基于Exce l的手動(dòng)平移式行李艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)布置

李永前，周　博，左向南，李　劍（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春　130011）

基于Exce l的手動(dòng)平移式行李艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)布置

李永前，周博，左向南，李劍
（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

根據(jù)手動(dòng)平移式行李艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系特性，求出人手力與艙門(mén)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)方程，將此函數(shù)方程編譯到Excel表格中，用于平移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)布置，可以簡(jiǎn)化繁雜的手工計(jì)算，并且可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

手動(dòng)平移式；行李艙門(mén)；平移機(jī)構(gòu)；Excel；設(shè)計(jì)布置

平移式行李艙門(mén)因?yàn)榫哂虚_(kāi)啟角度大，接近性好，放取行李方便等優(yōu)點(diǎn)［1］，并且能有效減少打開(kāi)艙門(mén)所需的空間，在客運(yùn)站、停車(chē)場(chǎng)等空間有限的場(chǎng)所能有效發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，所以近年來(lái)廣泛應(yīng)用于大中型公路客車(chē)［2］。但是現(xiàn)階段平移艙門(mén)的設(shè)計(jì)與校核僅局限于艙門(mén)完全關(guān)閉、完全開(kāi)啟與艙門(mén)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)90°這三種狀態(tài)［3-7］，缺少對(duì)艙門(mén)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)到其他位置時(shí)的受力校核，結(jié)果出現(xiàn)艙門(mén)關(guān)閉過(guò)程中關(guān)閉不順暢，甚至關(guān)閉困難等問(wèn)題。為準(zhǔn)確設(shè)計(jì)布置手動(dòng)平移式行李艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)，根據(jù)其幾何關(guān)系特性列出人施加在艙門(mén)上的手力與艙門(mén)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)方程，并將此方程編譯到Excel表格中用于設(shè)計(jì)布置，可避免設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)效率。

1　平移艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)的受力分析

在編譯手動(dòng)平移式行李艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)的Excel設(shè)計(jì)與校核表格前，首先要對(duì)其進(jìn)行受力分析，得出相關(guān)的函數(shù)方程，以用于其Excel計(jì)算。

1.1平移艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)及其簡(jiǎn)化

某大型公路客車(chē)平移式行李艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　平移艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)

平移艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得合理與否主要考慮三方面因素：有一定的自鎖力，即艙門(mén)開(kāi)啟力不能過(guò)??；艙門(mén)關(guān)閉過(guò)程中關(guān)閉力不能過(guò)大；艙門(mén)開(kāi)啟一定角度后可以在氣彈簧的作用下自動(dòng)上彈至最大開(kāi)啟位置。只有滿(mǎn)足了上述三個(gè)條件，設(shè)計(jì)出的平移機(jī)構(gòu)才合理。為便于分析，將艙門(mén)門(mén)體簡(jiǎn)化為直線O1O2與重心點(diǎn)O及門(mén)扣手位置點(diǎn)E，艙門(mén)轉(zhuǎn)臂簡(jiǎn)化為折線O1O3O6，平衡桿簡(jiǎn)化為直線O2O4，氣彈簧簡(jiǎn)化為直線O5O6；O3為轉(zhuǎn)臂在車(chē)體上的固定點(diǎn)，是整個(gè)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心；O4為艙門(mén)平衡桿在車(chē)體上的固定點(diǎn)；O5為氣彈簧在車(chē)體上的固定點(diǎn)；固定點(diǎn)之間連接的細(xì)實(shí)線作為輔助線，其余輔助線用虛實(shí)線。簡(jiǎn)化后的平移艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)［8］如圖2所示，其中G，a，b，c，d，i，j，m，n，α0，α1，α2，α3，α4這些參數(shù)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生變化，作為最終設(shè)計(jì)平移機(jī)構(gòu)時(shí)Excel表格中的輸入條件；L，α5，α6，α7，α8，α9這幾個(gè)參數(shù)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)幾何關(guān)系消參；α為艙門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)角度，一般情況下α的取值為0° ～150°（圖2中α為艙門(mén)轉(zhuǎn)臂即折線O1O3O6轉(zhuǎn)過(guò)的一微小角度，此時(shí)a與b的夾角由初始夾角α0增加到α0+α，同時(shí)m與n的夾角由初始夾角α4減小到α4-α）；T為艙門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程人的手力。

圖2　平移艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

1.2艙門(mén)開(kāi)啟過(guò)程受力分析

假設(shè)艙門(mén)開(kāi)啟過(guò)程轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度α，整個(gè)機(jī)構(gòu)在水平外力T的作用下平衡，圖2中在中由余玄定理可得

