車用輪椅跳板門裝置設計與受力分析

梅麗芳，易際明，劉金武，何友郎 （廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門361024）

近幾年來，我國工業設計領域已經展開對城市無障礙車設計的探索［1］。現有無障礙車設計中，跳板門裝置基本上都是作為附屬裝置且造型簡單，大多為平板形狀，沒有與整車造型融合在一起。為此，筆者通過結構優化和受力分析，設計出一款融車身后圍造型與承載輪椅為一體的車用輪椅跳板門裝置。

1 跳板門骨架的設計與受力分析

1.1 跳板門骨架的設計

通過查找相關設計資料［2－4］，初步確定輪椅橫向輪距大多為420～480mm，縱向輪距在390～515mm范圍之間。根據跳板門實際工況，取橫向梁距450mm，取縱向梁距320mm。從所用材質及縱橫梁的布置形式出發，筆者設計了2種方案。

圖1 肋板設計圖

1）方案1 在跳板門縱橫向布置上均采用尺寸規格為30mm×30mm×2mm、材質為Q235的矩形方鋼作為外邊框架和支持梁。此外，為更好地支撐弧狀外蒙皮，還設計了普通鋼板材質的肋板，肋板一端為平整狀，另一端為仿車門外形的曲弧狀 （見圖1）。外邊框架及縱橫梁均采用相應的輔助肋板，根據中間縱橫向梁不同的布置形式，又可分為幾種不同的設計形式：①形式1。中間縱橫梁與肋板相輔而成且呈“＃”字形排列（見圖2（a））。②形式2。中間縱橫梁無輔肋板，且去掉中間縱梁或橫梁的中段（見圖2（b）和圖2（c））。③形式3。去掉縱向和橫向四根梁的中段和中間梁的輔助肋板 （見圖2（d））。④形式4。中間縱橫向梁呈“米”字形排列且無輔助肋板（見圖2 （e））。

圖2 設計方案1

在方案1中，不同形式或縱橫梁的布置不同，整個跳板門的重量及承載也不同。形式2是在形式1的基礎上分別減少了縱向或橫向的兩根梁的中段，該設計減輕了骨架的質量，減少了焊點。形式3由于中部受力集中區域沒有支撐，外框承受大量載荷。形式4中間縱橫向梁呈“米”字形排列方式，加強了受力集中區域的支撐，但由于梁由焊接連接，在中間區域焊點過多，容易產生應力集中從而影響骨架強度。

2）方案2 采用厚度為2mm、材質為硬鋁 （YL12）的肋板直接作為外邊框和支持梁。跳板門外邊框架以各肋板首尾相連接而成，中間縱橫肋板梁呈“＃”字形排列，采用相互卡位與焊接固定 （見圖3）。該方案的優點在于硬鋁的密度小于鋼的密度，從而大大減輕了骨架重量，且內襯肋板與外蒙皮緊密貼合，可防止外蒙皮在受力過程中產生凹陷形變。

圖3 設計方案2

1.2 跳板門骨架的受力分析

根據跳板門骨架的實際承載情況，可采用Hypermesh軟件對不同設計方案的結構進行受力分析，由此驗證是否能滿足工作需求［5］。骨架所承受的載荷為輪椅與乘員及推輪椅人員的重量，取載荷約為1800N。首先，進行網格劃分，賦予特性，依據實況在相應位置施加約束與載荷，創建工況。然后，利用計算機進行計算。最后，查看結果并進行分析。

各方案及類型的跳板門骨架受力分析結果如圖4所示。由圖4可知，方案1中形式1在實際工作情況下局部所受到的最大應力為88.64N／mm2（見 圖4 （a））；方案1中形式2去掉橫向中間段梁的骨架局部所受到的最大應力為210.9N／mm2（見 圖4 （b）），而去掉縱向中間段梁的跳板門骨架局部所受到的最大應力為99.71N／mm2（見圖4 （c））；方案1中形式3在實際工作情況下局部所受到的最大應力為299.8N／mm2（見圖4（d））；方案1中形式4在實際工作情況下局部所受到的最大應力為 184.1N／mm2（見圖4（e））；方案2中跳板門骨架在實際工作情況下局部所受到的所受最大應力為 158.7N／mm2（見圖4（f））。由于在選用材質中Q235的屈服強度為235N／mm2，LY12的屈服強度為370N／mm2［3］，因而方案1中形式3的跳板門骨架局部所受到的最大應力大于所允許的最大應力，不滿足強度要求。除此以外，其他設計類型均滿足強度要求。綜合考慮承載強度、輕質及造型等因素，決定選用方案2為最終設計類型。

