江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

1 研究背景

微客因成本低廉、用途廣泛而越來(lái)越受到消費(fèi)者的關(guān)注。用于微客的滑移門(mén)，因?yàn)樵黾榆?chē)門(mén)開(kāi)度、車(chē)門(mén)開(kāi)啟時(shí)占用外部空間較小等優(yōu)點(diǎn)深受廣大用戶(hù)和車(chē)企的喜愛(ài)［1-2］。在設(shè)計(jì)車(chē)輛滑移門(mén)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，不僅要考慮車(chē)門(mén)的造型和車(chē)載空間的大小，還要考慮車(chē)門(mén)平順性和使用壽命的要求。滑移門(mén)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平順性是最能反映滑移門(mén)設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)，直接影響使用者對(duì)于整車(chē)的感受［3］。

近年來(lái)，關(guān)于滑移門(mén)的設(shè)計(jì)和仿真分析已經(jīng)在逐步完善中。由文獻(xiàn)［4］可知滑移門(mén)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)車(chē)門(mén)的優(yōu)點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)原理。趙云梅等［5］針對(duì)滑移門(mén)導(dǎo)軌室的結(jié)構(gòu)，對(duì)導(dǎo)軌室的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及工藝性進(jìn)行了研究。李乃鵬等［6］根據(jù)某微型面包車(chē)的斷面圖，討論了上、中、下導(dǎo)軌空間布置的方法和注意事項(xiàng)。然而，針對(duì)滑移門(mén)系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到性能分析驗(yàn)證這一過(guò)程，國(guó)內(nèi)外均較少有全面系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)。筆者以某微客車(chē)型為實(shí)例，進(jìn)行了滑移門(mén)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的分析研究，通過(guò)總結(jié)和分析，可以使滑移門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)周期縮短，開(kāi)發(fā)成本降低。

2 滑移門(mén)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

滑移門(mén)系統(tǒng)的構(gòu)件主要包括門(mén)板、導(dǎo)軌、鉸鏈、限位器、緩沖裝置、內(nèi)外手柄、鎖體等［7］。滑移門(mén)的整個(gè)開(kāi)閉過(guò)程是靠鉸鏈中的滾輪在導(dǎo)軌中進(jìn)行滾動(dòng)來(lái)完成的，因此，筆者重點(diǎn)對(duì)滑移門(mén)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件導(dǎo)軌、鉸鏈、限位器的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。為了避免滑移門(mén)在開(kāi)閉過(guò)程中，車(chē)門(mén)與立柱、后側(cè)圍等固定件產(chǎn)生干涉，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，確定滑移門(mén)導(dǎo)軌的軌跡線(xiàn)。

2.1 導(dǎo)軌軌跡

滑移門(mén)導(dǎo)軌軌跡分為兩個(gè)階段，第一階段是車(chē)門(mén)為了避開(kāi)滑移門(mén)后側(cè)立柱（C柱）和后側(cè)圍而向車(chē)身外后側(cè)方向移動(dòng)，第二階段是車(chē)門(mén)沿Y方向平移運(yùn)動(dòng)直至車(chē)門(mén)的最大開(kāi)度。第一階段的軌跡與Y方向成一定的角度，控制車(chē)門(mén)向外后側(cè)平移。為了更好地避開(kāi)C柱，中導(dǎo)軌前段與Y方向的夾角取60°，上、下導(dǎo)軌前段與Y方向的夾角取30°。第二階段的軌跡與車(chē)身后側(cè)圍造型面平行，滑軌的終點(diǎn)由車(chē)門(mén)的開(kāi)度決定。為了避免車(chē)門(mén)內(nèi)飾板在車(chē)門(mén)開(kāi)啟時(shí)與后側(cè)圍產(chǎn)生干涉，還需要確定三根導(dǎo)軌的起點(diǎn)與導(dǎo)軌后端的Y方向距離，取上導(dǎo)軌起點(diǎn)與后端的Y方向距離為98 mm，中導(dǎo)軌為78 mm，下導(dǎo)軌為112 mm。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，可以得出中、下導(dǎo)軌的軌跡線(xiàn)，以及上導(dǎo)軌軌跡所在的平面，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真得出上導(dǎo)軌的軌跡線(xiàn)。圖1所示滑移門(mén)導(dǎo)軌軌跡線(xiàn)是通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬得出的，模擬結(jié)果可以避免車(chē)門(mén)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)卡滯的現(xiàn)象。