同理在△O2O1O4中，可得

在圖2中，以艙門(mén)為研究對(duì)象，根據(jù)力與力矩平衡，可列出如下平衡方程［9］：

式中：Fx與氣彈簧的標(biāo)稱(chēng)力F1、F2、F3、F4及溫度有密切關(guān)系，并且隨氣彈簧長(zhǎng)度L的變化呈線性遞增趨勢(shì)，由于不同氣彈簧廠家所生產(chǎn)的氣彈簧動(dòng)態(tài)摩擦力Fr各異，導(dǎo)致氣彈簧力的線性遞增幅度不同［10-11］。

以平衡桿為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，可列出如下方程：

通過(guò)以上方程可以推導(dǎo)出：

再由T=Py+Qy，可以推導(dǎo)出人手力是一個(gè)關(guān)于F1，G，a，b，c，d，i，j，m，n，α0，α1，α2，α3，α4，α的函數(shù)，此式中只存在一個(gè)變量α，由此得到艙門(mén)開(kāi)啟力T與α的函數(shù)表達(dá)式（公式表達(dá)此處省略）。

1.3艙門(mén)關(guān)閉過(guò)程受力分析

假設(shè)艙門(mén)關(guān)閉過(guò)程轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度α（一般情況下α的取值為0°～150°），整個(gè)機(jī)構(gòu)在豎直向下外力T′的作用下平衡。同樣可列出如下方程：

1.4艙門(mén)自動(dòng)上彈過(guò)程受力分析

由于忽略了一些附件的重量及機(jī)構(gòu)的摩擦，氣彈簧作用于艙門(mén)的上彈力應(yīng)大于一定數(shù)值，才能保證艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)自動(dòng)上彈至最大開(kāi)啟位置。計(jì)算過(guò)程與艙門(mén)關(guān)閉過(guò)程相似，只是由于氣彈簧壓縮與伸張過(guò)程輸出力值不同，公式中Fx會(huì)有所不同，此處計(jì)算過(guò)程忽略。

2　基于Excel表格的平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1平移機(jī)構(gòu)計(jì)算分析Excel表的生成

將以上推導(dǎo)的艙門(mén)開(kāi)啟力、關(guān)閉力與自動(dòng)上彈力與艙門(mén)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度α的函數(shù)表達(dá)式在Excel中通過(guò)編譯［12］，得到平移艙門(mén)平移機(jī)構(gòu)計(jì)算的Excel表格。應(yīng)用此表格，可以非常清晰地得到艙門(mén)開(kāi)啟力與關(guān)閉力在整個(gè)行程中的作用力曲線，如圖3所示。

此計(jì)算表格序號(hào)1-15為輸入數(shù)值區(qū)，需輸入F1，G，a，b，c，d，i，j，m，n，α0，α1，α2，α3，α4這些參數(shù)，其他區(qū)域?yàn)閳D線圖表顯示區(qū)。圖線有：

1）開(kāi)門(mén)手力曲線，可以直觀地得到艙門(mén)開(kāi)啟過(guò)程的手力，0°時(shí)的力即為艙門(mén)自鎖力。

2）關(guān)門(mén)手力曲線，可以直觀地得到關(guān)門(mén)過(guò)程手力的變化及最大關(guān)閉力。

3）艙門(mén)外張角度曲線，即艙門(mén)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與豎直方向的夾角變化曲線，可以得到艙門(mén)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)。

4）氣彈簧長(zhǎng)度曲線，可以得到氣彈簧隨機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)度的變化。

圖表有：

1）開(kāi)門(mén)手力表，正值區(qū)域?yàn)橛行ч_(kāi)門(mén)手力值，并可以得到艙門(mén)的自鎖力值。

2）關(guān)門(mén)手力表，α為0°～30°對(duì)應(yīng)區(qū)間正值為有效關(guān)門(mén)手力值，并可以明確最大關(guān)閉力數(shù)值。

3）艙門(mén)外張角度表，可以得到艙門(mén)最大傾斜角度值。

4）氣彈簧長(zhǎng)度表，可以明確氣彈簧最短與最長(zhǎng)值，便于校核氣彈簧長(zhǎng)度。

5）上彈力表，力值大于60 N時(shí)對(duì)應(yīng)角度為艙門(mén)自動(dòng)上彈角度。

2.2基于Excel表格的設(shè)計(jì)

