客車氣動雙內擺門的設計

張云鳳，程小平

（安徽安凱汽車股份有限公司汽車工程研究中心，合肥 230051）

客車氣動雙內擺門的設計

張云鳳，程小平

（安徽安凱汽車股份有限公司汽車工程研究中心，合肥 230051）

介紹氣動內擺門的結構、工作原理，繪制出運動軌跡圖；分析運動機構控制點，確定以及控制點位置對通道、踏步尺寸的影響，并給出設計實例。

城市客車；氣動雙內擺門；結構；運動軌跡

客車乘客門按結構可分為折疊門、內擺門、外擺門等；按驅動方式可分為手動、電動、氣動等。氣動內擺門具有開度大、有效通道寬、乘客上下車方便/快捷、駕駛員控制方便等優點，而且雙內擺門前后兩扇門板上都能安裝上下車扶手，便于乘客上下車時抓扶，可有效防止乘客上下車時受傷。另外，內擺門還具有防夾功能，車門在關閉過程中，如遇到障礙物，氣壓開關工作，車門將立即自動打開而避免夾傷人。內擺門的外形可以與側圍弧度一致，上下左右采用全密封結構，門玻璃采用全景大玻璃形式，不僅外形美觀，還能避免客車行駛時由于乘客門內凹而形成空氣渦流，減小風阻，降低油耗和噪聲。因此，內擺門在客車尤其是城市客車中應用最為廣泛。

1 氣動雙內擺門設計

1.1 結構及工作原理

氣動內擺門的結構[1-4]如圖1所示，其工作原理如圖2所示。活塞桿向右伸出，雙內擺門前扇門向前打開，同時后扇門向后打開。當翹板開關B點接通時，電磁閥上端線圈通電，壓縮空氣經電磁閥向氣缸1左腔充氣，同時壓縮空氣經電磁閥向氣缸2右腔充氣，氣缸1右腔殘留的空氣和氣缸2左腔殘留的空氣經電磁閥排氣口排出，壓縮空氣推動氣缸1活塞向右運動，同時壓縮空氣推動氣缸2活塞向左運動，雙內擺門前后兩扇同時關閉[5-6]。當氣路、電路出現故障時，將各應急閥中的任何一個應急閥旋鈕撥到“關”的位置，氣缸1和氣缸2左右腔的壓縮空氣都能通過電磁閥的排氣口及各應急閥的排氣口排出，從而實現乘客門的手動打開和關閉。圖2中各應急閥的氣管路是串聯在一起的，因此，如遇到緊急情況，只要將方便操作位置的任何一個應急閥旋轉按鈕撥到“關”的位置，就能實現乘客門的手動打開和關閉。

1.2 上下搖臂與門體的運動

上下搖臂與門體的運動軌跡如圖3所示。氣缸驅動曲柄繞A點（上下轉臂或門軸回轉中心）轉動帶動門軸及上下擺臂一起繞門軸中心A旋轉，門體上各點隨之運動。在門體運動過程中，E點（門體上滾輪中心）始終在固定于托盤下面的滑道里作直線滑動[2]，保持Y向不變。由圖3可以看出，當D點（上轉臂或下轉臂與門體鉸接點）繞A點旋轉β角到D'時，門體上E點的運動可以看作該點隨著D點的變化由E平移到E'。同時，該點繞D'反向旋轉，由E旋轉至E"。由于滑道的限位作用，E"與E在Y方向上位置不變。E點的運動可以看作以上平移運動與旋轉運動合成的結果[2]。同樣，門體上其它各點的運動也可以看作是這兩種運動的合成，正是這種合成運動決定了內擺門運動軌跡的確定性[2]。由于E點隨D點的運動由E平移到E'，E點的運動距離EE'等于D點的運動距離DD'，因此，DD'的Y向距離Ydd'等于EE'的Y向距離Yee'，即Ydd'=Yee'。又因為E''與E'在Y方向上位置不變，所以 Ye'e''=Yee'，即 Ye'e''=Ydd' （1）

令δ=arctg（Xad/Yad）

式中：Xad為門體關閉時轉臂回轉中心A點和上搖臂（或下搖臂）與門體鉸接點D之間的X向距離；Yad為A點和 D點之間的Y向距離。令 θ=arctg（Xd'e'/Yd'e'）式中：Xd'e'為D點與門體滾輪E點之間的X向距離；Yd'e'為D點和E點之間的Y向距離。

