大客車(chē)新型外滑移門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

王杰，卞學(xué)良，劉艷鵬

大客車(chē)新型外滑移門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

王杰，卞學(xué)良，劉艷鵬

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130）

設(shè)計(jì)一種大客車(chē)外滑移門(mén)新型滑套四桿移出機(jī)構(gòu)及三種不同類(lèi)型的導(dǎo)軌，并對(duì)其工作原理及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析；在推導(dǎo)出不同類(lèi)型導(dǎo)軌約束下大客車(chē)外滑移門(mén)移出軌跡方程的基礎(chǔ)上，利用MATLAB軟件繪制車(chē)門(mén)的3組運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，通過(guò)對(duì)比分析確定了一種合理的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)方案。

外滑移門(mén)；MATLAB；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)分析

1 大客車(chē)新型外滑移門(mén)的結(jié)構(gòu)及工作原理

客車(chē)乘客門(mén)是客車(chē)上相對(duì)獨(dú)立、較復(fù)雜的總成，是車(chē)身外形的重要組成部分，對(duì)客車(chē)的整體造型起著重要的協(xié)調(diào)作用，同時(shí)還影響著整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和使用性等。隨著車(chē)速的不斷提高及客戶多樣化需求的發(fā)展，對(duì)客車(chē)的造型、空氣動(dòng)力性、舒適性等性能提出了更高的要求，也成為當(dāng)前大客車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。外滑移門(mén)以其開(kāi)啟后占用空間小、開(kāi)度大、密封性能好、良好的進(jìn)出性等優(yōu)點(diǎn)，在MPV和微型客車(chē)中應(yīng)用廣泛。雖然國(guó)內(nèi)大中型客車(chē)采用滑移門(mén)的車(chē)型較少，但是滑移門(mén)在大客車(chē)車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)中占有的優(yōu)勢(shì)不可忽略，今后也將成為大客車(chē)車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)的一種發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。

目前部分滑移門(mén)采用電平移氣塞拉[4]的方法實(shí)現(xiàn)啟閉功能，這種結(jié)構(gòu)不僅需要雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，還需要專(zhuān)門(mén)的氣源和復(fù)雜氣路，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；部分采用電機(jī)絲杠傳動(dòng)[5]，成本較高；部分采用懸浮式電機(jī)和四桿結(jié)構(gòu)[6-7]，雖成本低但移出機(jī)構(gòu)笨重。針對(duì)當(dāng)前滑移門(mén)存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種大客車(chē)外滑移門(mén)新型滑套四桿移出機(jī)構(gòu)。采用新型滑套四桿移出機(jī)構(gòu)的外滑移門(mén)與傳統(tǒng)外滑移門(mén)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，占用空間小，開(kāi)度大，成本低，運(yùn)動(dòng)軌跡更加合理。且國(guó)外類(lèi)似連桿移出機(jī)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用到大客車(chē)外滑移門(mén)中。這種滑套四桿移出機(jī)構(gòu)的門(mén)扇運(yùn)動(dòng)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)，需對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算分析，以獲得合理的運(yùn)動(dòng)軌跡。

該新型大客車(chē)外滑移門(mén)機(jī)構(gòu)（如圖1所示）主要由門(mén)柱1、門(mén)扇2、動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及滑套四桿移出機(jī)構(gòu)組成。動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由主動(dòng)帶輪5、從動(dòng)帶輪13、電機(jī)6、同步帶11、連接板9等組成?；姿臈U移出機(jī)構(gòu)由滑套8、滑動(dòng)軸12、搖臂平行四桿機(jī)構(gòu)3、導(dǎo)軌7等組成?；瑒?dòng)軸12兩端固定于車(chē)身，滑套8安裝在滑動(dòng)軸12上，導(dǎo)軌7在新型滑套四桿機(jī)構(gòu)上方且固定于車(chē)身，搖臂4上的滾輪10嵌在導(dǎo)軌7中，搖臂平行四桿機(jī)構(gòu)3一端與滑套8連接，另一端與門(mén)扇2連接，該結(jié)構(gòu)為左右對(duì)稱式機(jī)構(gòu)。同步帶11與滑套8通過(guò)連接板連接。