以某大型公路客車(chē)平移式行李艙門(mén)為例，簡(jiǎn)述應(yīng)用此Excel表格輔助設(shè)計(jì)其平移機(jī)構(gòu)，并作結(jié)果評(píng)價(jià)的過(guò)程。

2.2.1Excel表格中輸入?yún)?shù)的初步確定

如圖4所示，平移機(jī)構(gòu)擺桿參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟如下。

圖4　平移機(jī)構(gòu)擺桿參數(shù)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)初期車(chē)身總布置會(huì)給出門(mén)洞尺寸及門(mén)板曲面造型，艙門(mén)門(mén)體結(jié)構(gòu)可初步確定，即可得到Excel表格所需重力參數(shù)G=22.2 kg，艙門(mén)重心O及門(mén)扣手E點(diǎn)的位置隨之確定。

2）確定門(mén)體最大舉升位置。一般情況下，艙門(mén)在最高位置的姿態(tài)與最低位置時(shí)一樣，門(mén)體在最高點(diǎn)時(shí)其下邊沿與腰梁下邊沿的高度差h1一般取50～100 mm。

3）確定平衡桿在門(mén)體上的固定點(diǎn)O2的位置。為了得到最大的舉升高度，應(yīng)該使O2點(diǎn)的位置越低越好，但O2點(diǎn)的最低位置受到門(mén)體骨架及裙邊梁的限制，一般情況下h2取值50～70 mm，O2的位置確定后，Excel表中所需參數(shù)i與j隨之確定，初步取值i=417 mm，j=318 mm。

4）確定O4點(diǎn)所在的直線。O2點(diǎn)確定后，其在門(mén)體最高位置時(shí)的O2點(diǎn)也確定了，作兩點(diǎn)的垂直平分線l，則O4點(diǎn)必然在直線l上。

5）確定O3點(diǎn)的位置。此點(diǎn)為彎臂的旋轉(zhuǎn)中心，也可認(rèn)為是整個(gè)機(jī)構(gòu)的定位中心。受轉(zhuǎn)軸、彎臂與氣彈簧的安裝和運(yùn)動(dòng)空間限制，給定該點(diǎn)允許的區(qū)域——邊長(zhǎng)為60 mm的正方形。區(qū)域中心的位置是這樣定位的：Y是O3點(diǎn)距側(cè)圍腰梁內(nèi)表面的距離，取Y=110 mm，Z是O3點(diǎn)距地板骨架下表面的距離，取Z=90 mm。

6）確定彎臂在門(mén)體上的固定點(diǎn)O1的位置。一般情況下平衡桿回轉(zhuǎn)半徑比彎臂回轉(zhuǎn)半徑長(zhǎng)20 mm，以保證艙門(mén)開(kāi)啟瞬時(shí)上邊沿有外張趨勢(shì)，避免與裙邊梁干涉。過(guò)O3作半徑小于平衡桿長(zhǎng)度20 mm的圓弧與門(mén)體的交點(diǎn)即為O1點(diǎn)的位置。

7）O1，O2，O3，O4點(diǎn)的位置確定后，Excel表中所需參數(shù)a，b，c，d，α0，α1，α2，α3隨之確定。

8）氣彈簧力值與支撐點(diǎn)位置的確定。單根氣彈簧力值的大小F1一般選取為艙門(mén)重力G的三倍左右，根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整。本例中F1初步取值650 N。氣彈簧上固定點(diǎn)一般固定在轉(zhuǎn)臂上伸出的小支架上，也有直接固定在轉(zhuǎn)臂上的情況，視具體結(jié)構(gòu)作相應(yīng)設(shè)計(jì)，原則上要求氣彈簧在轉(zhuǎn)臂上固定點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑為90～100 mm。氣彈簧上下支點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心的夾角α4一般為10°左右，下支點(diǎn)安裝在地板骨架向下伸出的支架上，由此可確定參數(shù)F1，m，n，α4。

2.2.2在Excel表格中確定最終平移機(jī)構(gòu)

平移艙門(mén)擺桿尺寸及安裝位置的確定大部分為范圍值，即使在規(guī)定范圍內(nèi)選取不同的參考值，對(duì)結(jié)果的影響也很大。應(yīng)用艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算表格，將最初選定的參數(shù)F1，G，a，b，c，d，i，j，m，n，α0，α1，α2，α3，α4輸入到Excel表中對(duì)應(yīng)的位置，如圖3所示的左上角序號(hào)1-15行所示，由于此Excel表格內(nèi)置函數(shù)關(guān)系，內(nèi)部自動(dòng)計(jì)算得出的開(kāi)門(mén)手力和關(guān)門(mén)手力圖線如圖3所示的左下部所示。