由圖可知，Ydd'=Yad+Yad'=ADcosδ+ADcos（180- βδ）=ADcosδ+ADcos（β+δ） （2）

式中：AD為搖臂回轉中心A點和搖臂與門體鉸接點D之間的直線距離。

同理，可以得出

式中：DE為搖臂與門體鉸接點D點和門體上滾輪E點之間的直線距離。

將（2）式、（3）式代入（1）式，可得

（4）式就是上下搖臂與門體運動時，轉角δ與θ之間的關系式。當Xad=Xd'e'=Xde，Yad=Yd'e'=Yde時，AD=DE且θ=δ，此時，γ=β。在這種情況下，當搖臂隨門立軸轉過一個角度β時，鉸接點D移到D'，門體上各點隨之平移的同時，還繞D'點反向旋轉相同的角度β[7-8]。

1.3 內擺門各點位置的確定

由圖4可以看出，門軸中心A點與氣缸轉軸5的中心C點的相對位置影響驅動力f的方向與運動方向V的夾角α的大小，α越小，所需的驅動力越小，內擺門的運動越輕便靈活；當曲柄擺到正中位置B"時，應使α=0，這樣效果最好。由圖4還可以看出，氣缸活塞推桿與曲柄鉸接點在B點（氣缸活塞推桿與曲柄鉸接點）時，氣缸活塞推桿伸出長度最短；當移到B'位置時，氣缸活塞桿伸出長度最長。由此可以確定氣缸活塞桿的最小行程[9]。另外，A點與C點（氣缸轉軸中心）距車身側圍骨架的內側墻不能過大，否則，門泵托盤尺寸過大，門泵裝飾罩制作困難，而且車內裝飾顯得蠢笨，也影響上車通道寬度和踏步深度。門立軸曲柄在回轉過程中，應保證不與側圍等其它件干涉。在滿足此項要求的前提下，該距離越小越好。確定A點的X向位置應注意，要使A點與門框邊緣基本對齊，A點太靠右（即門立軸太靠門踏步兩端）。在轉動過程中，門軸轉臂很可能與側圍密封、門框干涉，并且在通常情況下，因底盤橋、板簧等的布置以及乘客門的開檔盡可能大等綜合因素，此處空間往往都比較緊湊；A點太靠左，會占用乘客門的空間，使門的開度、上車通道有效寬度降低。乘客門完全打開后，當門體打開90°時，開度最大，通道最寬；當小于90°時，前后兩扇門體外側向內傾斜，入口處寬度減小；當大于90°時，前后兩扇門體外側向門框兩邊傾斜，門體極有可能與門框干涉。因此，內擺門設計時通常將打開角度設計為90°作為乘客門打開時的極限位置。當受到空間限制時，可以使門軸轉角大于90°，以加大門口通道寬度，但應進行校核，確保不干涉，而且門軸轉角越大，在極限位置α角越大，所需驅動力越大，影響門體啟動靈活性。

車門開啟90°時，上滾輪位置不同、開啟狀況也不一樣。圖5是我公司同樣一款車型的乘客門的兩種不同設計方案的軌跡示意圖，圖5（a）是A、E兩點共線，圖5（b）為A、E兩點不共線。兩種狀態乘客門開度差不多，但圖5（a）在乘客門啟閉過程中，門邊與門軸之間的最小距離要比圖5（b）的大（31 mm＞26 mm），在車身骨架焊接有誤差的情況下，在門立軸需要安裝門軸護套以防乘客抓扶夾傷手的情況下，圖5（a）在乘客門啟閉過程中，不易與門軸（或是門軸護套）干涉，調節余量要比圖5（b）大。因此，在設計時，A、E共線，效果最好。

2 實例分析

現以我公司13.7 m長的客車乘客門為例，簡單介紹一下雙內擺門的設計過程。從骨架開始，根據國家標準[10]及一些大中城市的地方標準，特別是公交公司提出的特殊要求，一般城市客車中乘客門要求凈開檔≥1100 mm。本著下車通道盡可能寬敞的原則，確定乘客門車身骨架洞口寬度尺寸為1380 mm。根據整車高度、造型及車內風道截面，確定乘客門骨架洞口高度為2202 mm。

