裝甲車輛下翻轉(zhuǎn)車門結(jié)構(gòu)設(shè)計

魏金琳

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裝甲車輛下翻轉(zhuǎn)車門結(jié)構(gòu)設(shè)計

魏金琳

（陜西汽車集團(tuán)汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

為實現(xiàn)裝甲車輛的戰(zhàn)斗人員和裝備能夠?qū)崿F(xiàn)快速上下車，需要將車門設(shè)計為可翻轉(zhuǎn)落下后作為登車平臺使用的形式。由于裝甲車輛車門自重較大，使用時還要高頻承受載荷較大的沖擊載荷，雙油缸水平內(nèi)置翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接式的設(shè)計方法，既能合理布局，又能改善車門升降速度的均勻性，減少了頓挫感，提高了車門的可靠性和安全性。

裝甲車輛；翻轉(zhuǎn)車門；機(jī)構(gòu)設(shè)計

1 前言

下翻轉(zhuǎn)車門是裝甲車輛的重要附件之一，目前國際上流行的下翻轉(zhuǎn)車門機(jī)構(gòu)樣式較多，基本都以液壓缸驅(qū)動為主，但為了充分利用車體空間，對油缸位置的布置，翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、油缸行程和壓力需求等方面都有不同的要求。我公司設(shè)計的某翻轉(zhuǎn)門，其翻轉(zhuǎn)角度大、執(zhí)行機(jī)構(gòu)占用空間小，結(jié)構(gòu)布局合理，操作方便快捷，并且兼?zhèn)淇紤]了產(chǎn)品功能實用性和視覺美觀性。

2 常見的翻轉(zhuǎn)門樣式

下鉸鏈軸翻轉(zhuǎn)車門種類較多，根據(jù)油缸布置位置不同主要有以下幾種：

（1）雙油缸下外置直連式翻轉(zhuǎn)車門。這種結(jié)構(gòu)是將油缸布置于外車身下-端的兩側(cè)，由于油缸伸縮的同時還需要繞油缸固定支座上下擺動，因此需要在油缸自由端留有足夠的擺動空間，故這種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于較輕的V型車身的裝甲車（如圖1）。

（2）雙油缸后外置直連式翻轉(zhuǎn)車門。這種結(jié)構(gòu)是將油缸固定端斜向下布置于車身后圍，下端可前后自由擺動。由于車門翻轉(zhuǎn)角度較大，所以油缸下端前后擺動范圍也很大，故這種結(jié)構(gòu)的車身后圍下端多向外傾斜（如圖2）。

（3）雙油缸水平內(nèi)置直連式翻轉(zhuǎn)車門。這種結(jié)構(gòu)是將油缸水平布置于車身內(nèi)部座椅下方，同樣為了滿足車門有較大的開啟角度，需要油缸自由端可以較大范圍的上下自由擺動，所以座椅下面留有足夠的空間方可進(jìn)行這種車門操縱機(jī)構(gòu)的布置（如圖3）。

（4）鏈條轉(zhuǎn)接式翻轉(zhuǎn)車門。這種結(jié)構(gòu)是通過鏈條來驅(qū)動車門的關(guān)閉，其動力源可以直接使用液壓馬達(dá)、渦輪蝸桿減速機(jī)等驅(qū)動或者經(jīng)鏈條齒盤后由直線油缸驅(qū)動，該機(jī)構(gòu)缺點是如果車門開啟時只能依靠車門重力自行落下，如果不能打開時需要人工外力協(xié)助操作（如圖4）。