圖4 跳板門骨架受力分析結果圖

2 鉸鏈的設計與運動分析

跳板門通過鉸鏈與車架相連，并相對于車架進行旋轉運動。鉸鏈是跳板門繞車架旋轉運動的關鍵部件，其總成主要由鉸鏈主體、支架與銷軸3部分組成 （見圖5）。

圖5 鉸鏈主體、支架及銷軸三維圖

2.1 鉸鏈總成設計

鉸鏈主體一端繞銷軸旋轉，另一端的連接板與跳板門鉚接固定，鉸鏈支架通過焊接固定在車架上，用于銷軸的支撐與定位。為消除鉸鏈主體旋轉運動過程中的干涉，對支架一側面與上表面進行了切口。鉸鏈支架通過上表面和兩側切口面與車架橫梁焊接在一起。鉸鏈支架通過焊接固定在車架的橫梁上。銷軸連接鉸鏈支架和鉸鏈主體，通過平墊圈、螺母與開尾銷固定 （見圖6）。將鉸鏈總成與車架進行裝配定位后，還要分析鉸鏈總成旋轉運動過程中是否與車架上的橫梁產生干涉 （見圖7）。由圖7可知，在兩極限位置范圍內，鉸鏈旋轉至任何位置都不會與車架上的橫梁產生干涉。

圖6 跳板門鉸鏈裝配圖

圖7 跳板門鉸鏈運動干涉分析圖

2.2 銷軸的設計與受力分析

銷軸是一類標準化的緊固件，既可靜態固定連接，亦可與被連接件做相對運動，主要用于兩個零件的鉸接處，構成鉸鏈連接［6－7］。但在某些應用場合，因各機構或各零部件的結構特點不同，需對銷軸進行單獨設計。在設計中，銷軸主要用于跳板門與車架之間的可動連接，其被支撐于鉸鏈支架上并被裝配在鉸鏈主體上的孔中與之形成間隙配合。銷軸選用35鋼，一端設計有螺紋段并開有孔，用以裝配螺母并插入開尾銷固定。

圖8 銷軸受力分析圖

在跳板門工作過程中銷軸起承載作用，需通過受力分析來確定其強度是否達到要求，。由于鉸鏈為對稱布置，輪椅與人員重量之和取1800N，所以單個銷軸所受載荷取900N。根據銷軸工作過程中的實際承載情況，賦予特性，并在相應位置施加約束與載荷，創建工況，然后進行計算分析，結果如圖8所示。由圖8可知，銷軸受力段最大應力為184.1N／mm2，而35鋼的最大疲勞強度為315N／mm2，在許可范圍內。

3 跳板門總體設計與運動分析

在跳板門裝置中，主要包括門骨架與運動鉸鏈兩大部件。跳板門主體與鉸鏈上的連接板鉚接在一起；鉸鏈繞銷軸旋轉，銷軸支撐于支架上，而支架焊接在車架橫梁上。由此跳板門主體得以繞鉸鏈相對車架旋轉運動 （見圖9）。最后，對裝配好的跳板門總成進行運動分析。讓跳板門主體繞鉸鏈旋轉運動，觀察其是否能正常旋轉并能否旋轉至地面，旋轉運動過程中是否與車體發生運動干涉。跳板門工作時有兩個極限位置，閉合時極限位置由門框上的限位機構確定，開啟時極限位置為跳板門接觸地面時的位置，兩者之間的夾角約為110°（見圖10）。由圖10可知，跳板門可以從閉合狀態的位置旋轉至接觸地面的位置，此間鉸鏈主體、跳板門主體均不會與車體產生運動干涉。因此，鉸鏈可以滿足跳板門的行程需求。

圖9 跳板門總體設計圖

圖10 跳板門與鉸鏈的兩極限運動位置圖

4 結 語

基于車用輪椅跳板門的承載、連接和造型特點，采用三維繪圖UG軟件進行了跳板門主體和鉸鏈總成的設計，并在HyperMesh分析軟件中劃分網格，賦予特性，依據實況在相應位置施加約束與載荷，創建工況，進行了運動特性和受力分析。結果表明，車用輪椅跳板門能滿足承載、輕質及造型要求且在目標范圍內無運動干涉，能夠滿足無障礙車的使用要求。

［1］王引 .我國無障礙公交車設計探討 ［J］.大眾科技，2010，34（3）：1－3.

［2］王秋惠 .上海市無障礙公共交通設施設計研究 ［D］.上海：東華大學，2005.

［3］吳宗澤，羅圣國 .機械設計課程設計手冊 ［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［4］魯偉 .淺談車門及附件的設計與布置 ［J］.科技創新導報，2008（24）：88.

［5］郝琪，張繼偉 .車門結構優化設計的靈敏度分析研究 ［J］.汽車技術，2010，22（5）：40－44.

［6］范葉森，王三民，袁茹，等 .大轉角柔性鉸鏈的結構設計及轉動剛度研究 ［J］.機械科學與技術，2007，26（2）：1093－1096.

［7］張德超，楊亞娟，劉紅領，等 .轎車后背門鉸鏈機構的運動分析及修改設計 ［J］.汽車技術，2007，19（3）：12－14.