2.2 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

根據(jù)導(dǎo)軌軌跡線(xiàn)，完成導(dǎo)軌斷面的設(shè)計(jì)，并將導(dǎo)軌斷面沿軌跡線(xiàn)掃掠，即可完成導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

上導(dǎo)軌以焊接方式固定在車(chē)身上，上導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

中導(dǎo)軌通過(guò)螺栓固定連接在后側(cè)圍的腰部位置。中導(dǎo)軌的截面結(jié)構(gòu)如圖3所示，可以提供鉸鏈滾輪的滑動(dòng)空間。為了車(chē)身的美觀(guān)，通常會(huì)為中導(dǎo)軌設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的裝飾板。

下導(dǎo)軌位于中門(mén)的門(mén)檻位置，分為上、下滑槽兩個(gè)部分。上滑槽焊接在中門(mén)踏步上，提供鉸鏈Y方向滾輪的滑動(dòng)空間。下滑槽焊接在白車(chē)身上，鉸鏈Z方向滾輪在其表面滾動(dòng)。

下導(dǎo)軌的截面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 鉸鏈結(jié)構(gòu)

上鉸鏈只有一個(gè)X方向運(yùn)動(dòng)的滾輪，不需要起到承重作用，因此結(jié)構(gòu)通常較為簡(jiǎn)單。上鉸鏈采用整體式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能保證上鉸鏈在導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。上鉸鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌如圖5所示。

中、下鉸鏈中有X和Z兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的滾輪，X方向設(shè)置兩個(gè)滾輪，在Z方向滾輪過(guò)彎時(shí)起導(dǎo)向作用。中、下鉸鏈均采用鉸接式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠較好地控制車(chē)門(mén)走向，在保證車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)平順的同時(shí)，又能起到降低車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)噪聲的作用。圖6和圖7所示分別為中、下鉸鏈與導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)鉸鏈時(shí)，懸臂長(zhǎng)度直接影響鉸鏈的剛度，懸臂的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，鉸鏈的剛度越差，滑移門(mén)下垂的可能性也就越大。上鉸鏈懸臂的長(zhǎng)度為100 mm，中鉸鏈懸臂的長(zhǎng)度為56 mm，下鉸鏈懸臂的長(zhǎng)度為163 mm。

為了避免滾輪與導(dǎo)軌之間碰撞并產(chǎn)生異響，要確定合適的鉸鏈滾輪與導(dǎo)軌之間的配合間隙。鉸鏈的X方向滾輪與導(dǎo)軌之間的配合間隙單邊取0.1 mm，中、下鉸鏈的Z方向滾輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，Z方向滾輪與導(dǎo)軌需要留有1 mm的干涉量。

2.4 限位器結(jié)構(gòu)

滑移門(mén)的限位器可以分為兩類(lèi)：開(kāi)門(mén)限位器和關(guān)門(mén)限位器，以下主要介紹開(kāi)門(mén)限位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。開(kāi)門(mén)限位器是防止滑移門(mén)在打開(kāi)的情況下，車(chē)門(mén)不會(huì)自動(dòng)關(guān)閉的裝置。筆者采用的是一種可拆卸式開(kāi)門(mén)限位器，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。開(kāi)門(mén)限位器通過(guò)螺栓連接的方式固定于下踏步上。當(dāng)滑移門(mén)打開(kāi)時(shí)，下鉸鏈滾輪下壓彈簧片凸臺(tái)，使彈簧片給予鉸鏈一個(gè)反向的推力，從而對(duì)車(chē)門(mén)起到限位的作用，同時(shí)反向推力的大小可以通過(guò)彈簧片凸臺(tái)的高低來(lái)調(diào)節(jié)。

3 多體動(dòng)力學(xué)模型

基于ADAMS/View軟件對(duì)滑移門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，建立滑移門(mén)的多體動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)滑移門(mén)系統(tǒng)在真實(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立適當(dāng)?shù)募s束［8-9］，見(jiàn)表 1。

表1 模型約束

根據(jù)靜摩擦因數(shù)表，選取滾輪與導(dǎo)軌之間的靜摩擦因數(shù)為0.15。根據(jù)動(dòng)摩擦因數(shù)表，選取滾輪與導(dǎo)軌之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.05。在滾輪與導(dǎo)軌之間的接觸約束中添加相應(yīng)的摩擦力。

▲圖1 滑移門(mén)導(dǎo)軌軌跡線(xiàn)

