無障礙公交車門啟閉機構(gòu)優(yōu)化設計

程立艷，周亮亮，汪甜甜

（池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247000）

無障礙公交車門啟閉機構(gòu)優(yōu)化設計

程立艷，周亮亮，汪甜甜

（池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247000）

在研究無障礙公交車門啟閉機構(gòu)設計變量及其基本約束條件的基礎上，結(jié)合最小行程目標函數(shù)建立機構(gòu)的優(yōu)化數(shù)學模型，并利用MATLAB優(yōu)化工具箱對車門啟閉機構(gòu)進行了優(yōu)化設計，得到機構(gòu)的最佳幾何尺寸參數(shù).結(jié)果表明，得到的優(yōu)化分析數(shù)據(jù)能滿足設計需求，在車門啟閉機構(gòu)設計和運動規(guī)律特性分析中具有一定的應用價值.

無障礙公交車門；啟閉機構(gòu)；MATLAB；優(yōu)化設計

機構(gòu)優(yōu)化設計是一個多約束、多變量類型的綜合優(yōu)化設計問題，目前與之相關的研究較多，但大部分采用的是圖解法或解析法[1]，為了進一步提高設計精度，本文采用桿長為設計變量的同時,在目標函數(shù)中加入了最小行程約束條件,建立了車門啟閉機構(gòu)的優(yōu)化模型，并運用Matlab對動態(tài)系統(tǒng)進行仿真分析，以實現(xiàn)無障礙公交車門在最小行程基礎上的平穩(wěn)啟閉.

1 優(yōu)化設計數(shù)學模型

車門采用外擺式側(cè)拉單開門，把車門整體旋轉(zhuǎn)外移以最大限度地增大車門凈開度，使乘客上、下車更為方便，與內(nèi)擺式車門相比，可以大大減小乘客被夾傷的概率，提高了乘客的乘車安全性.

車門啟閉機構(gòu)的模型是平面四桿機構(gòu)中的偏置搖桿滑塊機構(gòu)，如圖1所示[2]，連桿BC是車門的一部分的簡化，主動搖桿AB轉(zhuǎn)動，拉動連桿BC轉(zhuǎn)動即車門轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車門啟閉.滑塊C只能在門上方的滑槽內(nèi)滑動，車門寬度設計為900mm[3][4]，公交車門開啟時使門板與導軌保持在α＞100°[5].

圖1 車門啟閉機構(gòu)運動模型

對車門啟閉機構(gòu)建立為如圖2所示的坐標系，設搖桿AB和連桿BC的長度分別為l1和l2，偏心距為e，原動件搖桿AB的角速度為ω1、方位角為θ1，連桿BC的方位角為θ2.

圖2 偏置搖桿滑塊機構(gòu)

根據(jù)如圖2所示的坐標系，由偏置搖桿滑塊機構(gòu)的矢量封閉圖可得連桿BC的角位移、角速度和角加速度.角位移角速度），角加速度

1.1 確定設計變量

1.2 確立目標函數(shù)

為縮短導軌尺寸，當搖桿AB從開啟位置轉(zhuǎn)動到關閉位置時，要求滑塊C具有最小行程Hmin，根據(jù)圖2中的幾何關系，以此確立的目標函數(shù)為：

1.3 邊界條件

1.3.1 桿長條件

1.3.2 傳動角約束條件

在如圖2所示的偏置搖桿滑塊機構(gòu)中，當AB與BC共線時γmin=0°.避免機構(gòu)由死點位置開始運動，利用慣性或其它方法能順利通過機構(gòu)傳動角γ=0°的死點位置[7].

車門啟閉時受力較小，而當機構(gòu)受力較小的情況下可允許最小極限傳動角γmin=0°，所以車門啟閉機構(gòu)對傳動角沒有限制要求.

2 機構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化結(jié)果

MATLAB中用于求解約束條件下非線性極小值優(yōu)化工具函數(shù)是fmincon[8][9]，先根據(jù)桿長條件為目標函數(shù)編寫M文件（myfun.m）：

然后在MATLAB的命令窗口輸入?yún)?shù)初始點x0、設計變量x的下界向量lb和上界向量ub，調(diào)用函數(shù)求fmincon極值.

