程立艷，周亮亮，汪甜甜

（池州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247000）

無(wú)障礙公交車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

程立艷，周亮亮，汪甜甜

（池州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247000）

在研究無(wú)障礙公交車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量及其基本約束條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合最小行程目標(biāo)函數(shù)建立機(jī)構(gòu)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB優(yōu)化工具箱對(duì)車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到機(jī)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(shè)計(jì)需求，在車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性分析中具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

無(wú)障礙公交車門(mén)；啟閉機(jī)構(gòu)；MATLAB；優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)多約束、多變量類型的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，目前與之相關(guān)的研究較多，但大部分采用的是圖解法或解析法[1]，為了進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)精度，本文采用桿長(zhǎng)為設(shè)計(jì)變量的同時(shí),在目標(biāo)函數(shù)中加入了最小行程約束條件,建立了車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型，并運(yùn)用Matlab對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙公交車門(mén)在最小行程基礎(chǔ)上的平穩(wěn)啟閉.

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

車門(mén)采用外擺式側(cè)拉單開(kāi)門(mén)，把車門(mén)整體旋轉(zhuǎn)外移以最大限度地增大車門(mén)凈開(kāi)度，使乘客上、下車更為方便，與內(nèi)擺式車門(mén)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(mén)啟閉機(jī)構(gòu)的模型是平面四桿機(jī)構(gòu)中的偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，如圖1所示[2]，連桿BC是車門(mén)的一部分的簡(jiǎn)化，主動(dòng)搖桿AB轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)連桿BC轉(zhuǎn)動(dòng)即車門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車門(mén)啟閉.滑塊C只能在門(mén)上方的滑槽內(nèi)滑動(dòng)，車門(mén)寬度設(shè)計(jì)為900mm[3][4]，公交車門(mén)開(kāi)啟時(shí)使門(mén)板與導(dǎo)軌保持在α＞100°[5].

圖1 車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

對(duì)車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)建立為如圖2所示的坐標(biāo)系，設(shè)搖桿AB和連桿BC的長(zhǎng)度分別為l1和l2，偏心距為e，原動(dòng)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(jī)構(gòu)

根據(jù)如圖2所示的坐標(biāo)系，由偏置搖桿滑塊機(jī)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(shè)計(jì)變量

1.2 確立目標(biāo)函數(shù)

為縮短導(dǎo)軌尺寸，當(dāng)搖桿AB從開(kāi)啟位置轉(zhuǎn)動(dòng)到關(guān)閉位置時(shí)，要求滑塊C具有最小行程Hmin，根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系，以此確立的目標(biāo)函數(shù)為：

1.3 邊界條件

1.3.1 桿長(zhǎng)條件

1.3.2 傳動(dòng)角約束條件

在如圖2所示的偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)AB與BC共線時(shí)γmin=0°.避免機(jī)構(gòu)由死點(diǎn)位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，利用慣性或其它方法能順利通過(guò)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角γ=0°的死點(diǎn)位置[7].

車門(mén)啟閉時(shí)受力較小，而當(dāng)機(jī)構(gòu)受力較小的情況下可允許最小極限傳動(dòng)角γmin=0°，所以車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)角沒(méi)有限制要求.

2 機(jī)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(zhǎng)條件為目標(biāo)函數(shù)編寫(xiě)M文件（myfun.m）：

然后在MATLAB的命令窗口輸入?yún)?shù)初始點(diǎn)x0、設(shè)計(jì)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(duì)車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(shí)線、虛線、點(diǎn)劃線表示.

通過(guò)連桿BC的運(yùn)動(dòng)仿真圖3可以看出，搖桿AB由270°轉(zhuǎn)至360時(shí)，連桿角位移大約轉(zhuǎn)過(guò)60°，由0.4768（與x軸成 27.32°）轉(zhuǎn)至-0.5728（與 x軸成-32.82°），即車門(mén)開(kāi)啟位置與關(guān)閉位置夾角為 180°-60°=120°＞100°，因此可以實(shí)現(xiàn)公交車門(mén)的正常啟閉，且凈開(kāi)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(fù)號(hào)表示順時(shí)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(dòng)均較小，車門(mén)啟閉較平穩(wěn).此外，還可以通過(guò)優(yōu)化原動(dòng)件搖桿的角速度ω1優(yōu)化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)車門(mén)更平穩(wěn)啟閉.

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)公交車門(mén)啟閉的運(yùn)動(dòng)要求建立機(jī)構(gòu)的仿真模型，運(yùn)用MATLAB軟件編程對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化及運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果表明，此偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)公交車門(mén)的平穩(wěn)啟閉，且車門(mén)凈開(kāi)度較大.但外擺式側(cè)拉單開(kāi)門(mén)的偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)在滑塊位移最小的目標(biāo)下優(yōu)化后的桿長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以通過(guò)更換車門(mén)啟閉方式和車門(mén)數(shù)的方式對(duì)無(wú)障礙公交車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行改善.本文對(duì)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)和車門(mén)啟閉的設(shè)計(jì)研究具有一定意義，為實(shí)現(xiàn)車門(mén)啟閉更平穩(wěn)、重量更輕和降低噪聲等方面的車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

〔1〕張周周,任靖日.基于MATLAB的車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及摩擦學(xué)分析[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),36(4):370-374.

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

〔3〕王引.我國(guó)無(wú)障礙公交車設(shè)計(jì)探討[J].大眾科技,2010(3):111-112.

〔4〕朱慧,黃志剛.無(wú)障礙公交車內(nèi)部布局設(shè)計(jì)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(mén)動(dòng)力學(xué)分析[J].新技術(shù)新工藝,2013(4):38-39.

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

〔7〕鄭文緯,吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].北京:科學(xué)出版社,2007.86-87.

〔8〕卜王輝,陳茂林,李夢(mèng)如.MATLAB基礎(chǔ)與機(jī)械工程應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2015.113-114.

〔9〕郭仁生.機(jī)械工程設(shè)計(jì)分析和MATLAB應(yīng)用[M].北京:機(jī)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(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目：無(wú)障礙公交車門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析（2015ZR002）