基于UG的四連桿機(jī)構(gòu)平移式側(cè)艙門(mén)設(shè)計(jì)

吳東（安徽安凱汽車(chē)股份有限公司，合肥　230051）

基于UG的四連桿機(jī)構(gòu)平移式側(cè)艙門(mén)設(shè)計(jì)

吳東
（安徽安凱汽車(chē)股份有限公司，合肥230051）

介紹通過(guò)UG NX8.0軟件進(jìn)行客車(chē)四連桿機(jī)構(gòu)平移式側(cè)艙門(mén)設(shè)計(jì)的過(guò)程，并基于UG NX8.0軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能，校核分析四連桿機(jī)構(gòu)平移式側(cè)艙門(mén)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高設(shè)計(jì)效率。

客車(chē)；平移式艙門(mén)；四連桿機(jī)構(gòu)；仿真設(shè)計(jì)

隨著客車(chē)數(shù)量的不斷增加，客運(yùn)站內(nèi)停車(chē)的空間越來(lái)越狹小，在有限的空間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)存取行李時(shí)，上掀式側(cè)艙門(mén)無(wú)法完全開(kāi)啟的現(xiàn)象，給乘客造成不便。因而客戶在購(gòu)買(mǎi)客車(chē)時(shí)會(huì)逐漸傾向于選擇開(kāi)啟時(shí)占用空間小的平移式側(cè)艙門(mén)的車(chē)型。同時(shí)，四連桿機(jī)構(gòu)平移式側(cè)艙門(mén)具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)［1］。

1　平移式側(cè)艙門(mén)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1）平移式側(cè)艙門(mén)的結(jié)構(gòu)?？蛙?chē)平移式側(cè)艙門(mén)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由側(cè)艙門(mén)、軸承座、轉(zhuǎn)軸、彎臂、主動(dòng)軸、下平衡桿、氣彈簧、門(mén)鎖等組成。為了便于安裝調(diào)整，轉(zhuǎn)軸、彎臂、下平衡桿通常設(shè)計(jì)帶有30～40 mm螺紋，轉(zhuǎn)軸支座、下平衡桿支座設(shè)計(jì)成長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)［2］。

圖1　四連桿機(jī)構(gòu)平移式側(cè)艙門(mén)結(jié)構(gòu)

2）平移式側(cè)艙門(mén)工作原理。四連桿機(jī)構(gòu)平移式側(cè)艙門(mén)是以氣彈簧為動(dòng)力源，通過(guò)外力的作用使轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)艙門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，在氣彈簧力和艙門(mén)總成重力的作用下產(chǎn)生負(fù)力矩，使艙門(mén)處于自鎖狀態(tài)［3］，同時(shí)壓緊密封條，并通過(guò)鎖機(jī)鎖住艙門(mén)；艙門(mén)開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)外力拉動(dòng)艙門(mén)，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，氣彈簧產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大于側(cè)艙門(mén)和四連桿機(jī)構(gòu)的自重產(chǎn)生的力矩，側(cè)艙門(mén)自動(dòng)上升，直到氣彈簧達(dá)到最大工作行程。

2　基于UG的平移式側(cè)艙門(mén)設(shè)計(jì)

2.1側(cè)艙門(mén)門(mén)板及骨架設(shè)計(jì)

在UGNX8.0軟件中，產(chǎn)品建模可以采用從底向上設(shè)計(jì)方式或自頂向下設(shè)計(jì)方式。本文選用自頂向下設(shè)計(jì)方式。首先新建一個(gè)裝配部件，將車(chē)架、側(cè)圍骨架及外蒙皮組件添加到部件中，然后利用上述已有組件，在裝配部件中建立幾何體，最后將幾何體添加到創(chuàng)建的組件中。側(cè)艙門(mén)建模的具體步驟為：首先根據(jù)車(chē)身斷面繪制艙門(mén)門(mén)板截面弧度線，根據(jù)側(cè)圍骨架中裙立柱位置確定艙門(mén)門(mén)板長(zhǎng)度，使用拉伸命令完成艙門(mén)門(mén)板片體設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證艙門(mén)打開(kāi)過(guò)程中不與其它部件或艙門(mén)干涉，設(shè)計(jì)時(shí)艙門(mén)上方與車(chē)身外蒙皮預(yù)留6～8 mm間隙，兩艙門(mén)之間預(yù)留5 mm間隙。其次是鎖體拉手安裝孔以及側(cè)標(biāo)志燈安裝孔設(shè)計(jì)，側(cè)標(biāo)志燈安裝孔按照GB4785-2007［4］及整車(chē)布置的要求進(jìn)行開(kāi)設(shè)。在三維數(shù)模中以拉手安裝孔中心點(diǎn)創(chuàng)建與門(mén)板相切的草圖平面，進(jìn)入草圖環(huán)境繪制拉手安裝孔，退出草圖后使用修剪片體命令完成安裝孔的設(shè)計(jì)，最后對(duì)片體加厚處理形成實(shí)體。設(shè)計(jì)時(shí)拉手安裝孔的高度通常布置在側(cè)艙門(mén)的中部偏上位置。如果拉手高度太低，則會(huì)造成在側(cè)艙門(mén)開(kāi)啟的瞬間，出現(xiàn)艙門(mén)下沿先打開(kāi)、上沿后打開(kāi)的現(xiàn)象，造成艙門(mén)開(kāi)啟困難。