由此得出對車門啟閉機構(gòu)進行優(yōu)化的最優(yōu)解為：x1=1071.4，x2=1071.4，fval=1109.7，exitflag=1.

根據(jù) x1＞x2，對上述數(shù)據(jù)取整，取 x1=1073，x2=1072.

2.2 優(yōu)化分析

圖3 連桿BC角位移、角速度和角加速度變化曲線

結(jié)合已知搖桿轉(zhuǎn)角θ1及根據(jù)滑塊具有最小行程優(yōu)化得到的l1、l2和e數(shù)值，并取ω1=1，借助MATLAB軟件編程可繪制出連桿BC的角位移、角速度和角加速度變化曲線如圖3所示，圖中角位移、角速度和角加速度分別用實線、虛線、點劃線表示.

通過連桿BC的運動仿真圖3可以看出，搖桿AB由270°轉(zhuǎn)至360時，連桿角位移大約轉(zhuǎn)過60°，由0.4768（與x軸成 27.32°）轉(zhuǎn)至-0.5728（與 x軸成-32.82°），即車門開啟位置與關閉位置夾角為 180°-60°=120°＞100°，因此可以實現(xiàn)公交車門的正常啟閉，且凈開度較大.

連桿BC角速度和角加速度均是變量，由圖3可以看出角速度范圍由0至-1.1911，負號表示順時針旋轉(zhuǎn)，角加速度范圍由-1.2046至-0.0780.角速度及角加速度變動均較小，車門啟閉較平穩(wěn).此外，還可以通過優(yōu)化原動件搖桿的角速度ω1優(yōu)化機構(gòu)的運動特性，實現(xiàn)車門更平穩(wěn)啟閉.

3 結(jié)語

本文根據(jù)公交車門啟閉的運動要求建立機構(gòu)的仿真模型，運用MATLAB軟件編程對機構(gòu)進行優(yōu)化及運動仿真，仿真結(jié)果表明，此偏置搖桿滑塊機構(gòu)可以實現(xiàn)公交車門的平穩(wěn)啟閉，且車門凈開度較大.但外擺式側(cè)拉單開門的偏置搖桿滑塊機構(gòu)在滑塊位移最小的目標下優(yōu)化后的桿長較長，可以通過更換車門啟閉方式和車門數(shù)的方式對無障礙公交車門啟閉機構(gòu)進行改善.本文對搖桿滑塊機構(gòu)和車門啟閉的設計研究具有一定意義，為實現(xiàn)車門啟閉更平穩(wěn)、重量更輕和降低噪聲等方面的車門啟閉機構(gòu)優(yōu)化設計奠定了基礎.

〔1〕張周周,任靖日.基于MATLAB的車門啟閉機構(gòu)優(yōu)化設計及摩擦學分析[J].延邊大學學報 (自然科學版),36(4):370-374.

〔2〕李濱城,徐超.機械原理 MATLAB 輔助分析[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011.113-114.

〔3〕王引.我國無障礙公交車設計探討[J].大眾科技,2010(3):111-112.

〔4〕朱慧,黃志剛.無障礙公交車內(nèi)部布局設計與研究[J].包裝工程,2010,31(18):1-4.

〔5〕于榮濤,孫東明,黃文婷.基于ADAMS的公交車車門動力學分析[J].新技術新工藝,2013(4):38-39.

〔6〕李獻奇,劉維維,高連興.搖桿滑塊機構(gòu)及其在農(nóng)業(yè)機械上的應用研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2014(1):20-22.

〔7〕鄭文緯,吳克堅.機械原理[M].北京:科學出版社,2007.86-87.

〔8〕卜王輝,陳茂林,李夢如.MATLAB基礎與機械工程應用[M].北京:科學出版社，2015.113-114.

〔9〕郭仁生.機械工程設計分析和MATLAB應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.107-108.

U469.13

A

1673-260X（2017）09-0025-02

2017-06-24

池州學院自然科學研究項目：無障礙公交車門啟閉機構(gòu)優(yōu)化設計及運動仿真分析（2015ZR002）