客車手動(dòng)平移式側(cè)艙門開啟力值動(dòng)力學(xué)仿真分析及優(yōu)化

王琪元

摘 要：通過建立手動(dòng)平移式側(cè)艙門開啟（關(guān)閉）過程的仿真模型，輸出艙門開啟（關(guān)閉）過程中各力矩的特性曲線，從而找到影響開啟（關(guān)閉）力的主要參數(shù)，并提出了優(yōu)化艙門布置的參考方案。

關(guān)鍵詞：客車;側(cè)艙門;手動(dòng)平移式;開啟力

手動(dòng)平移式側(cè)艙門是公路客車常用的一種艙門結(jié)構(gòu)，其具有開啟角度大、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、艙門開啟時(shí)占用的空間小等優(yōu)點(diǎn)，但也容易出現(xiàn)開啟力大、舉升時(shí)無(wú)力感強(qiáng)烈、關(guān)閉時(shí)下半行程較費(fèi)力等問題。本文通過動(dòng)力學(xué)仿真分析手動(dòng)平移式側(cè)艙門開啟（關(guān)閉）過程受力特性，探討優(yōu)化布置的方案。

1 艙門開啟（關(guān)閉）過程力學(xué)特性分析

手動(dòng)平移式側(cè)艙門以氣彈簧為動(dòng)力源，通過外力的作用使主動(dòng)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)過一定角度后，氣彈簧產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩克服行李艙門自重和四連桿機(jī)構(gòu)重力產(chǎn)生的力矩后艙門自動(dòng)上升，直到氣彈簧達(dá)到最大工作行程。反之，則行李艙門自動(dòng)關(guān)閉。艙門開啟的過程中彎臂轉(zhuǎn)軸受到驅(qū)動(dòng)力矩（氣彈簧力矩M彈）和阻力矩（重力矩M重、摩擦力矩M摩擦）的作用。在不考慮M摩擦的情況下，整個(gè)開啟運(yùn)動(dòng)過程分為以下5個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：

（1）關(guān)閉狀態(tài)

此時(shí)，氣彈簧壓縮量最大（可核算氣彈簧行程），氣彈簧力值最大。

（2）氣彈簧力矩為0狀態(tài)

此時(shí)，因氣彈簧力臂為0，所以力矩為0;至此，艙門自鎖行程結(jié)束。

（3）合力矩為0狀態(tài)

此時(shí)，M彈=M重，在不受外力的情況下，艙門處于平衡位置。

（4）重力矩最大狀態(tài)

此時(shí)，重力臂處于水平位置與重力垂直，重力矩最大（可計(jì)算氣彈簧最小需求力值）。

（5）開啟狀態(tài)

此時(shí)，氣彈簧壓縮量最小，力值最小。

當(dāng)艙門勻速開啟時(shí)，以逆時(shí)針為力矩正方向，則（如圖1）：

M（開啟）-M（重力）+M（彈簧）-M（摩擦）=0

M（開啟）=M（重力）-M（彈簧）+M（摩擦）

F（開啟）*L（開啟力臂）=G*L（起始重力臂）-F（彈簧）*L（起始彈簧力臂）+M（摩擦）

F（開啟）*L（開啟力臂）=G*E'G -F（彈簧）*B'O +M（摩擦）

F（開啟）*L（開啟力臂）=G*（EG +OE*sina（b）） -F（彈簧）*AO*sina（a） +M（摩擦）

當(dāng)艙門勻速關(guān)閉時(shí)，以逆時(shí)針為力矩正方向，則（如圖2）：

M（彈簧）-M（關(guān)閉）-M（重力）+M（摩擦）=0

M（關(guān)閉）=M（彈簧）-M（重力）+M（摩擦）

F（關(guān)閉）*L（關(guān)閉力臂）=F（彈簧）*L（關(guān)閉彈簧力臂）-G*L（關(guān)閉重力臂）+M（摩擦）

F（關(guān)閉）*L（關(guān)閉力臂）=F（彈簧）*DO -G*E'G +M（摩擦）

F（關(guān)閉）*L（關(guān)閉力臂）=F（彈簧）*AO*sina（a'） -G*（EG +OE*sina（π-b'）） +M（摩擦）

F（關(guān)閉）*L（關(guān)閉力臂）=F（彈簧）*AO*sina（a'） -G*（EG +OE*sina（b'）） +M（摩擦）

2 艙門開啟動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 仿真模型建立

通過以上分析，手?jǐn)[艙門動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式為：

F（開啟）*L（開啟力臂）=G*（EG +OE*sina（b））-F（彈簧）*AO*sina（a）+M（摩擦），在艙門開啟的過程中公式的各參數(shù)都在發(fā)生變化。為優(yōu)化艙門開啟力，需對(duì)艙門開啟運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，輸出力學(xué)特性曲線，并進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定最優(yōu)化方案。

（1）關(guān)閉過程為開啟過程的反向行程，因此只需對(duì)開啟過程進(jìn)行分析即可。

（2）開啟過程中L（開啟力臂）變化較大，不好建立仿真模型，而開啟力矩M（開啟）的變化趨勢(shì)與F（開啟）是一致的。因此，可輸出M（開啟）變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