根據定型的乘客門密封條，確定乘客門與門框間隙縫為40 mm，前、后兩扇門之間的間隙縫為120 mm。由此可算出前（或后）扇門門板的寬度為（1380-40×2-120）/2=590 mm。

因該車是低地板城市客車，一級踏步，地板上要鋪15 mm厚的竹膠板及2 mm厚的地板革；考慮到便于雨水從車內滑落下去，一般踏步作成斜坡，乘客門在開關范圍內踏步落差39 mm。為使乘客門在打開過程中不會和踏步面干涉導致乘客門不能打開，就將門下端密封毛刷的高度尺寸加大，確定下毛刷高度為55 mm；根據乘客門配套廠家標配件要求，上端密封毛刷的高度為45 mm。由此可以計算出前（或后）扇門門板的高度為2202-17-55-45=2085 mm。

通常內擺門A點X方向是和門框邊對齊。根據風道截面確定上滾輪軸E點的Y方向位置。根據前面分析，A、E共線最理想，確定A點位置（Y方向上距離為96.5 mm），乘客門伸出車身暫定為84.5 mm＜100 mm，可通過AUTOCAD畫出開門和關門兩個極限位置，得出A（門立軸中心）、M（乘客門膠條最外端點）兩點在開門狀態時的垂直距離為84.5+96.5=181 mm。乘客門關閉時，離門框邊距離為40 mm（根據密封條而定），因E點在Y方向上始終不變，因此，關門時E、M兩點的水平距離為181 mm，乘客門中縫膠條重合一般為10 mm，由乘客門框寬度1380/2=690 mm，可以計算得到A、E兩點的水平距離為690-（181-10/2）=514 mm。由前面分析Xad=Xd'e'，得A、D間的水平距離為514/2=257 mm，從而得出下搖臂旋轉半徑。同理，根據車身側圍弧度畫出上搖臂的旋轉半徑。根據門板型材，確定上下搖臂的高度方向的定位，再根據企業自身的相關標準件即可確定乘客門立軸的高度以及軸承座等的定位高度，同樣根據企業標配的曲柄，由上述運動分析確定氣缸等在托盤內的定位。

根據上述各點的確定，按照前面分析的運動原理，將內擺門運動在0°～90°范圍內畫出運動軌跡，從而驗證內擺門在整個運動過程中不會與相關部位干涉。

3 結束語

隨著各個城市的大發展，人們對城市客車的要求越來越高，城市客車內擺門的結構和安全也越來越為人們所重視。城市客車內擺門根據上下搖臂的鏈接方式分為吊掛式結構（即上內、下內結構）、外鉸接式結構（即上外、下外結構）、上吊掛式下外鉸接式結構（即上內、下外結構）。無論是哪種結構，其設計原理是不變的。

[1]《汽車工程手冊》編委會.汽車工程手冊：設計篇[M].北京：人民交通出版社，2001.6.

[2]吳超，許兆勤，李寶，等.氣動內擺門運動分析[J].客車技術與研究，2007，29（2）：30-33.

[3]彭宗文，張德利，劉力.汽車設計標準資料手冊[K].北京：中國標準出版社，1998.

[4]朱家誠，王純賢.機械設計基礎[M].合肥：合肥工業大學出版社，2003.2.

[5]左健民.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2007.5.

[6]舒志兵，曾孟雄，卜云峰.機電一體化系統設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[7]鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1997.7.

[8]劉善林，胡鵬浩.曲柄滑塊機構的運動分析[J].機械設計與制造，2008，（5）：79-80.

[9]曹龍華，蔣希成.平面連桿機構綜合[M].北京：高等教育出版社，1990.3.

[10]GB13094-2007，客車結構安全要求[S].北京：中國標準出版社，2007.

修改稿日期：2012-06-22

Design of Inner Pneumatic Swing Door about Buses

ZHANGYun-feng,CHENGXiao-ping
(Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd,Automotive Eng.Research Center,Hefei 230051,China)

The authors introduce the structure and principle of inner pneumatic swing door,drawthe moving track,analyze the influence of moving mechanism control point position on the passageway and step size,and present the design example.

citybus;inner pneumatic swingdoor;structure;movingtrack

U463.83+4

B

1006-3331（2012）04-0032-04

張云鳳（1970-），女，工程師；一直從事產品設計工作。