▲圖2 上導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)

▲圖3 中導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)

▲圖4 下導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)

▲圖5 上鉸鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌

▲圖6 中鉸鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌

▲圖7 下鉸鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌

▲圖8 開(kāi)門(mén)限位器結(jié)構(gòu)

模擬滑移門(mén)從關(guān)閉到開(kāi)啟至最大開(kāi)度的時(shí)間要小于2.5 s，在滑移門(mén)的手柄位置處添加分別指向X、Y、Z方向的三分量力作為驅(qū)動(dòng)，其中一個(gè)分量是沿Y方向的恒力，即為指向車(chē)門(mén)開(kāi)啟方向的拉力，大小為27 N；另一個(gè)分量是沿X方向的恒力，即為指向車(chē)門(mén)外側(cè)的拉力，大小為8 N，保證車(chē)門(mén)能夠在2.5 s內(nèi)完成開(kāi)啟過(guò)程。仿真結(jié)果中滑移門(mén)從關(guān)閉到完全開(kāi)啟需要的時(shí)間為 2.3 s。

4 運(yùn)動(dòng)平順性分析

通過(guò)后處理模塊中的數(shù)據(jù)處理功能，可以得到滾輪在導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況。以滾輪在導(dǎo)軌中受力的大小和方向變化來(lái)評(píng)估車(chē)門(mén)的運(yùn)動(dòng)平順性。

4.1 上鉸鏈滾輪

如圖9所示，上鉸鏈滾輪主要承受導(dǎo)軌施加的X方向載荷，起到側(cè)向的導(dǎo)向作用。車(chē)門(mén)剛開(kāi)啟時(shí)，受到一個(gè)向外的拉力，滾輪受到的載荷有一個(gè)突變的現(xiàn)象。隨著車(chē)門(mén)的開(kāi)啟，滾輪上受到的載荷趨于平緩。從圖9中可以看出，上鉸鏈滾輪的載荷始終為正向載荷，說(shuō)明滾輪始終沿導(dǎo)軌的外側(cè)運(yùn)動(dòng)。

▲圖9 上鉸鏈滾輪載荷變化曲線(xiàn)

4.2 中鉸鏈滾輪

中鉸鏈X方向滾輪1的載荷變化曲線(xiàn)如圖10所示，可以看出X方向滾輪1主要起到X方向的導(dǎo)向作用，除了在車(chē)門(mén)開(kāi)啟的瞬間載荷出現(xiàn)突變以外，載荷均沒(méi)有產(chǎn)生較大的變化，并且始終為正向載荷，說(shuō)明滾輪1始終沿著導(dǎo)軌的外側(cè)運(yùn)動(dòng)。

▲圖10 中鉸鏈X方向滾輪1載荷變化曲線(xiàn)

中鉸鏈X方向滾輪2的載荷變化曲線(xiàn)如圖11所示，可以看出X方向滾輪2主要起到X方向的導(dǎo)向作用，變化趨勢(shì)基本與滾輪1相同，但始終為負(fù)向載荷，說(shuō)明滾輪2始終沿著導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。

▲圖11 中鉸鏈X方向滾輪2載荷變化曲線(xiàn)

中鉸鏈Z方向滾輪的載荷變化曲線(xiàn)如圖12所示，可以看出Z方向滾輪主要起到Z方向的支撐作用，除了車(chē)門(mén)開(kāi)啟瞬間，其Z方向載荷的變化范圍均較小，基本穩(wěn)定在100～250 N之間，均方根值為149.4 N，滾輪運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。

▲圖12 中鉸鏈Z方向滾輪載荷變化曲線(xiàn)

4.3 下鉸鏈滾輪

下鉸鏈X方向滾輪1的載荷變化曲線(xiàn)如圖13所示，可以看出X方向滾輪1主要起到X方向的導(dǎo)向作用，除了在車(chē)門(mén)開(kāi)啟的瞬間，載荷均沒(méi)有產(chǎn)生較大的變化，并且始終為負(fù)向載荷，說(shuō)明滾輪1始終沿著導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。

▲圖13 下鉸鏈X方向滾輪1載荷變化曲線(xiàn)

下鉸鏈X方向滾輪2的載荷變化曲線(xiàn)如圖14所示，可以看出X方向滾輪2主要起到X方向的導(dǎo)向作用，除了在車(chē)門(mén)開(kāi)啟的瞬間，載荷均沒(méi)有產(chǎn)生較大的變化，并且始終為負(fù)向載荷，說(shuō)明滾輪2始終沿著導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。