該新型外滑移門(mén)與外擺門(mén)有一定的相似性。但傳統(tǒng)的外擺式客車(chē)門(mén)多是一種無(wú)軌道的移出門(mén)，門(mén)扇依靠轉(zhuǎn)軸支撐實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，并在其帶動(dòng)下完成近似平行四邊形的運(yùn)動(dòng)軌跡。而此新型外滑移門(mén)在導(dǎo)軌和新型滑套四桿移出機(jī)構(gòu)的配合下，車(chē)門(mén)首先向外移出，然后在同步帶的帶動(dòng)下，向兩側(cè)滑移，實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)的最大限度開(kāi)啟。另外，與傳統(tǒng)的乘用車(chē)外滑移門(mén)不同，此外滑移門(mén)為雙扇門(mén)，且下導(dǎo)軌位于車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)，風(fēng)阻更小，外表更美觀。

該新型外滑移門(mén)的工作原理如下：開(kāi)門(mén)時(shí)車(chē)載電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)6正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主動(dòng)帶輪5、同步帶11、從動(dòng)帶輪13一起運(yùn)動(dòng)。搖臂平行四桿機(jī)構(gòu)3中的滑套8隨同步帶11向兩側(cè)平移，搖臂4上的滾輪10在導(dǎo)軌7內(nèi)運(yùn)動(dòng)，兩者配合，形成了門(mén)扇2隨滑套8外側(cè)的平移和搖臂平行四桿機(jī)構(gòu)3轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)即可達(dá)到車(chē)門(mén)外移和兩側(cè)滑移的軌跡要求。下?lián)u臂16的滑輪則在門(mén)扇滑道15中滑動(dòng)，保證車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，啟閉柔和，噪聲小。門(mén)扇移出軌跡如圖1（b）中虛線所示（只有水平移動(dòng)，沒(méi)有上下移動(dòng)）。電機(jī)6反轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)大客車(chē)外滑移門(mén)的閉合運(yùn)動(dòng)。

2 滑套四桿移出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

本文建立滑套四桿移出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，并利用MATLAB軟件繪制出外滑移門(mén)在不同類(lèi)型導(dǎo)軌中的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，以最終確定較為合理的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。導(dǎo)軌的類(lèi)型及搖臂四桿移出機(jī)構(gòu)的參數(shù)是影響車(chē)門(mén)啟閉軌跡的重要因素，因此用作圖法對(duì)外滑移門(mén)滑套四桿移出機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定導(dǎo)軌類(lèi)型、滑套四桿移出機(jī)構(gòu)類(lèi)型和各桿長(zhǎng)度。對(duì)比不同類(lèi)型導(dǎo)軌約束下的運(yùn)動(dòng)軌跡，選出其中較合理的導(dǎo)軌類(lèi)型，以此得到合理的車(chē)門(mén)移出軌跡。由于滑套四桿移出機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱布置，這里以左半部分為例進(jìn)行具體分析。

2.1 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

以滾輪中心沿著導(dǎo)軌（圖1中件7）的中心線運(yùn)動(dòng)為參照，設(shè)計(jì)三種類(lèi)型導(dǎo)軌，分別為垂直型、外傾型和內(nèi)傾型。導(dǎo)軌由移出段、平移段、過(guò)渡段三部分組成，過(guò)渡段采用圓弧過(guò)渡型以增強(qiáng)車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)的平順性，外傾型導(dǎo)軌的移出段與豎直方向夾角為θ，內(nèi)傾型導(dǎo)軌的移出段與豎直方向夾角為-θ。車(chē)門(mén)移出過(guò)程中，向外移出同等距離，采用外傾性導(dǎo)軌容易與門(mén)框碰撞，而采用內(nèi)傾型導(dǎo)軌的碰撞幾率最低，采用垂直型導(dǎo)軌居中。三種類(lèi)型的導(dǎo)軌如圖2所示。

2.2 搖臂平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)的啟閉功能，對(duì)搖臂平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有三點(diǎn)要求[8]：滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求；滿足預(yù)定的軌跡要求；滿足預(yù)定的連桿位置要求。根據(jù)大客車(chē)空間位置要求，設(shè)計(jì)的搖臂平行四桿機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌配合運(yùn)動(dòng)，均能實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)的啟閉功能且不與門(mén)框發(fā)生干涉，如圖3所示。

