客車艙門優(yōu)化和設(shè)計(jì)工具二次開發(fā)

李松芙，紀(jì)緒北，彭旺

客車艙門優(yōu)化和設(shè)計(jì)工具二次開發(fā)

李松芙，紀(jì)緒北，彭旺

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118）

在ADAMS View中建立某客車氣彈簧后艙門動(dòng)力學(xué)模型，對最大開啟力和最大關(guān)閉力進(jìn)行仿真并與試驗(yàn)進(jìn)行對比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并優(yōu)化艙門的安裝位置。在此基礎(chǔ)上，在MATLAB環(huán)境下開發(fā)出通用的艙門設(shè)計(jì)工具，使得艙門設(shè)計(jì)的工作變得高效和簡單。

客車艙門；優(yōu)化；設(shè)計(jì)工具；二次開發(fā)

客車車身上布置有很多氣彈簧結(jié)構(gòu)的艙門，有些車型的艙門數(shù)量多達(dá)十幾個(gè)，艙門設(shè)計(jì)的合理性直接影響到人們對車輛質(zhì)量的評(píng)價(jià)。如果艙門開啟的角度過小，則會(huì)造成人們放取行李時(shí)不方便和維修不方便；如果艙門開啟和關(guān)閉的阻力過大，則會(huì)給人留下劣質(zhì)的印象。為了合理設(shè)計(jì)艙門，本文用ADAMS建立了艙門動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得到優(yōu)化的艙門設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)出通用的艙門設(shè)計(jì)工具，使得艙門設(shè)計(jì)工作更加簡單和高效。

1　仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1艙門構(gòu)造

客車上大部分采用圖1所示的兩種型式的艙門結(jié)構(gòu)［1］。艙門型式1的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為鉸鏈，艙門沒有固定的轉(zhuǎn)動(dòng)中心；艙門型式2的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有固定的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，轉(zhuǎn)動(dòng)中心在轉(zhuǎn)動(dòng)副中心處。

1.2動(dòng)力學(xué)模型

建模的主要目的是為了解決開關(guān)艙門用力偏大的問題。根據(jù)艙門的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在ADAMSView中建立起動(dòng)力學(xué)仿真模型［2-3］，氣彈簧的推力為固定常數(shù)，用SFORCE模擬。在UG中對艙門附上材料的密度，可測量出艙門主體的質(zhì)量信息，輸入到ADAMS模型中。建模的難點(diǎn)是確定開啟和關(guān)閉艙門時(shí)力的大小，可以分別定義繞艙門上沿作圓周運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)測力部件，測力部件和艙門之間定義為接觸，如圖2所示。通過測力部件的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以完成艙門的開啟和關(guān)閉動(dòng)作，同時(shí)能夠測出受力大小。艙門開啟到臨界角度時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟，關(guān)閉到臨界角度時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

1.3試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化

將實(shí)體艙門安裝在特定的支架上進(jìn)行測力試驗(yàn)［4-5］，圖3所示為用拉鉤式測力計(jì)測量艙門開啟和關(guān)閉的最大受力，以驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

如表1所示，仿真和試驗(yàn)結(jié)果相差不大，動(dòng)力學(xué)模型精度較高，但是人對艙門的主觀感覺是開啟和關(guān)閉艙門的力偏大。為解決開啟和關(guān)閉艙門時(shí)用力偏大的問題，需要對布置進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案如圖4所示，將氣彈簧上安裝點(diǎn)上移60 mm，下安裝點(diǎn)下移30 mm。仿真分析的結(jié)果表明，最大開門力基本不變，最大關(guān)門力減小到134 N。進(jìn)行試安裝試驗(yàn)時(shí)，也發(fā)現(xiàn)用力明顯得到改善。

表1　仿真試驗(yàn)對比

2　艙門設(shè)計(jì)工具的開發(fā)

2.1受力分析

艙門設(shè)計(jì)中，需要確定三個(gè)變量，分別是氣彈簧安裝夾角、上安裝點(diǎn)和下安裝點(diǎn)坐標(biāo)。以有固定旋轉(zhuǎn)中心的圓弧式艙門為例，根據(jù)圖5所示的艙門的兩種狀態(tài)，可以建立關(guān)于受力F的方程組進(jìn)行求解，具體如下。

對艙門旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行力矩分析［6］，關(guān)閉狀態(tài)下的開門力方程如下：