側(cè)艙門(mén)骨架分為兩類(lèi)，即安裝梁和加強(qiáng)筋。安裝梁包括安裝彎臂支座、下平衡桿支座等使用的型材，一般采用40×30×2鋁材。彎臂安裝梁的位置可根據(jù)彎臂的間距及外形大致確定一個(gè)位置，最后再根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)尺寸最終確定；而下平衡桿支座的安裝梁的位置需要考慮關(guān)門(mén)時(shí)，下平衡桿不能與艙門(mén)兩側(cè)密封膠條干涉，一般距離門(mén)板邊緣80～110 mm。在遵循輕量化原則的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)筋可以靈活使用，也可使用板材折彎，盡量做到布局整齊、美觀、實(shí)用。根據(jù)以上原則對(duì)側(cè)艙門(mén)骨架建模，創(chuàng)建時(shí)首先以艙門(mén)門(mén)板為參考，對(duì)門(mén)板的豎直邊使用抽取命令獲得邊曲線，再以該曲線通過(guò)變化掃掠命令繪制型材截面并完成掃掠，最后對(duì)掃掠體修剪，完成一安裝梁建模。通過(guò)同樣方法可以獲得其它安裝梁和加強(qiáng)筋的建模。完成后將創(chuàng)建的建模幾何體添加到側(cè)艙門(mén)組件中，這樣，在UGNX8.0軟件中創(chuàng)建的側(cè)艙門(mén)門(mén)板及骨架三維數(shù)模如圖2所示。

圖2　側(cè)艙門(mén)門(mén)板及骨架

圖3　側(cè)艙門(mén)最大舉升高度

2.2四連桿機(jī)構(gòu)的確定

1）確定最大舉升高度。理想的舉升高度是等于門(mén)體本身在z方向的總高（H）［5］，即側(cè)艙門(mén)在開(kāi)啟位置時(shí)，需保證艙門(mén)的下邊緣與關(guān)閉時(shí)的上邊緣相平齊，最大舉升高度等于H?？紤]到艙門(mén)舉升太高，不方便關(guān)閉，通常最大舉升高度略低于側(cè)艙門(mén)上沿50～100 mm，本文中取低于側(cè)艙門(mén)上沿80 mm。在UGNX8.0軟件中通過(guò)移動(dòng)組件命令復(fù)制一個(gè)側(cè)艙門(mén)，并將復(fù)制的側(cè)艙門(mén)移動(dòng)到所需開(kāi)啟位置，如圖3所示。

2）確定轉(zhuǎn)軸、主動(dòng)軸及下平衡桿的位置。如圖4所示，在側(cè)艙門(mén)中確定彎臂支座中心點(diǎn)O1的位置及下平衡桿在艙門(mén)上O2的位置，O1點(diǎn)一般設(shè)計(jì)在側(cè)艙門(mén)的中心附近，O2點(diǎn)則盡量設(shè)計(jì)在艙門(mén)的最下端。以O(shè)1點(diǎn)建立一yz平面，當(dāng)側(cè)艙門(mén)被舉升到最大高度位置時(shí)，側(cè)艙門(mén)上的O1、O2兩點(diǎn)也相應(yīng)地移動(dòng)到O1'、O2'點(diǎn)，連接O1O1'、O2O2'，并將O2O2'線投影到y(tǒng)z平面上。在yz平面作O1O1'、O2O2'的垂直平分線k和m，并在k上取一點(diǎn)O3作為轉(zhuǎn)軸的固定點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，O3盡可能地靠近側(cè)圍蒙皮外表面，從而避免在側(cè)艙門(mén)剛開(kāi)啟時(shí)其上邊緣盡可能地水平移出，減少門(mén)縫間隙。連接O1O3，O1O3的長(zhǎng)度便是彎臂的回轉(zhuǎn)半徑R。過(guò)O4'點(diǎn)做平行于O1O3的平行線n，線m與n的交點(diǎn)O4，即為下平衡桿固定支座的軸點(diǎn)，連接O3O4，則為四連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架［6］；一般下平衡桿的回轉(zhuǎn)半徑R1要求比轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑R略大，R1通常≈1.05～1.1R。根據(jù)繪制的四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)依次建模轉(zhuǎn)軸、主動(dòng)軸、彎臂、下平衡桿、軸承座等四連桿機(jī)構(gòu)組件。