2.3 滑套四桿移出機(jī)構(gòu)的計(jì)算

理想的外滑移門(mén)滑套四桿移出機(jī)構(gòu)，應(yīng)是既能滿足開(kāi)啟過(guò)程中在合理的車(chē)門(mén)間隙條件下不與門(mén)框干涉，又能滿足完全開(kāi)啟后到達(dá)設(shè)計(jì)給定位置。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，車(chē)門(mén)即沿開(kāi)門(mén)軌跡逆向返回，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉車(chē)門(mén)功能。門(mén)縫大小設(shè)計(jì)初已確定，保證了車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)的密封效果。為合理地設(shè)計(jì)滑套四桿移出機(jī)構(gòu)，用解析法建立車(chē)門(mén)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。簡(jiǎn)化滑套四桿移出機(jī)構(gòu)，以導(dǎo)軌平移段與移出段交點(diǎn)為圓心，建立如圖3所示的坐標(biāo)系，O為坐標(biāo)原點(diǎn)，令搖臂AB為桿Ⅰ，連接桿BC為桿Ⅱ，搖臂CDE為桿Ⅲ，滑套AD為桿Ⅳ。LAB=LCD，LAD=LBC。圖3中單點(diǎn)劃線為導(dǎo)軌中心線，桿Ⅲ末端E點(diǎn)處的滾輪沿導(dǎo)軌中心線運(yùn)動(dòng)。桿Ⅳ在同步帶的帶動(dòng)下以速度v向外勻速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)其他桿件外移。當(dāng)D點(diǎn)移動(dòng)到D'點(diǎn)時(shí)，E點(diǎn)移動(dòng)到E'處，完成移出動(dòng)作。由于桿Ⅱ與左車(chē)門(mén)連接，因此外滑移門(mén)運(yùn)動(dòng)軌跡和B、C點(diǎn)相同，此處分析C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡即反映車(chē)門(mén)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

已知D點(diǎn)初始位置坐標(biāo)（XD，YD），同步帶移動(dòng)速度v，各個(gè)桿件長(zhǎng)度LAB、LBC、LCD、LDE、LAD，桿Ⅲ的夾角β（即∠CDE），過(guò)渡段圓弧中心O'坐標(biāo)（a，b）及圓弧半徑r。設(shè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)C'坐標(biāo)為（X'C，Y'C），D'點(diǎn)的坐標(biāo)為（X'D，Y'D），E'點(diǎn)的坐標(biāo)為（X'E，Y'E），求解運(yùn)動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)C'的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。

導(dǎo)軌移出段：由于桿LDE長(zhǎng)度一定，滾輪中心E'在直道上運(yùn)動(dòng)時(shí)受直線方程的約束，移出段導(dǎo)軌中心線的延長(zhǎng)線過(guò)原點(diǎn)O，且與Y軸夾角為θ，因此，在導(dǎo)軌移出段建立方程組如下：

導(dǎo)軌過(guò)渡段：由于桿LDE長(zhǎng)度一定，點(diǎn)在圓弧上運(yùn)動(dòng)，與圓心距離為r，建立方程組如下：

根據(jù)方程組（1）（2），可以求得車(chē)門(mén)移出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中E'點(diǎn)坐標(biāo)（X'E，Y'E）。

在△C'D'E'中根據(jù)平面兩點(diǎn)間距離公式和余弦定理建立方程組如下：

根據(jù)方程組（3）求解出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的C'點(diǎn)坐標(biāo)

以上是外滑移門(mén)在外傾型導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)的軌跡方程，同理，在垂直型導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)的軌跡方程令θ取值為0即可得到，在內(nèi)傾型導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)的軌跡方程令θ取值為-θ即可得到。

