王琪元
摘 要:通過建立手動平移式側(cè)艙門開啟(關(guān)閉)過程的仿真模型,輸出艙門開啟(關(guān)閉)過程中各力矩的特性曲線,從而找到影響開啟(關(guān)閉)力的主要參數(shù),并提出了優(yōu)化艙門布置的參考方案。
關(guān)鍵詞:客車;側(cè)艙門;手動平移式;開啟力
手動平移式側(cè)艙門是公路客車常用的一種艙門結(jié)構(gòu),其具有開啟角度大、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、艙門開啟時(shí)占用的空間小等優(yōu)點(diǎn),但也容易出現(xiàn)開啟力大、舉升時(shí)無力感強(qiáng)烈、關(guān)閉時(shí)下半行程較費(fèi)力等問題。本文通過動力學(xué)仿真分析手動平移式側(cè)艙門開啟(關(guān)閉)過程受力特性,探討優(yōu)化布置的方案。
1 艙門開啟(關(guān)閉)過程力學(xué)特性分析
手動平移式側(cè)艙門以氣彈簧為動力源,通過外力的作用使主動軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。當(dāng)主動軸轉(zhuǎn)過一定角度后,氣彈簧產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩克服行李艙門自重和四連桿機(jī)構(gòu)重力產(chǎn)生的力矩后艙門自動上升,直到氣彈簧達(dá)到最大工作行程。反之,則行李艙門自動關(guān)閉。艙門開啟的過程中彎臂轉(zhuǎn)軸受到驅(qū)動力矩(氣彈簧力矩M彈)和阻力矩(重力矩M重、摩擦力矩M摩擦)的作用。在不考慮M摩擦的情況下,整個開啟運(yùn)動過程分為以下5個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn):
(1)關(guān)閉狀態(tài)
此時(shí),氣彈簧壓縮量最大(可核算氣彈簧行程),氣彈簧力值最大。
(2)氣彈簧力矩為0狀態(tài)
此時(shí),因氣彈簧力臂為0,所以力矩為0;至此,艙門自鎖行程結(jié)束。
(3)合力矩為0狀態(tài)
此時(shí),M彈=M重,在不受外力的情況下,艙門處于平衡位置。
(4)重力矩最大狀態(tài)
此時(shí),重力臂處于水平位置與重力垂直,重力矩最大(可計(jì)算氣彈簧最小需求力值)。
(5)開啟狀態(tài)
此時(shí),氣彈簧壓縮量最小,力值最小。
當(dāng)艙門勻速開啟時(shí),以逆時(shí)針為力矩正方向,則(如圖1):
M(開啟)-M(重力)+M(彈簧)-M(摩擦)=0
M(開啟)=M(重力)-M(彈簧)+M(摩擦)
F(開啟)*L(開啟力臂)=G*L(起始重力臂)-F(彈簧)*L(起始彈簧力臂)+M(摩擦)
F(開啟)*L(開啟力臂)=G*E'G -F(彈簧)*B'O +M(摩擦)
F(開啟)*L(開啟力臂)=G*(EG +OE*sina(b)) -F(彈簧)*AO*sina(a) +M(摩擦)
當(dāng)艙門勻速關(guān)閉時(shí),以逆時(shí)針為力矩正方向,則(如圖2):
M(彈簧)-M(關(guān)閉)-M(重力)+M(摩擦)=0
M(關(guān)閉)=M(彈簧)-M(重力)+M(摩擦)
F(關(guān)閉)*L(關(guān)閉力臂)=F(彈簧)*L(關(guān)閉彈簧力臂)-G*L(關(guān)閉重力臂)+M(摩擦)
F(關(guān)閉)*L(關(guān)閉力臂)=F(彈簧)*DO -G*E'G +M(摩擦)
F(關(guān)閉)*L(關(guān)閉力臂)=F(彈簧)*AO*sina(a') -G*(EG +OE*sina(π-b')) +M(摩擦)
F(關(guān)閉)*L(關(guān)閉力臂)=F(彈簧)*AO*sina(a') -G*(EG +OE*sina(b')) +M(摩擦)
2 艙門開啟動力學(xué)仿真
2.1 仿真模型建立
通過以上分析,手?jǐn)[艙門動力學(xué)計(jì)算公式為:
F(開啟)*L(開啟力臂)=G*(EG +OE*sina(b))-F(彈簧)*AO*sina(a)+M(摩擦),在艙門開啟的過程中公式的各參數(shù)都在發(fā)生變化。為優(yōu)化艙門開啟力,需對艙門開啟運(yùn)動過程進(jìn)行動力學(xué)仿真分析,輸出力學(xué)特性曲線,并進(jìn)行對比分析,最終確定最優(yōu)化方案。
(1)關(guān)閉過程為開啟過程的反向行程,因此只需對開啟過程進(jìn)行分析即可。
(2)開啟過程中L(開啟力臂)變化較大,不好建立仿真模型,而開啟力矩M(開啟)的變化趨勢與F(開啟)是一致的。因此,可輸出M(開啟)變化趨勢進(jìn)行分析。