從輸出圖表及圖線可以看出，艙門(mén)自鎖力為69.3 N，150°時(shí)初始關(guān)閉力182.7 N，關(guān)閉到60°時(shí)達(dá)到最大值215.1 N；由于忽略了整個(gè)機(jī)構(gòu)的摩擦，上彈力需大于一定數(shù)值克服摩擦自動(dòng)上彈，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)此值一般為60 N，打開(kāi)艙門(mén)時(shí)開(kāi)啟到30°時(shí)艙門(mén)可自動(dòng)上彈至最高點(diǎn)，整體設(shè)計(jì)雖然基本滿(mǎn)足艙門(mén)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，但是可繼續(xù)優(yōu)化。將參數(shù)F1改為600 N，α4改為13°，改變后的輸出圖線如圖5所示。

從改變后的輸出表及圖線可看出，自鎖力增加到91.9 N，使得關(guān)閉更可靠，150°時(shí)的初始關(guān)閉力（也是最大關(guān)閉力）減小為184.5 N，符合人的操作舒適性（如果關(guān)閉艙門(mén)到中間位置時(shí)關(guān)閉力增大會(huì)感覺(jué)不舒適）。

圖5　優(yōu)化后輸出圖線

從計(jì)算結(jié)果可以看出，即使反復(fù)調(diào)整參數(shù)，平移艙門(mén)最大力關(guān)閉力值依然為184.5 N，相比翻轉(zhuǎn)式艙門(mén)所能達(dá)到的100 N左右甚至更小的關(guān)閉力值有一定差距，并且如果計(jì)算上有偏差，很容易使這個(gè)力值大于200 N，這也是平移艙門(mén)容易出現(xiàn)關(guān)閉力過(guò)大的原因所在。

設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要保證艙門(mén)開(kāi)啟30°左右時(shí)能自動(dòng)上彈，使自鎖力不小于60 N并且盡可能的大，以增加其鎖止可靠性；關(guān)閉力則小于200 N并盡可能的小，使得關(guān)閉盡可能輕便。通過(guò)Excel表格中參數(shù)的調(diào)整求出整

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將復(fù)雜的平移艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)受力情況在Excel中編程，實(shí)現(xiàn)了只需輸入相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)就能迅速求出艙門(mén)運(yùn)行過(guò)程中的受力情況，并能得到最大關(guān)閉力位置、最大關(guān)閉力值以及自動(dòng)上彈角度，從而對(duì)平移艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)的位置點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)布置，可以省略繁雜的計(jì)算過(guò)程，既節(jié)省了時(shí)間，又提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性。值得注意的是：在手力的作用下使艙門(mén)關(guān)閉與艙門(mén)自動(dòng)上彈過(guò)程手力與上彈力并不相等，原因在于氣彈簧壓縮與伸展過(guò)程的輸出力值并不相同。

［1］趙吉.大中型客車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工藝［M］.長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2008：73-77.

［2］劉開(kāi)春.客車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：87-114.

［3］陳成立.平移擺式行李艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，1999，21（1）：16-19.

［4］文廣南.客車(chē)行李艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)的探討［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2003，25（3）：21-24.

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［9］劉巧伶，李洪.理論力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［10］全國(guó)彈簧標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓縮氣彈簧技術(shù)條件：GB 25751-2010［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：12.

［11］全國(guó)彈簧標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).氣彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算：JB/T 10418-2004，［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004：10.

［12］丁士鋒.Excel VBA標(biāo)準(zhǔn)教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

修改稿日期：2016-04-29

Design and Layout of Translation Mechanism for Manual Translational Luggage Door Based on Excel

Li Yongqian，Zhou Bo，ZuoXiangnan，Li Jian
（R&DCenter，China FAWCo.，Ltd，Changchun 130011，China）

According to the geometry relation characteristics of the translation mechanism for the manual translational luggage door，the authors present the function equation ofhuman hand power with the rotation angle of the rotary arm，then compile the function equation into a Excel table，and apply this Excel table to design and layout the translation mechanism.This can simplifythe complicated manual calculation and improve the design qualityand efficiency.

manual translational；luggage compartment door；translation mechanism；Excel；design and layout

U463.83

B

1006-3331（2016）04-0031-05

李永前（1989-），男，助理工程師；車(chē)身設(shè)計(jì)師；主要從事客車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)與研發(fā)等工作。