圖1 油缸下外置式

圖2 油缸后外置式

圖3 油缸水平內(nèi)置直連式

圖4 鏈條轉(zhuǎn)接式翻轉(zhuǎn)車門

3 雙油缸水平內(nèi)置轉(zhuǎn)接式翻轉(zhuǎn)車門設(shè)計

對比各種常見的油缸布置方式可知，本文所介紹的油缸水平內(nèi)置轉(zhuǎn)接式翻轉(zhuǎn)車門結(jié)構(gòu)占用空間小，翻轉(zhuǎn)角度大，易于安裝調(diào)試，且門板外沿的圓周運動速率更均勻。該翻轉(zhuǎn)門的設(shè)計關(guān)鍵是對油缸的布置、連桿機(jī)構(gòu)件的選擇和滑行軌道的設(shè)計。車門外觀如圖5所示：

圖5 雙油缸內(nèi)置轉(zhuǎn)接式翻轉(zhuǎn)車門

3.1 雙油缸的布置

將兩個雙作用油缸分別布置于車身兩側(cè)的座椅下方，油缸固定端鉸接于車身上，自由端與滑軌小車、連接桿鉸接在一起，油缸在滑軌滑動方向作直線往復(fù)運動。并選用了成熟的油缸產(chǎn)品，該油缸的活塞直徑為50mm，活塞桿直徑為30mm，行程550mm的雙作用液壓油缸,其設(shè)計工作壓強(qiáng)為16MPa，最大許可載荷22MPa。

由油缸拉（壓）牽引力F=p×S可知，在同等壓強(qiáng)下，油缸伸長時的牽引力大于壓縮時的牽引力，因此我們一般設(shè)計都會優(yōu)先考慮油缸在伸長行程中為主要做功段。由于本次油缸設(shè)計是油缸在縮短行程中克服車門重力做功使其向上翻轉(zhuǎn)，所以本油缸在關(guān)門行程的壓強(qiáng)較高。而在油缸推動車門向下翻轉(zhuǎn)過程中，在車門重心繞過下旋轉(zhuǎn)點前（例如車輛停泊在下坡路面時），需要油缸做功推動車門開啟。當(dāng)車門重心繞過下旋轉(zhuǎn)點后，車門在重力作用下拉動油缸加速向下翻轉(zhuǎn)，為控制車門向下的翻轉(zhuǎn)速度，就需要在油路中增加節(jié)流閥控制車門開啟速度。車門結(jié)構(gòu)布置如圖6所示：

圖6 車門關(guān)閉狀態(tài)圖

1液壓缸固定支架 2液壓缸 3支撐小車 4軌道 5可調(diào)連桿 6門旋轉(zhuǎn)支座 7門板搖臂

3.2 滑軌及小車的設(shè)計

滑軌及小車的設(shè)計是本機(jī)構(gòu)的另一個關(guān)鍵技術(shù)。該設(shè)計方案是：將裝有四個深溝球軸承作為轉(zhuǎn)輪的滑動小車在矩形截面的導(dǎo)軌里做往復(fù)運動，小車既有導(dǎo)向作用，還要承擔(dān)向下或者向上的載荷。此處選用矩形導(dǎo)軌的目的是防止小車在關(guān)門的后半行程中脫離導(dǎo)軌。深溝球軸承規(guī)格的選用依據(jù)是：四個軸承總承載力能夠滿足車門打開至最大位置，車門尾端還能承受兩名75kg的成年士兵和一個25kg的背包的2.5倍靜載荷。

3.3 油路原理圖

本套翻轉(zhuǎn)門機(jī)構(gòu)選用兩個雙作用液壓缸，其液壓泵選用24V 1600W的直流電機(jī)驅(qū)動的動力單元總成,該動力單元使用c=1.5cc/r的齒輪泵，其10MPa額定壓力下的轉(zhuǎn)速為n=3000r/ min，額定流速為Q=c·n=4.5L/min。該動力單元使用電磁換向閥進(jìn)行液壓換向，從而實現(xiàn)車門的升和降的控制，下降速度的控制則由可調(diào)節(jié)流閥來實現(xiàn)。其液壓油路原理圖如下圖7所示。

