基于CATIA的手動(dòng)平移艙門受力分析

王飛宇

摘 要：文章以北方客車BFC6123系列車型某一四連桿機(jī)構(gòu)的手動(dòng)平移艙門為例，使用CATIA零件模塊和裝配模塊進(jìn)行三維建模及CATIA的DMU模塊（數(shù)字運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)幅的約束和仿真，從而模擬手動(dòng)平移艙門的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并針對(duì)艙門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的四種狀態(tài)進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)校核，通過(guò)分析與校核提高了手動(dòng)平移艙門設(shè)計(jì)的可靠性和便利性。

關(guān)鍵詞：客車;艙門;手動(dòng)平移;受力分析;運(yùn)動(dòng)校核

中圖分類號(hào)：F570.71? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-142-04

Abstract： Taking a translational hatch door with four-link mechanism of North Bus BFC6123 series as an example， this paper carries out 3D modeling and simulates the motion process of manual translational door based on CATIA. The four states in the process of the door movement are analyzed and checked， and the reliability and convenience of manual translation door design are improved.

Keywords： Coach; Hatch door; Manual translational; Force Analysis; Movement check

CLC NO.： F570.71? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-142-04

前言

隨著人們對(duì)出行和旅游的熱情日益激增，客車數(shù)量隨之大幅增長(zhǎng)，客運(yùn)站及景區(qū)停車場(chǎng)的客車停泊密度亦愈來(lái)愈大。上翻式側(cè)艙門因車輛間距小而導(dǎo)致無(wú)法完全開啟，不便于乘客取放行李;而手動(dòng)平移側(cè)艙門具備開啟時(shí)占用空間小、開啟度大、取放行李方便、艙門變形量小、工作可靠和開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因而備受推崇[1-3]。但手動(dòng)平移艙門若設(shè)計(jì)不合理，容易出現(xiàn)啟閉費(fèi)力、舉升無(wú)力、關(guān)閉不嚴(yán)等問(wèn)題，需精準(zhǔn)設(shè)計(jì)以確保其具有平滑可靠的啟閉過(guò)程及良好的密封。

下面以北方客車BFC6123系列車型某一行李艙洞口的手動(dòng)平移機(jī)構(gòu)及側(cè)艙門為例，基于CATIA軟件、針對(duì)艙門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的四種狀態(tài)進(jìn)行了受力分析，并對(duì)艙門的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了校核，避免了在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)上述不合理的問(wèn)題。

1 手動(dòng)平移艙門的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 手動(dòng)平移艙門的結(jié)構(gòu)

手動(dòng)平移艙門的結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成（含支撐座總成、轉(zhuǎn)軸、主動(dòng)軸、彎臂及其支座、平衡桿總成及其上下支座、氣動(dòng)撐桿支座）、側(cè)艙門（含門板、鎖止機(jī)構(gòu)、門鎖和連接手動(dòng)平移機(jī)構(gòu)用的預(yù)埋板）、氣動(dòng)撐桿及車身結(jié)構(gòu)（含平衡桿支座預(yù)埋件、氣動(dòng)撐桿支座和艙門密封結(jié)構(gòu)等）組成。主要零件見圖1所示。其中，轉(zhuǎn)軸、彎臂、平衡桿和氣動(dòng)撐桿等的支座等均設(shè)計(jì)為帶長(zhǎng)孔的可調(diào)整結(jié)構(gòu)，并且轉(zhuǎn)軸、彎臂、平衡桿帶有長(zhǎng)度為30mm～40 mm正反絲的螺紋段，以便于該結(jié)構(gòu)的安裝和調(diào)整[4-5]。

1.2 手動(dòng)平移艙門的工作原理

手動(dòng)平移艙門的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分為完全閉合、完全開啟和中間運(yùn)動(dòng)過(guò)程三個(gè)狀態(tài)。

手動(dòng)平移艙門完全閉合狀態(tài)下，通過(guò)人的拉力將艙門抬升一定高度后松手，艙門在氣動(dòng)撐桿的作用下，力矩通過(guò)彎臂作用于艙門，該力矩克服艙門自身重力產(chǎn)生的力矩后，將艙門舉起，直到彎臂上的防撞塊頂?shù)杰嚿淼念A(yù)埋件上，達(dá)到完全開啟狀態(tài)。

關(guān)閉艙門時(shí)，通過(guò)人的拉力，將艙門拉下一定高度后松手，艙門在自身重力和氣動(dòng)撐桿雙重作用力下，自動(dòng)關(guān)閉。為了保證艙門時(shí)刻保持與車身呈基本平行狀態(tài)，平移機(jī)構(gòu)設(shè)有平衡桿，來(lái)保持艙門整體運(yùn)行平穩(wěn)、不至于翻轉(zhuǎn)。艙門關(guān)閉后，依靠氣動(dòng)撐桿、艙門自身重力及門鎖的鎖緊力來(lái)共同壓緊安裝于車身的膠條，使得艙門與車身密封嚴(yán)實(shí)、可靠[6-7]。

2 運(yùn)動(dòng)過(guò)程及受力分析

2.1 理論模型的建立

為了更好的研究和分析艙門的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，將整套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為理論模型如下：