圖5　氣彈簧的三維數(shù)模及安裝位置

2.3氣彈簧相關(guān)參數(shù)的確定

通常氣彈簧初選時(shí)公稱壓力可定為側(cè)艙門(mén)自重的3倍左右、總長(zhǎng)可定為側(cè)艙門(mén)總高的70%左右，本文側(cè)艙門(mén)重量為15 kg、高度為880 mm，所以選擇公稱壓力為45 kg、總長(zhǎng)為650 mm的氣彈簧兩根。然后在UG NX8.0軟件中，根據(jù)側(cè)艙門(mén)舉升高度、安裝位置及自鎖角要求，確定氣彈簧規(guī)格及鉸支點(diǎn)位置［7］，如圖5所示。具體步驟為：在側(cè)艙門(mén)最大舉升高度狀態(tài)，以任一彎臂中心軸線創(chuàng)建yz'平面，在yz'平面中設(shè)定O5點(diǎn)作為氣彈簧在彎臂上的安裝點(diǎn)，以O(shè)5點(diǎn)為圓心、氣彈簧總長(zhǎng)為半徑繪制圓S；再將轉(zhuǎn)軸固定點(diǎn)O3點(diǎn)投影到y(tǒng)z'平面，得到O3'點(diǎn)，以O(shè)3'點(diǎn)為圓心，O3'O5為半徑繪制圓S1。過(guò)O5點(diǎn)作一條與水平面夾角為2°的直線m'，直線m'與圓S的交點(diǎn)即為氣彈簧的另一安裝點(diǎn)O6。連接O3'O6，與圓S1相交于O7點(diǎn)，O6O7點(diǎn)之間距離為氣彈簧的最短距離L短，經(jīng)測(cè)量L短=430 mm。根據(jù)得出氣彈簧的mm，結(jié)合廠家現(xiàn)有氣彈簧規(guī)格，選擇L有效行程為270 mm。

最終確定氣彈簧基本參數(shù)：等級(jí)為A級(jí)；氣缸外徑為22 mm；活塞桿外徑為10 mm；總長(zhǎng)650 mm；有效行程為270 mm；公稱力為450 N；氣彈簧規(guī)格為YQ10/22 -270-650（B-B）-450 N?？紤]到艙門(mén)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣彈簧的活塞桿與壓力管存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了便于運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真校核，在設(shè)計(jì)時(shí)將活塞桿與壓力管作為兩個(gè)組件分開(kāi)建模，長(zhǎng)度各按270+55 mm（55 mm為廠家給定氣彈簧單端最短工藝長(zhǎng)度），通過(guò)接觸對(duì)齊約束裝配到部件中。

3　運(yùn)動(dòng)過(guò)程及受力分析

3.1在UG NX8.0軟件中運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真校核

對(duì)建模好的各組件進(jìn)行裝配約束，首先對(duì)底架和側(cè)圍骨架使用固定約束，然后使用接觸對(duì)齊約束、距離約束以及中心約束等約束類(lèi)型對(duì)各組件約束，最終使軸承座處于完全約束狀態(tài)，側(cè)艙門(mén)、轉(zhuǎn)軸、彎臂、主動(dòng)軸、氣彈簧、下平衡桿處于部分約束狀態(tài)。在UGNX8.0軟件中使用移動(dòng)組件命令，選擇轉(zhuǎn)軸作為移動(dòng)組件，變換選用動(dòng)態(tài)選項(xiàng)，按zc軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為132°（最大舉升高度位置），捕捉設(shè)為2，動(dòng)畫(huà)步驟參數(shù)設(shè)為300（動(dòng)畫(huà)步驟數(shù)值越大，動(dòng)畫(huà)越慢），回車(chē)后觀察側(cè)艙門(mén)開(kāi)啟動(dòng)畫(huà)效果及結(jié)束位置，再將旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為-132°，即可觀察關(guān)閉動(dòng)畫(huà)效果。也可通過(guò)設(shè)置不同旋轉(zhuǎn)角度值，觀察艙門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的瞬間位置，檢查各組件是否存在干涉現(xiàn)象。