3 大客車(chē)外滑移門(mén)移出過(guò)程中運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為了獲取外滑移門(mén)合理的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，根據(jù)大客車(chē)空間位置要求，定義初始值LAB=LCD=90 mm，LAD= LBC=115 mm，LDE=90 mm，θ=10°，β=57°，YD=19 mm，v=5 mm/s，由于導(dǎo)軌類(lèi)型不同，XD、O'、r坐標(biāo)有所不同，對(duì)應(yīng)垂直型、外傾型、內(nèi)傾型導(dǎo)軌，XD分別為-61.2 mm、-53 mm、-69.5 mm，O'坐標(biāo)分別為（-10 mm，-10 mm）、（-8.4 mm，-10 mm）、（-7.2 mm，-6 mm），r分別為10 mm、10 mm、6 mm，帶入相應(yīng)的計(jì)算方程組。用MATLAB求解方程根據(jù)所建坐標(biāo)系，合理選擇正確的解，并繪制三種不同類(lèi)型導(dǎo)軌約束下的外滑移門(mén)移出軌跡曲線[9-10]。為了便于對(duì)比，移動(dòng)軌跡曲線的橫縱坐標(biāo)，令軌跡起始位置都從零點(diǎn)開(kāi)始，三種導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)的外滑移門(mén)的移出軌跡如圖4所示。其中軌跡1，2，3分別對(duì)應(yīng)垂直型導(dǎo)軌、外傾型導(dǎo)軌、內(nèi)傾型導(dǎo)軌。

在閉合狀態(tài)下，門(mén)扇與門(mén)框距離為35 mm，門(mén)扇厚度為30 mm，三類(lèi)運(yùn)動(dòng)軌跡都可以實(shí)現(xiàn)-X向移動(dòng)35 mm后，+Y向移動(dòng)30 mm，因此可以避免與門(mén)框碰撞，使外滑移門(mén)安全擺出。電機(jī)反轉(zhuǎn)，車(chē)門(mén)沿開(kāi)啟軌跡逆向閉合，車(chē)門(mén)順利開(kāi)啟便保證了車(chē)門(mén)的順利閉合。其中，車(chē)門(mén)開(kāi)啟后，門(mén)洞寬度A=1 210 mm，車(chē)門(mén)最大開(kāi)啟量B= 1 080 mm，因此車(chē)門(mén)開(kāi)啟度為B/A×100%=89.26%。三種導(dǎo)軌可實(shí)現(xiàn)同樣的車(chē)門(mén)開(kāi)啟度，同樣的門(mén)縫大小。對(duì)比三種導(dǎo)軌約束下的外滑移門(mén)移出軌跡，+Y向移出同樣的距離，內(nèi)傾型導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡-X向移動(dòng)距離最小，因此可以減小門(mén)縫間隙，增強(qiáng)車(chē)門(mén)的密封性。綜合考慮，導(dǎo)軌3較為合適。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析現(xiàn)有車(chē)門(mén)的特點(diǎn)，結(jié)合外滑移門(mén)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種新型大客車(chē)外滑移門(mén)滑套四桿移出機(jī)構(gòu)及三種類(lèi)型導(dǎo)軌。根據(jù)滑套四桿移出機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算和運(yùn)動(dòng)分析，得到三種不同類(lèi)型導(dǎo)軌約束下外滑移門(mén)的移出軌跡方程。以MATLAB軟件繪制三類(lèi)導(dǎo)軌約束下的外滑移門(mén)移出軌跡曲線，對(duì)比三組運(yùn)動(dòng)軌跡曲線確定了更為合理的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。所得軌跡方程及分析方法，對(duì)類(lèi)似滑移門(mén)移出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及導(dǎo)軌設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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修改稿日期：2016-11-12

Structural Design and Kinematic Analysis on a New Type of Outside Sliding Door for Large Coaches/Buses

WangJie，Bian Xueliang，Liu Yanpeng
（College ofMechanical Engineering,Hebei UniversityofTechnology,Tianjin 300130,China）

A newtype of sliding bush four-bar linkage removal mechanism of large coach/bus outside sliding door and three different kinds ofguide rails are designed.The work principle and motion trail are alsoanalyzed.Based on deriving the removal trail equations of the outside sliding door with different guide rails,three groups of motion trail curves for the vehicle door are described with MATLAB.Through comparative analysis,a reasonable design scheme ofthe guide rail is determined.

outside slidingdoor；MATLAB；structural design；motion analysis

U463.83+4

B

1006-3331（2017）02-0032-04

河北省科學(xué)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（07C1303112002）

王杰（1989-），女，碩士；主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)技術(shù)。