(3)M(摩擦)不影響趨勢分析,在理論分析階段暫不考慮M(摩擦)。
(4)綜上,以我司XMQ6125AY車型為例建立側(cè)行李艙門仿真模型(圖3)。 ? ? ?2.2 特性曲線輸出
開啟力矩、氣彈簧力矩、重力矩特性曲線如圖4。
說明:
(1)M開啟在艙門關(guān)閉的時(shí)候最大,隨著艙門的開啟逐漸變小。當(dāng)艙門開啟到達(dá)節(jié)點(diǎn)3的時(shí)候,動力矩(M彈簧)等于阻力矩(M重),此時(shí)M開啟為0。此后,M彈大于M重,艙門自動開啟。
(2)艙門開啟的初始位置M開啟最大,此時(shí)F開啟最大。
(3)艙門關(guān)閉為開啟的反向行程,由于關(guān)閉過程中M關(guān)閉與M重同向,因此M關(guān)閉遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M開啟。關(guān)閉行程的初始位置M關(guān)閉最大,而后逐漸變小。
2.3 最大開啟力、初始關(guān)閉力計(jì)算
經(jīng)過以上分析,最大開啟力為開啟行程中的初始位置。以SAE 95%假人尺寸為參考進(jìn)行布置,測量得出開啟關(guān)閉初始位置時(shí)刻L開啟和L關(guān)閉分別為:446mm和545mm。根據(jù)之前仿真得出對應(yīng)時(shí)刻的力矩值可計(jì)算得出最大開啟力F開啟為:264N;初始關(guān)閉力F關(guān)閉為:67N。
3 開啟力值優(yōu)化方案
根據(jù)平移式艙門打開過程的動力學(xué)計(jì)算公式F(開啟)*L(開啟力臂)=G*(EG+OE*sina(b))-F(彈簧)*AO*sina(a)+M(摩擦)可知,F(xiàn)(開啟)的主要影響因素有:艙門重量(G)、彎臂半徑(OE)、彎臂角度(b)、氣彈簧彈力(F彈簧)、氣彈簧起始力臂(AO*sina(a))、開啟力臂(L)以及M摩擦。當(dāng)車身布置定型后,彎臂半徑、彎臂角度、開啟力臂、艙門重量參數(shù)已固化,優(yōu)化空間有限,只剩氣彈簧彈力、氣彈簧起始力臂兩項(xiàng)變量。所以,這兩項(xiàng)變量為平移式艙門開關(guān)力優(yōu)化的主要決定因素。氣彈簧彈力的矢量方向由A點(diǎn)決定,而A點(diǎn)的布置主要取決于氣彈簧驅(qū)動半徑OB以及氣彈簧行程規(guī)格。因此,優(yōu)化的思路主要是對OB以及OB'進(jìn)行重新匹配布置,對不同的布置方案進(jìn)行對比分析,從而確定最優(yōu)方案。
根據(jù)以上分析,確定如下布置方案進(jìn)行仿真對比分析:
對四種布置方案進(jìn)行仿真對比分析,輸出特性曲線如圖5。
說明:
(1)對比BASE方案及方案一、二可知OB不變時(shí)氣彈簧起始力臂OB數(shù)值的大小對開關(guān)力的影響最大。減小OB值,可顯著降低開啟力數(shù)值。但隨著OB數(shù)值的減小,艙門的平衡點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)3)前移。即艙門開啟到達(dá)平衡位置的角度減小,如此開啟時(shí),只需手動開啟一小段行程,艙門即可自動開啟。但關(guān)閉時(shí),需要手動將艙門關(guān)閉到平衡位置,如果平 衡位置過低,不利于手臂用力,對舒適性影響較大。因此,艙門平衡位置不宜過低。
(2)對比方案二及方案三,OB'不變時(shí),驅(qū)動半徑OB大小對開關(guān)力影響不大。但是方案三在艙門自動開啟行程中,由于驅(qū)動力矩減小,所以合力矩較小,在其余變量相同的情況下,會顯得艙門開啟無力感較強(qiáng),不夠順暢。
(3)方案四將驅(qū)動半徑放大,并使用大行程小彈力規(guī)格的氣彈簧。起始位置開關(guān)力最小,平衡點(diǎn)最靠前。在艙門開啟時(shí),輕輕一拉即可自動彈起。但是在關(guān)閉行程時(shí),從起始位置到平衡位置,合力矩先變大再減小。在實(shí)際關(guān)門時(shí),會越關(guān)越費(fèi)力,而且要使勁壓到平衡點(diǎn)位置才能自由關(guān)閉,操作舒適性非常差。
綜上所述,選用方案二作為最終的優(yōu)化方案,參考布置方案如圖6。
4 結(jié)論
本文通過對平移式側(cè)艙門動力學(xué)特性分析,找到了影響艙門開啟力值的關(guān)鍵因素是驅(qū)動半徑OB及氣彈簧起始力臂OB,通過調(diào)整OB及OB值實(shí)現(xiàn)對艙門優(yōu)化布置后,可以有效降低平移式側(cè)艙門的開啟關(guān)閉力,從而提升操作舒適性。
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