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发表于 2020-7-2 10:04:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

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轻型客车电动外摆门设计

胡建锋
(安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽 合肥 230601)

【中国汽车材料网】摘 要:文章介绍了一种轻型客车电动外摆门的设计过程,详细阐述了电动外摆门的约束条件,布置方法,运动分析。
关键词:电动外摆门;轻型客车;约束;布置;运动分析


前言
目前,小团体中短途旅行、城郊短途客运等市场越来越火爆。针对市场需求,结合我司现产品现状,选定某款轻型客车进行乘客门的自动化改制。该种外摆式乘客门具有门敞开度大、密封性能好、开关简便、刚度性能高等优点。

1 电动外摆门约束
电动外摆门系统的设计约束条件有:(1)不允许外摆门自行开启。(2)在开闭过程中遇到障碍物时,外摆门应能停止关闭或自动开启。防夹力不大于250N。(3)在车内或车外能手动操纵紧急开启装置。(4)车辆停在20%的上、下坡上,外摆门应能正常打开。(5)最小限度的保持车身造型。

2 电动外摆门设计布置方法
电动外摆门系统主要由外摆门本体、摆臂及门泵总成、下平衡杆总成、车身总成组成。设计为四连杆机构,车门本体为一杆,摆臂为一杆,下平衡杆为一杆,车身为一杆,四杆之间的连接均采用铰接连接。如此,确定了车门运动轨迹的唯一性。

2.1 外摆门设计参数的确定
理论设计中,需确定的外摆门的设计参数如图1所示。
外摆门门框宽度由车身总布置确认后输入,即外摆门本体宽度L与两倍的外摆门与门框间隙之和(2S+L)。根据我司的工艺制造精度水平和与密封条厂家确认外摆门密封结构形式,确定外摆门与门框间隙S以及外摆门宽度L。外摆门本体一般采用铝合金材质,在保证门本体刚度及强度的前提下,门本体厚度T要求30mm-40mm。摆臂与外摆门铰接点A到车门内壁距离 e由门上支架的宽度决定,一般在20mm-30mm之间。门泵旋转中心O点到乘客门一级踏步侧壁(即电动门泵安装面)距离a是由门泵自身尺寸决定的,可根据选定的电动门泵进行实测。打开的外摆门停在侧围外侧,为防止打开的外摆门与车身侧围外侧干涉,外摆门内壁距离侧围外侧距离C,要求在80mm-120mm之间。C值取小时,外摆门开度会稍微增大。外摆门打开时,左端可留在门框内少许,外摆门左端边缘距离踏步侧壁距离D可根据门泵安装尺寸a确定。D值取小值(可直到0)时,通道尺寸增大;D值取大值时,对车门运动设计有利。对于D值,可先确定一个值,然后进行外摆门的机构设计。

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图1 外摆门设计参数



门系统四连杆机构的设计,就是在上述参数已经确定的情况下,将四连杆机构的4个铰接点确定下来,即摆臂与门铰接点A,电动门泵旋转中心O点,下平衡杆与车门铰接点D点,下平衡杆与车身铰接点E点。设计的外摆门运动轨迹状态,必须要达到既定的设计要求。在寻找铰接点的设计过程中,会进行外摆门的运动校核,根据外摆门运动过程的姿态及轨迹,会反过来修改已设定的S、L、T、e、C、D这些基本参数,使得外摆门的运动姿态和轨迹符合设计要求。

2.2 外摆门运动铰接点位置的确定
2.2.1 门泵旋转中心O点及摆臂与外摆门铰接点A的确定
e值设定为25mm,A点取在外摆门本体中分面上,如此在草图上确定了A的平面位置。A点在门中分面上,可保证车门前后侧在运动时受力均匀,且不使摆臂承受附加力矩。之后采用作图法来求取O点(图2所示)。
首先,做出车门开启后A点的位置A’,连接AA’,作出其垂直平分线m,与距踏步距离为a的直线n相交,则交点即为O点。因为O点是电动门泵旋转中心,故必须以此点来检验电动门泵是否安装的下。为此,在图中画出门泵的横截面,检查与周边件的间距是否满足设计要求。其外边缘与车门内壁间距f必须能满足结构的要求(即外摆门密封条放置空间及与门泵的间隙,车门密封结构已确定,间隙要求5mm),则O点即定下来,否则需重新确定。
2.2.2 下平衡杆与外摆门铰接点D及与车身铰接点E的确定
由于摆臂与外摆门铰接点 A一般在车门中心偏前的位置,为保证外摆门在运动过程中平顺、稳定,应尽可能的加大A点和D点的间距,所以,平衡杆与外摆门门铰接点D,应尽可能的布置在车门的左前端,并且越靠前越好,一般设计中直接将D点设置在车门最左端。距离车门内壁距离也为e。这样,D点就确定了。依然采用作图法求出 E点(图 3所示)。
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图2 O及A点确定示意图