（3）M（摩擦）不影響趨勢(shì)分析，在理論分析階段暫不考慮M（摩擦）。

（4）綜上，以我司XMQ6125AY車型為例建立側(cè)行李艙門仿真模型（圖3）。 ? ? ?2.2 特性曲線輸出

開啟力矩、氣彈簧力矩、重力矩特性曲線如圖4。

說明：

（1）M開啟在艙門關(guān)閉的時(shí)候最大，隨著艙門的開啟逐漸變小。當(dāng)艙門開啟到達(dá)節(jié)點(diǎn)3的時(shí)候，動(dòng)力矩（M彈簧）等于阻力矩（M重），此時(shí)M開啟為0。此后，M彈大于M重，艙門自動(dòng)開啟。

（2）艙門開啟的初始位置M開啟最大，此時(shí)F開啟最大。

（3）艙門關(guān)閉為開啟的反向行程，由于關(guān)閉過程中M關(guān)閉與M重同向，因此M關(guān)閉遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M開啟。關(guān)閉行程的初始位置M關(guān)閉最大，而后逐漸變小。

2.3 最大開啟力、初始關(guān)閉力計(jì)算

經(jīng)過以上分析，最大開啟力為開啟行程中的初始位置。以SAE 95%假人尺寸為參考進(jìn)行布置，測(cè)量得出開啟關(guān)閉初始位置時(shí)刻L開啟和L關(guān)閉分別為：446mm和545mm。根據(jù)之前仿真得出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的力矩值可計(jì)算得出最大開啟力F開啟為：264N;初始關(guān)閉力F關(guān)閉為：67N。

3 開啟力值優(yōu)化方案

根據(jù)平移式艙門打開過程的動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式F（開啟）*L（開啟力臂）=G*（EG+OE*sina（b））-F（彈簧）*AO*sina（a）+M（摩擦）可知，F(xiàn)（開啟）的主要影響因素有：艙門重量（G）、彎臂半徑（OE）、彎臂角度（b）、氣彈簧彈力（F彈簧）、氣彈簧起始力臂（AO*sina（a））、開啟力臂（L）以及M摩擦。當(dāng)車身布置定型后，彎臂半徑、彎臂角度、開啟力臂、艙門重量參數(shù)已固化，優(yōu)化空間有限，只剩氣彈簧彈力、氣彈簧起始力臂兩項(xiàng)變量。所以，這兩項(xiàng)變量為平移式艙門開關(guān)力優(yōu)化的主要決定因素。氣彈簧彈力的矢量方向由A點(diǎn)決定，而A點(diǎn)的布置主要取決于氣彈簧驅(qū)動(dòng)半徑OB以及氣彈簧行程規(guī)格。因此，優(yōu)化的思路主要是對(duì)OB以及OB'進(jìn)行重新匹配布置，對(duì)不同的布置方案進(jìn)行對(duì)比分析，從而確定最優(yōu)方案。

根據(jù)以上分析，確定如下布置方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析：

對(duì)四種布置方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析，輸出特性曲線如圖5。

說明：

（1）對(duì)比BASE方案及方案一、二可知OB不變時(shí)氣彈簧起始力臂OB數(shù)值的大小對(duì)開關(guān)力的影響最大。減小OB值，可顯著降低開啟力數(shù)值。但隨著OB數(shù)值的減小，艙門的平衡點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)3）前移。即艙門開啟到達(dá)平衡位置的角度減小，如此開啟時(shí)，只需手動(dòng)開啟一小段行程，艙門即可自動(dòng)開啟。但關(guān)閉時(shí)，需要手動(dòng)將艙門關(guān)閉到平衡位置，如果平 衡位置過低，不利于手臂用力，對(duì)舒適性影響較大。因此，艙門平衡位置不宜過低。

（2）對(duì)比方案二及方案三，OB'不變時(shí)，驅(qū)動(dòng)半徑OB大小對(duì)開關(guān)力影響不大。但是方案三在艙門自動(dòng)開啟行程中，由于驅(qū)動(dòng)力矩減小，所以合力矩較小，在其余變量相同的情況下，會(huì)顯得艙門開啟無(wú)力感較強(qiáng)，不夠順暢。

（3）方案四將驅(qū)動(dòng)半徑放大，并使用大行程小彈力規(guī)格的氣彈簧。起始位置開關(guān)力最小，平衡點(diǎn)最靠前。在艙門開啟時(shí)，輕輕一拉即可自動(dòng)彈起。但是在關(guān)閉行程時(shí)，從起始位置到平衡位置，合力矩先變大再減小。在實(shí)際關(guān)門時(shí)，會(huì)越關(guān)越費(fèi)力，而且要使勁壓到平衡點(diǎn)位置才能自由關(guān)閉，操作舒適性非常差。

綜上所述，選用方案二作為最終的優(yōu)化方案，參考布置方案如圖6。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)平移式側(cè)艙門動(dòng)力學(xué)特性分析，找到了影響艙門開啟力值的關(guān)鍵因素是驅(qū)動(dòng)半徑OB及氣彈簧起始力臂OB，通過調(diào)整OB及OB值實(shí)現(xiàn)對(duì)艙門優(yōu)化布置后，可以有效降低平移式側(cè)艙門的開啟關(guān)閉力，從而提升操作舒適性。

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