王際成,林會(huì)明,張海國,曹蘇群
(1.江蘇惠民交通設(shè)備有限公司,江蘇 淮安223000;2.淮陰工學(xué)院,江蘇 淮安223003)
隨著車輛的飛快發(fā)展,人們對(duì)車輛門的安全性和人性化的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。目前應(yīng)用在車輛門中的離合閉鎖機(jī)構(gòu)有兩種:一種是終點(diǎn)鎖閉,即在門關(guān)閉后采用機(jī)械方式鎖閉;另一種是全程鎖閉,即門可被電動(dòng)機(jī)控制實(shí)現(xiàn)開關(guān),而無法自行打開或在非緊急情況下被手動(dòng)打開。
本文設(shè)計(jì)了一種用于車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)[1],可在緊急情況下進(jìn)行手動(dòng)開門,且具有單向性,在運(yùn)行過程中摩擦力小,大大改善零部件磨損現(xiàn)象,使車輛門系統(tǒng)更加安全、耐久、可靠。
單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)將電動(dòng)機(jī)輸入的順時(shí)針或逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳到絲桿上,絲桿單向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力不被阻卻,即通過電動(dòng)機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)車門的軸向開關(guān)運(yùn)動(dòng),而無法自行打開或在非緊急情況下被手動(dòng)打開。
單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)能夠極大地提高在正?;蛲话l(fā)情況下人身的安全系數(shù),有效地保證了人們的生命安全。因此車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)滿足當(dāng)代的乘車需求。
車輛門單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)是由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)軸、離合分離爪、離合器總成、離合器箱體、絲桿、主動(dòng)齒軸、制動(dòng)齒圈、電動(dòng)機(jī)接盤、行星架、主動(dòng)盤、撥桿、撥塊、撥爪、離合器套筒、星輪、離合器滾柱、離合器彈簧等部件組成,如圖1~圖3所示。
圖1 車輛門系統(tǒng)單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)示意圖
圖2 離合器總成與電動(dòng)機(jī)連接端的結(jié)構(gòu)示意圖
1.2.1 非緊急情況下的自動(dòng)工作狀態(tài)
1)開門時(shí)。首先電動(dòng)機(jī)輸入逆時(shí)針方向的動(dòng)力到撥桿上,撥桿帶動(dòng)撥塊自轉(zhuǎn),消除拔塊與拔爪之間的間隙,并推動(dòng)撥爪向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)撥爪的端部“L”結(jié)構(gòu)推動(dòng)離合器滾柱,將離合器滾柱推入楔形槽較寬的位置(即離合器滾柱處于自由位置),不再楔緊。因此星輪、撥爪和離合器滾柱一起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)開門。
圖3 離合器與絲桿端結(jié)構(gòu)示意圖
2)關(guān)門時(shí)。電動(dòng)機(jī)輸入順時(shí)針方向動(dòng)力至主動(dòng)盤,主動(dòng)盤沿順時(shí)針方向推動(dòng)行星架,固定在行星架孔中的3個(gè)撥塊也沿順時(shí)針方向發(fā)生公轉(zhuǎn),消除撥塊與星輪的間隙,帶動(dòng)星輪旋轉(zhuǎn)。同時(shí),在離合器彈簧的推動(dòng)下,位于楔形槽中的離合器滾柱處于星輪與離合器套筒兩兩相切的位置,又在摩擦力的作用下,將離合器滾柱推入星輪與離合器套筒之間楔形槽中較寬的位置(即離合器滾柱處于自由狀態(tài)),不再楔緊,因此星輪、撥爪和離合器滾柱一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)關(guān)門。
1.2.2 非緊急情況下的手動(dòng)工作狀態(tài)
1)開門時(shí)。絲桿在門的帶動(dòng)下沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)[2],主動(dòng)齒軸受絲杠帶動(dòng)且與星輪同步轉(zhuǎn)動(dòng),在星輪即將轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,離合器滾柱正處于星輪與離合器套筒楔形槽中兩兩相切的位置,由于星輪有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢,使星輪與撥爪之間的間隙增大,且撥爪端部“L”結(jié)構(gòu)將遠(yuǎn)離離合器滾柱,無法實(shí)現(xiàn)推的動(dòng)作,因此在摩擦力的作用下,將離合器滾柱推向星輪與離合器套筒中間槽較窄的位置,且越推越緊,最終處于卡死狀態(tài),因此無法實(shí)現(xiàn)開門。由于開門的動(dòng)作可以在門的任意位置被禁止,因此保證了門系統(tǒng)的安全性要求。
2)關(guān)門時(shí)。絲桿在門的帶動(dòng)下逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),主動(dòng)齒軸受絲杠帶動(dòng)且與星輪同步轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)星輪作為主動(dòng)端,位于楔形槽中的離合器滾柱在摩擦力的作用下,將離合器滾柱推入槽中較寬的位置(即離合器滾柱處于自由位置),不再楔緊,因此星輪和撥爪、離合器滾柱一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)關(guān)門。