（1）彎臂的上端與旋轉(zhuǎn)軸剛性連接，彎臂的下端通過(guò)彎臂支座與艙門上的預(yù)埋件鉸接。在下面的受力分析中，將艙門視作重物，重心直接作用于鉸接點(diǎn)，即重力方向由鉸接點(diǎn)豎直向下，同時(shí)彎臂的強(qiáng)度高，為剛性梁，受力分析時(shí)取直;

（2）平衡桿的上端通過(guò)平衡桿上支座與車身鉸接，其下端通過(guò)平衡桿下支座與艙門的預(yù)埋件鉸接。由于平衡桿僅為保持艙門狀態(tài)的平衡，對(duì)艙門的作用力很小，在受力分析中予以忽略不計(jì);

（3）氣動(dòng)撐桿的一端與彎臂上的短臂鉸接，該短臂與彎臂成一定的角度，氣動(dòng)撐桿的另一端通過(guò)氣動(dòng)撐桿支座鉸接于車身;

（4）為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)上述所用鉸接、轉(zhuǎn)軸處均為理想狀態(tài)，即不考慮各種狀態(tài)下的摩擦力;

（5）從艙門完全關(guān)閉到艙門完全打開，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部受力大小、方向等整體狀態(tài)時(shí)刻改變，模型選取以下四個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)做詳細(xì)分析：艙門完全關(guān)閉狀態(tài)、氣動(dòng)撐桿死點(diǎn)狀態(tài)、受力平衡點(diǎn)狀態(tài)和完全打開狀態(tài)。在四個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的狀態(tài)，為中間過(guò)渡過(guò)程，各個(gè)狀態(tài)區(qū)間只有受力大小的變化，受力的方向沒(méi)有變化;

（6）行李艙門和手動(dòng)平移機(jī)構(gòu)選取北方客車BFC6123系列車型的某一行李艙洞口為例，使用CATIA零件模塊和裝配模塊進(jìn)行三維建模，使用CATIA的DMU模塊（數(shù)字運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的約束和仿真，模擬該結(jié)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，參見圖2和圖3。

該建模所用艙門的重力為250N，所用的2根氣動(dòng)撐桿的公稱壓力T均為700N，一般氣動(dòng)撐桿初選時(shí)的公稱壓力為側(cè)艙門自身重力的3倍左右[5]。

2.2 在CATIA軟件中的受力分析

在建立的理論模型基礎(chǔ)上，分別對(duì)艙門完全關(guān)閉狀態(tài)、氣動(dòng)撐桿死點(diǎn)狀態(tài)、受力平衡點(diǎn)狀態(tài)和完全打開狀態(tài)進(jìn)行受力分析，計(jì)算過(guò)程和結(jié)果如下。其中：M1為氣動(dòng)撐桿舉升力產(chǎn)生的力矩，M2為艙門自身重力產(chǎn)生的力矩，M為整個(gè)艙門所受到的合力矩。

2.2.1 艙門完全關(guān)閉狀態(tài)

艙門完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，主要零件位置見圖4。

該力矩是完全閉合狀態(tài)下的艙門自鎖力矩，其可以保證艙門關(guān)閉可靠、膠條密封嚴(yán)實(shí)。當(dāng)打開艙門時(shí)，需克服此力矩，若以垂直于力臂的方向向外拉艙門，如圖所示力F，那么拉力F的大小為：F=M/S2=64/0.52=123N。

即在艙門完全關(guān)閉狀態(tài)下，手動(dòng)拉力打開艙門的最小力值為123N。

2.2.2 氣動(dòng)撐桿死點(diǎn)狀態(tài)

艙門未完全打開，氣動(dòng)撐桿處于死點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，主要零件位置見圖6。

該狀態(tài)時(shí)的受力情況如圖7所示：

2.2.3 艙門受力平衡狀態(tài)

艙門處于受力平衡狀態(tài)時(shí)，主要零件位置見圖8。

2.2.4 艙門完全開啟狀態(tài)

艙門處于完全開啟狀態(tài)時(shí)，主要零件位置見圖10。

艙門處于完全開啟狀態(tài)時(shí)，氣動(dòng)撐桿接近最長(zhǎng)，受力情況如圖11所示：

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，該車型的手動(dòng)平移艙門能夠?qū)崿F(xiàn)啟閉省力、舉升有力可靠并且能達(dá)到密封嚴(yán)實(shí)有效。

但是由于理論模型分析均忽略了各種摩擦力和阻力，并且各種摩擦力和阻力的方向均為運(yùn)動(dòng)方向的相反方向，故打開和關(guān)閉手動(dòng)平移艙門時(shí)所用的力要比理論計(jì)算值略大，受力平衡位置也比理論計(jì)算高度略高。同時(shí)，由于理論模型是基于整套結(jié)構(gòu)裝配完好的狀態(tài)，即旋轉(zhuǎn)軸與支座、氣動(dòng)撐桿連接軸與支座、彎臂與艙門支座完全同軸，并且氣動(dòng)撐桿運(yùn)動(dòng)軌跡面與門板平面垂直，但實(shí)際裝配后存在一定的安裝誤差，從而造成力在非有用方向上的分解，也會(huì)對(duì)艙門開關(guān)造成一定的影響。

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