經(jīng)校核，本艙門(mén)在開(kāi)啟以及關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各部件之間無(wú)干涉現(xiàn)象，說(shuō)明該四連桿機(jī)構(gòu)在尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)上合理。圖6所示為其開(kāi)啟水平狀態(tài)。

圖6　艙門(mén)水平狀態(tài)

3.2受力分析

由于在UG NX8.0軟件中只能模擬出艙門(mén)運(yùn)動(dòng)軌跡，無(wú)法驗(yàn)證在某一力矩下，艙門(mén)是否能夠被順利舉升或關(guān)閉，所以四連桿機(jī)構(gòu)經(jīng)UGNX8.0仿真校核確定相關(guān)參數(shù)后，還需要結(jié)合工程力學(xué)對(duì)側(cè)艙門(mén)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析和計(jì)算，從而確認(rèn)側(cè)艙門(mén)開(kāi)啟時(shí)的舉升力矩和關(guān)閉時(shí)自鎖力矩是否合理。

四連桿機(jī)構(gòu)的側(cè)艙門(mén)受力非常復(fù)雜，為了便于分析，在計(jì)算中通常將側(cè)艙門(mén)及四連桿機(jī)構(gòu)分別看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)心通過(guò)其中心，其重量分別用G1、G2代替［9］。在分析中忽略下平衡桿的重力和摩擦力。這樣，側(cè)艙門(mén)所受的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩有側(cè)艙門(mén)自身重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M1、四連桿機(jī)構(gòu)重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M2和氣彈簧舉升力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M3，整個(gè)系統(tǒng)所受到舉升轉(zhuǎn)矩為M=M3-C×（M1+M2），公式中C為修正參數(shù)，C通常取1.2～1.4。為保證側(cè)艙門(mén)的正常開(kāi)啟，舉升轉(zhuǎn)矩M＞0。

由于彎臂轉(zhuǎn)到為水平位置時(shí)，阻力矩M1和M2最大［10］，此時(shí)要求舉升轉(zhuǎn)矩M＞0。通過(guò)測(cè)量三維數(shù)模中的各力力臂，計(jì)算出舉升轉(zhuǎn)矩M=M3-C×（M1+M2）=900× 0.12-1.2×（150×0.49+40×0.18）=11.16 N·m＞0（式中C 取1.2），能保證側(cè)艙門(mén)的正常開(kāi)啟。

當(dāng)側(cè)艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，還應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)自鎖力矩，使得側(cè)艙門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)下緊閉，不會(huì)自動(dòng)彈開(kāi)。一般自鎖力矩設(shè)計(jì)在30～60 N·m之間，同樣通過(guò)計(jì)算可以得出M自鎖=M1+M3=150×0.095+900×0.04=50.25 N·m。

4　結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用UGNX8.0軟件設(shè)計(jì)的四連桿機(jī)構(gòu)平移式側(cè)艙門(mén)，通過(guò)UG運(yùn)動(dòng)仿真功能可直觀地觀測(cè)艙門(mén)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)部件是否存在干涉現(xiàn)象，并可驗(yàn)證各部件是否合適，避免出現(xiàn)二維設(shè)計(jì)中的不足。用此方法設(shè)計(jì)的艙門(mén)已研制出樣品并量產(chǎn)。

［1］陳永軍.客車(chē)側(cè)艙門(mén)鉸鏈淺析［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2004，26 （4）：25-27.

［2］李小龍.YCK6938H型客車(chē)平移式行李艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2004，26（3）：24-25.

［3］公安部道路交通管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件：GB7258-2012［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：5.

［4］全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).汽車(chē)及掛車(chē)外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定：GB 4785-2007［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007：11.

［5］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.

［6］李樹(shù)軍.機(jī)械原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：8-75.

［7］寧水根，黃鍵，張勇，等.客車(chē)外擺式行李艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.汽車(chē)工程師，2012（2）：22-24.

［8］文廣南.氣彈簧撐桿的安裝研究［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2005，27（4）：20-21.

［9］沈中華.平移式后發(fā)動(dòng)機(jī)艙門(mén)四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及附件選擇［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2007，29（3）：32-34.

［10］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.

修改稿日期：2016-03-05

Design of Translational Hatch Door with Four-link Mechanism Based on UG

Wu Dong
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

The author introduces the process of translational hatch door design with four-link mechanism for bus/ coach by UG NX8.0 software，checks and analyzes the movement state of the translational hatch door with four-link mechanismbased on the motion simulation function ofUGNX8.0 software.This can improve the design efficiency.

bus/coach；translational hatch door；four-link mechanis；simulation and design

U463.83+4

B

1006-3331（2016）04-0036-03

吳東（1975-），男，工程師；研究方向：客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)及附件。