首先,做出车门开启后D的位置D’,连接DD’,作出其垂直平分线K,那么E点肯定在直线K上。此外摆门的四连杆结构设计为平行四边形结构,故过D点作直线平行于直线OA,该直线与直线K的交点即为E点。
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图3 D及E点确定示意图



3 电动外摆门作动理论计算
电动外摆门作动一个循环包括关闭作动过程和开启作动过程。
3.1 外摆门平摆作动实现原理计算
摆臂与电动门泵螺纹-螺柱配合,螺纹配合面角度40°。外摆门本体总质量M1为30.6kg,摆臂总成质量M2为6.2kg,上升过程摆臂内的加压弹簧压缩量L为0.0075m,加压弹簧弹性系数k=20000N/m。摆臂及门本体受力分析如图5所示。
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图5 摆臂及门本体受力分析


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图6 电动门泵受力分析



式中N为摆臂及门本体重量;N1、N2是N的分力;F动为动摩擦力;u为动摩擦系数,取1.4。图中f为摆臂及门本体所受静摩擦力。因 N1<F动,可知摆臂与电动门泵之间的摩擦是静摩擦,故电动门泵和摆臂相对静止。电动门泵受力分析如图6所示。
因摆臂与电动门泵相对静止,故摆臂施加给电动门泵的静摩擦力 f力值与 N1相等,方向相反。电动门泵输出扭矩3N.m-4N.m。
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式中为f1静摩擦力分力;H1为静摩擦力力矩;R为电动门泵螺柱半径,值为 0.0135m。因静摩擦力力矩小于电动门泵输出的扭矩,故可实现摆臂及门本体跟随电动门泵一起旋转,实现平摆 。
3.2 外摆门抬升作动实现原理计算
外摆门本体总质量 M1为 30.6kg,摆臂总成质量 M2为6.2kg,上升过程摆臂内的加压弹簧压缩量L为0.025m,加压弹簧弹性系数 k=20000N/m,电动门泵自身输出举升力 T在800N-1000N。此外摆门所需举升力:
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式中g为重力加速度,取9.8N/kg。
实际所需举升力在电动门泵自身输出举升力范围内,故可实现外摆门抬升作动。
3.3 外摆门20%上坡(坡度11.3°)驻坡作动实现原理计算
当车辆停在20%上坡上时,外摆门能正常打开并保持开启状态。外摆门本体总质量M1为30.6kg,摆臂总成质量M2为6.2kg,上升过程摆臂内的加压弹簧压缩量L为0.0075m,加压弹簧弹性系数 k=20000N/m。摆臂及门本体受力分析如图7所示。
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图7 摆臂及门本体20%坡度受力分析



式中N为摆臂及门本体重量;N1、N2是N的分力;F动为动摩擦力;u为动摩擦系数,取1.4。图中f为摆臂及门本体所受静摩擦力。
因N1<F动,可知摆臂与电动门泵之间的摩擦是静摩擦,故电动外摆门可实现在20%的上坡坡度上电动门泵和摆臂相对静止。电动门泵受力分析如图8所示。
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图8 电动门泵体20%坡度受力分析



因摆臂与电动门泵相对静止,故摆臂施加给电动门泵的静摩擦力 f力值与 N1相等,方向相反。电动门泵输出扭矩3N.m-4N.m。
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式中f1为静摩擦力分力;H1为静摩擦力力矩;R为电动门泵螺柱半径,值为0.0135m。
因静摩擦力力矩小于电动门泵输出的扭矩,故电动外摆门可实现在20%的上坡坡度上摆臂及门本体跟随电动门泵一起旋转,实现平摆作动。

4 电动外摆门防夹力设计计算
设计上当电动门在关闭状态时,防夹力相对转轴力臂最小,此时所需防夹力最大。外摆门关闭状态时摆臂及门本体受力分析如图9所示。
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图9 关闭状态摆臂及门本体受力分析



根据力平衡,可知:
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其中,f为电动门泵与摆臂间的动摩擦力;N为摆臂及门本体重量;F为防夹力;u为动摩擦系数,取1.4。由(14)算式计算出防夹力为41N,设计要求防夹力≤100N。故满足设计要求。

5 结论
外摆式门系统结构复杂,本文详细阐述了该种车门系统的设计方法,有利于同行业人参考借鉴。

参考文献
[1] 史兆杰.电动外摆门设计[J],装备制造技术,2017(03):29-30.



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