秒遞增1 mm模擬伸縮缸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)車門旋轉(zhuǎn)的角速度。車門閉狀態(tài)下AB=803 mm、∠COD=0°，由式（1）計(jì)算可知∠AOB=6.43°，由三角函數(shù)計(jì)算可知∠ABO=171.62°。模擬伸縮缸伸長，即AB值增大，由圖1可知AB最大為AO+OB，其值為1286 mm，此時(shí)∠AOB=180°，此時(shí)∠COD=180°－6.43°=173.57°，∠ABO=0°。

結(jié)合圖3分析可知，該旋轉(zhuǎn)式車門不同位置下角速度與線速度呈非線性關(guān)系。伸縮缸線速度保持不變時(shí)，旋轉(zhuǎn)門的角速度先減小后增大，伸縮缸線速度保持不變時(shí)，旋轉(zhuǎn)門的角加速度先減小后增大。

圖3 伸縮缸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)不同位置的角速度和角加速度圖

由圖4可知，∠ABO=89.79°時(shí)角加速度最小時(shí)。

因該旋轉(zhuǎn)式車門為伸縮缸驅(qū)動(dòng)，故可知驅(qū)動(dòng)角為∠ABO。由以上分析并結(jié)合余弦函數(shù)特性可知，該旋轉(zhuǎn)式車門啟閉過程中運(yùn)動(dòng)沖擊較大。當(dāng)油缸勻速伸長或縮短時(shí)，旋轉(zhuǎn)門的角速度變化率先減小后增大，當(dāng)伸縮缸與旋轉(zhuǎn)臂的夾角（∠ABO）在90°時(shí)旋轉(zhuǎn)門的角速度變化率最小。當(dāng)伸縮缸與旋轉(zhuǎn)臂的夾角在90°±35°之間時(shí)，旋轉(zhuǎn)門角加速度較小，可以忽略；當(dāng)伸縮缸與旋轉(zhuǎn)臂的夾角在30°～55°、125°～150°之間時(shí)，旋轉(zhuǎn)門角加速度逐漸增大；當(dāng)伸縮缸與旋轉(zhuǎn)臂的夾角在0°～30°、150°～180°之間時(shí)，旋轉(zhuǎn)門角加速度較大。

3 旋轉(zhuǎn)式車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)門時(shí)期望得到伸縮缸的伸縮速度與旋轉(zhuǎn)門的角速度之比恒定。結(jié)合上述計(jì)算分析可知，伸縮缸與旋轉(zhuǎn)臂之間的夾角（∠ABO）在90°附近時(shí)，車門旋轉(zhuǎn)角度較為穩(wěn)定。

在原有車體及車門結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，調(diào)整車門油缸支耳結(jié)構(gòu)，保證車門旋轉(zhuǎn)中點(diǎn)位置時(shí)車門油缸支耳的油缸鉸接點(diǎn)與車門車體鉸接點(diǎn)連線垂直于油缸中心軸線。即車門關(guān)閉時(shí)，（α為車門需旋轉(zhuǎn)的角度）。

計(jì)算可知，∠ABO=140°。此時(shí)AO為1045 mm；OB為244 mm；AB為846 mm。具體結(jié)構(gòu)如下圖：

圖5 旋轉(zhuǎn)式車門結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)中點(diǎn)A為伸縮缸與車體鉸接點(diǎn)，點(diǎn)O為車門與車體鉸接點(diǎn)，點(diǎn)B為車門與伸縮缸鉸接點(diǎn)，點(diǎn)C為車門上距旋 轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)，點(diǎn)D為車體上的點(diǎn)，車門在關(guān)閉位置時(shí)∠COD=0°、AB為846 mm，車門需開啟100°。將∠AOC的值從0°增大至100°，AB代表定速伸縮缸，按伸縮缸每秒遞增1 mm模擬伸縮缸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)車門旋轉(zhuǎn)的角速度。

結(jié)合圖6分析可知，車門開啟時(shí)角速度最大值為0.3645°/s、最小值為0.2348°/s；角加速度最大值為0.00330026°/s、最小值為0.00000045°/s。該旋轉(zhuǎn)式車門開啟整個(gè)過程角速度變化量較小，運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定，優(yōu)化后該旋轉(zhuǎn)式車門啟閉過程中運(yùn)動(dòng)沖擊較小。

圖6 伸縮缸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)不同位置的角速度和角加速度圖

4 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前車門開啟時(shí)角速度最大值為1.4497°/s、最小值為0.2348°/s；角加速度最大值為0.22541936°/s、最小值為0.00000045°/s。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后角速度最大值為0.3645°/s、最小值為0.2348°/s；角加速度最大值為0.00330026°/s、最小值為0.00000045°/s。其角速度最大值降幅達(dá)75%，角加速度最大值降幅達(dá)98%。有效緩解了開門時(shí)的運(yùn)動(dòng)沖擊。

由以上分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程可知，旋轉(zhuǎn)式車門在開啟和關(guān)閉的過程中存在運(yùn)動(dòng)沖擊與伸縮缸與旋轉(zhuǎn)臂之間的夾角存在較大關(guān)系。在車門啟閉的整個(gè)過程中應(yīng)將此角度對(duì)稱分布在90°兩側(cè)，車門開啟角度不宜大于70°，建議不超過120°。