圖7 車門翻轉(zhuǎn)液壓原理圖

4 力學(xué)分析及計算

圖8 車門翻轉(zhuǎn)油缸受力分析

如圖8所示，當(dāng)車門處于靜態(tài)無人員上下車時，車門油缸的拉力F與車門重力繞點O形成了一對力矩與反力矩，即車門重力矩Tg=G×Lg=1.56×103（N·M），連接桿拉力矩T2=F2×L2,由Tg=T2，得F= F′= F2=1.05×104（N）。

關(guān)于后車門的開啟和關(guān)閉過程中的液壓系統(tǒng)相關(guān)計算較為復(fù)雜，且車門在翻轉(zhuǎn)過程中其重心位置不斷變化，即重力矩也是不斷變化的，連接桿的拉力和角度也因車門翻轉(zhuǎn)角度變化而變化，因此本次設(shè)計計算時選定幾個關(guān)鍵點位置，根據(jù)瞬時力矩平衡進(jìn)行油缸拉桿的拉力計算得出油缸拉力和壓強(qiáng)，如下表：

表1

根據(jù)該動力單元的參數(shù)可知，該液壓泵的額定流速為Q=4.5L/min，單個油缸體積變化量為V1=π×(50-30)2/4×550=1.73×10-1(L),額定工況下關(guān)門時間大約為t=V/Q=2V1/ Q=4.7（S），時間滿足設(shè)計要求。車門的開啟過程則為電動單元反向供油開啟車門，并使用可調(diào)節(jié)流閥來控制油液的流速，達(dá)到對車門下落速度的控制。

由于油缸額定壓強(qiáng)為p=16MPa，根據(jù)油缸活塞尺寸可得此位置時最大拉力值為Fmax=pmax×S=4.02×104（N），單個乘員的靜載荷繞轉(zhuǎn)軸的力矩值為Tb=Fb×Lb，車門重力矩仍為Tg，這時有n×Tb+Tg=T2max，代入可得安全系數(shù)n=3.6。

為了防止長時間停放油缸泄壓或者意外泄壓導(dǎo)致后車門的跌落，可以在車門上端增加了機(jī)械式安全碰鎖機(jī)構(gòu)，在車門閉合時碰鎖同時鎖死車門，開啟車門時需要手動開啟碰鎖后方可進(jìn)行車門的液壓開啟操作。

5 總結(jié)

本翻轉(zhuǎn)車門通過對比分析各種常見車門結(jié)構(gòu)的特點，并參考國際先進(jìn)設(shè)計理念，充分考慮車輛使用環(huán)境和工作工況，在節(jié)省車內(nèi)空間和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的前提下，還增加了提高安全性的冗余設(shè)計，兼顧了車門的實用性及可靠性，因此，該設(shè)計方案更適合裝甲車輛的后門系統(tǒng)，為裝甲車的車門設(shè)計提供參考，并具有一定的技術(shù)先進(jìn)性。

[1] 王望予.汽車設(shè)計[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2] 簧金陵.汽車車身設(shè)計[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3] 馮益柏.坦克裝甲車輛設(shè)計[M]:北京化學(xué)工業(yè)出版社,2015.

[4] 濮良貴.機(jī)械原理[M]北京:高等教育出版社,2003.

[5] 張海平.液壓速度控制技術(shù)[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

Design of Overturn Door of Armored Vehicle

Wei Jinlin

（Shaanxi Automobile Group Automotive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710200）

In order to allow soldiers and weaponry to board fast and safely, a door which can turn up and down was designed, this door can be treaded as a platfrom when it is laid down. Because of the heavy weight and load of backdoor of wheeled armored vehicle, horizontal internal switching double cylinder was used in this design, the results show that, the uniformity of the opening-closing speed is improved, shift is more smooth, the reliability and security of the backdoor are improved.

Armored Vehicle; Overturn Door; Structure Design

A

1671-7988(2019)03-156-03

U462

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1671-7988(2019)03-156-03

U462

魏金琳，就職于陜西汽車集團(tuán)汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.052