打開狀態(tài)有以下方程：

公式（2）中，令F=0時(shí)，計(jì)算得到的β為臨界角度。艙門開啟角度大于臨界角度后，自動(dòng)開啟；艙門關(guān)門角度小于臨界角度后，自動(dòng)關(guān)閉。β從臨界角度變化到設(shè)計(jì)的最大角度90°時(shí)，F(xiàn)的大小先增大后減小，中間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。該峰值就是需要求解的最大關(guān)門力。

2.2MATLAB GUI界面開發(fā)

MATLAB GUI開發(fā)的工具以艙門旋轉(zhuǎn)中心建立坐標(biāo)系［7-9］，艙門工具中的基本參數(shù)為已知數(shù)，氣彈簧安裝參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量決定最終的計(jì)算結(jié)果。艙門工具有計(jì)算和優(yōu)化兩種功能。當(dāng)需要對開發(fā)好的艙門進(jìn)行校核時(shí)，可以用輸入氣彈簧的安裝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算校核；當(dāng)需要進(jìn)行全新的艙門設(shè)計(jì)時(shí)，可以輸入基本參數(shù)，單擊優(yōu)化按鈕，工具會(huì)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化［10］，得到艙門安裝參數(shù)，再單擊計(jì)算即可得到優(yōu)化后的受力和角度結(jié)果，如圖6所示。在試驗(yàn)過程中，得到艙門開啟和關(guān)閉受力目標(biāo)值應(yīng)該為50～80 N，人們在操作艙門時(shí)才不會(huì)感覺到困難。

根據(jù)△ABC的余弦定理，可以求得γ角的大小。

同樣可得開啟狀態(tài)下的關(guān)門力方程：

由于鉸鏈?zhǔn)脚撻T的運(yùn)動(dòng)中心為變化值，為了驗(yàn)證把鉸鏈?zhǔn)脚撻T的運(yùn)動(dòng)中心簡化為固定的方式是否可行，我們對鉸鏈?zhǔn)脚撻T做了一系列試驗(yàn)，如表2所示。力值相差小于20%，工程應(yīng)用可行。理論計(jì)算沒有考慮到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙和系統(tǒng)阻尼等因素。因此，理論計(jì)算的臨界角只有一個(gè)值，而實(shí)物的開啟和關(guān)閉的臨界角不同，這里用一個(gè)范圍表示。當(dāng)理論計(jì)算的臨界角落在實(shí)測的這個(gè)范圍內(nèi)，就認(rèn)為計(jì)算可行。

表2　工具計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

3　結(jié)束語

通過ADAMS建模，試驗(yàn)驗(yàn)證，然后進(jìn)行優(yōu)化，得到了優(yōu)化的艙門氣彈簧安裝尺寸。本文還進(jìn)一步開發(fā)出MATLAB環(huán)境下的艙門開發(fā)工具，使得設(shè)計(jì)變得更加高效。

［1］劉開春.客車車身設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.1.

［2］陳軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［3］陳志偉.MSC Adams多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)與實(shí)例解析［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.6.

［4］李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.10.

［5］陳錦權(quán)，潘麗軍.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2008.2

［6］范欽珊.材料力學(xué)［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.7.

［7］董振海.精通MATLAB 7編程與數(shù)據(jù)庫應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.9.

［8］陳杰.MATLAB寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.1.

［9］張永恒.工程優(yōu)化與MATLAB實(shí)現(xiàn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.9.

［10］趙繼俊.優(yōu)化技術(shù)與MATLAB優(yōu)化工具［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.4.

修改稿日期：2015-07-22

Optimization and Secondary Development of Design Tool for Bus/Coach Cabin Door

Li Songfu，Ji Xubei，PengWang
（BYDAutoIndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518118，China）

The dynamical model ofthe air springrear cabin doors for a coach or bus is established byusingADAMS Viewsoftware to simulate the max forces of the doors'opening and closing.The authors compare the simulation results tothe test data tovalidate the model accuracy，and optimize the installation position for cabin doors.On the basis，they develop a universal cabin door design tool，which can improve the efficiency and reduce the difficulty of air springrear cabin doors design.

bus/coach cabin door；optimization；design tool；secondarydevelopment

U463.84+4

B

1006-3331（2015）06-0038-03

李松芙（1987-），男，工程師；研究方向：車輛動(dòng)力學(xué)。