▲圖14 下鉸鏈X方向滾輪2載荷變化曲線(xiàn)

下鉸鏈Z方向滾輪的載荷變化曲線(xiàn)如圖15所示，可以看出Z方向滾輪主要起到Z方向的支撐作用，除了車(chē)門(mén)開(kāi)啟的瞬間，其Z方向載荷的變化范圍均較小，基本穩(wěn)定在0～550 N之間，均方根值為181.9 N，滾輪運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。

▲圖15 下鉸鏈Z方向滾輪載荷變化曲線(xiàn)

4.4 分析結(jié)果

由以上各滾輪載荷變化曲線(xiàn)，可得滾輪所受載荷情況的對(duì)比，見(jiàn)表2～表3。

表2 鉸鏈X方向滾輪載荷對(duì)比 N

表3 鉸鏈Z方向滾輪載荷對(duì)比 N

由表2可知，上導(dǎo)軌承受的X方向載荷最大，最大值為158.2 N；中導(dǎo)軌X方向滾輪1和滾輪2所受的X方向載荷大小基本相同；下導(dǎo)軌X方向滾輪1和滾輪2所受的X方向載荷大小比較接近。由表3可知，中、下鉸鏈滾輪承受的Z方向載荷的均方根值大小之和為331.3 N，基本等同于車(chē)門(mén)自身的重力，下鉸鏈的Z方向滾輪承受的載荷更大。

綜上所述，各鉸鏈滾輪所受載荷均沒(méi)有出現(xiàn)較大的突變，且受力方向基本沒(méi)有變化，說(shuō)明滑移門(mén)系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平順性較好。

5 NVH性能分析

滑移門(mén)系統(tǒng)的NVH性能指滑移門(mén)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度［10-11］，筆者僅對(duì)其噪聲進(jìn)行分析和研究?；崎T(mén)系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲的原因有兩個(gè)方面，一個(gè)是上、中、下鉸鏈的滾輪在導(dǎo)軌中滾動(dòng)時(shí)由于摩擦產(chǎn)生的噪聲，另一個(gè)是滑移門(mén)系統(tǒng)的車(chē)門(mén)由于振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。筆者在分析時(shí)只考慮車(chē)門(mén)內(nèi)、外板由于振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，這可以通過(guò)考察車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)加速度變化來(lái)體現(xiàn)。

如圖16所示，車(chē)門(mén)質(zhì)心加速度始終位于1～3 m/s2之間，加速度峰值出現(xiàn)在車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)初期，這是因?yàn)闈L輪在導(dǎo)軌中需要轉(zhuǎn)向，使車(chē)門(mén)的運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生較大的變化。滾輪在導(dǎo)軌中沿Y方向平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，車(chē)門(mén)的質(zhì)心加速度值較為穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生較大的突變。

考察車(chē)門(mén)質(zhì)心的加速度來(lái)體現(xiàn)車(chē)門(mén)的NVH性能，計(jì)算|amin-aaverage|/aaverage和|amax-aaverage|/aaverage，根據(jù)相關(guān)要求，這兩個(gè)數(shù)值要小于30%［12］。由表4可以看出，車(chē)門(mén)的質(zhì)心加速度變化符合要求，即車(chē)門(mén)內(nèi)、外板的振動(dòng)特性符合要求，NVH性能良好。

▲圖16 車(chē)門(mén)質(zhì)心加速度變化曲線(xiàn)

表4 車(chē)門(mén)質(zhì)心加速度結(jié)果分析

6 總結(jié)

筆者以某微客車(chē)型滑移門(mén)系統(tǒng)為例，對(duì)滑移門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和動(dòng)力學(xué)仿真分析進(jìn)行了研究。詳細(xì)介紹了滑移門(mén)系統(tǒng)中相關(guān)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，包括導(dǎo)軌軌跡、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、鉸鏈結(jié)構(gòu)、限位器結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了滑移門(mén)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的三維模型。

通過(guò)對(duì)滑移門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析鉸鏈滾輪所受載荷的變化情況和車(chē)門(mén)質(zhì)心的振動(dòng)加速度變化情況，考察滑移門(mén)的運(yùn)動(dòng)平順性和NVH性能，驗(yàn)證了滑移門(mén)的設(shè)計(jì)方法合理可行。這一研究為滑移門(mén)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了參考。