1.2.3 緊急情況下的手動(dòng)開門的工作狀態(tài)
在操作緊急解鎖裝置后,離合分離爪在外力作用下繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),使離合分離爪與制動(dòng)齒圈脫離后,消除了制動(dòng)力,讓星輪和拔爪、離合器滾柱、離合器套筒一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn),即整個(gè)機(jī)構(gòu)一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn),可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開門。
車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)能夠滿足車在正常行駛過程中的開關(guān)需求,當(dāng)車輛停穩(wěn)時(shí),按下開門按鍵,主動(dòng)端電動(dòng)機(jī)輸入的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳到從動(dòng)端的絲桿,絲桿慢速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)屏蔽門在光桿上做軸向運(yùn)動(dòng),至屏蔽門完全打開。如屏蔽門未完全關(guān)閉,微控開關(guān)將會(huì)工作,提示屏蔽門未完全關(guān)閉。
圖4 控制原理圖
在屏蔽門的基礎(chǔ)上增加了綜合監(jiān)控系統(tǒng)[3]、信號(hào)系統(tǒng)[4]、報(bào)警控制盤協(xié)同工作。
1.4.1 可靠性分析
對(duì)車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障模式影響與嚴(yán)重性分析,如表1所示。由分析結(jié)果可以看出,車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)不存在安全隱患,當(dāng)控制裝置無法對(duì)門進(jìn)行控制時(shí),可以通過緊急情況下的手動(dòng)開門,因此控制裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采用可靠的裝置,提升安全系數(shù)。
表1 故障模式影響與嚴(yán)重性分析報(bào)告
1.4.2 安全性分析
要考慮到門系統(tǒng)意外打開的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)行圖5所示的故障分析,車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)意外未完全關(guān)閉,車輛門可滿足“未完全關(guān)閉”的風(fēng)險(xiǎn)要求。
1.4.3 可操作性分析
車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)具有單向性,在正常工作行程中不會(huì)對(duì)門產(chǎn)生不良影響。在運(yùn)行過程中摩擦力小,大大改善零部件磨損現(xiàn)象,且裝置安裝在門的頂部,布線簡單,使車輛門系統(tǒng)更加安全、耐久、可靠。
在實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)在關(guān)門時(shí)容易發(fā)生車門無法鎖緊(鎖閉機(jī)構(gòu)打滑)和無法解鎖的問題。
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)與鎖止角α(如圖6)有關(guān),要保證車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)可靠的自鎖,應(yīng)使?jié)L柱對(duì)星輪接觸面的最小摩擦角ρmin>α/2,滾柱對(duì)星輪接觸面的最小摩擦角ρmin=arctan μ。其中:μ為摩擦因數(shù),一般取0.1,則ρmin=arctan 0.1=5.7°,α=2×ρmin=11.7°。
圖5 故障分析圖
圖6 楔角α示意圖
經(jīng)過理論值的計(jì)算與大量實(shí)驗(yàn)的探究發(fā)現(xiàn):1)當(dāng)楔角α≤8.5°時(shí),單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)可以可靠地鎖閉;2)當(dāng)楔角7°≤α≤8°時(shí),車門既可以可靠地鎖閉也可以正常解鎖開門;3)當(dāng)楔角α<6°時(shí),解鎖力變大,滾柱脫開困難,造成電動(dòng)機(jī)無法解鎖,車輛門開門失敗。
通過對(duì)楔角α的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)、材料及熱處理方案的選定,車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,順利完成了車門系統(tǒng)的150萬次無故障試驗(yàn)。
在實(shí)際生產(chǎn)中,車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)已經(jīng)十分成熟,成功地運(yùn)用在淮安有軌電車與廣州地鐵上。
在軌道交通使用中,該機(jī)構(gòu)外形美觀時(shí)尚,結(jié)構(gòu)簡單合理,可靠性高,密封性好,安全性高,并具有較好的防水、防寒效果,且結(jié)構(gòu)十分小巧,功能滿足市場的需求。
圖7 廣州地鐵
圖8 淮安有軌電車
針對(duì)市場上車輛門的高質(zhì)量要求,該單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中摩擦力小,大大改善零部件磨損的問題,使車輛門系統(tǒng)更加安全、耐久、可靠。在對(duì)已有技術(shù)分析的基礎(chǔ)上,研究出新的解決方案以滿足功能需求,達(dá)到了車輛安全性和可靠性要求。
圖9 車輛門系統(tǒng)的單向逆止離合鎖閉機(jī)構(gòu)實(shí)物圖