無障礙公交車門啟閉機構優化設計

程立艷，周亮亮，汪甜甜

（池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247000）

無障礙公交車門啟閉機構優化設計

程立艷，周亮亮，汪甜甜

（池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247000）

在研究無障礙公交車門啟閉機構設計變量及其基本約束條件的基礎上，結合最小行程目標函數建立機構的優化數學模型，并利用MATLAB優化工具箱對車門啟閉機構進行了優化設計，得到機構的最佳幾何尺寸參數.結果表明，得到的優化分析數據能滿足設計需求，在車門啟閉機構設計和運動規律特性分析中具有一定的應用價值.

無障礙公交車門；啟閉機構；MATLAB；優化設計

機構優化設計是一個多約束、多變量類型的綜合優化設計問題，目前與之相關的研究較多，但大部分采用的是圖解法或解析法[1]，為了進一步提高設計精度，本文采用桿長為設計變量的同時,在目標函數中加入了最小行程約束條件,建立了車門啟閉機構的優化模型，并運用Matlab對動態系統進行仿真分析，以實現無障礙公交車門在最小行程基礎上的平穩啟閉.

1 優化設計數學模型

車門采用外擺式側拉單開門，把車門整體旋轉外移以最大限度地增大車門凈開度，使乘客上、下車更為方便，與內擺式車門相比，可以大大減小乘客被夾傷的概率，提高了乘客的乘車安全性.

車門啟閉機構的模型是平面四桿機構中的偏置搖桿滑塊機構，如圖1所示[2]，連桿BC是車門的一部分的簡化，主動搖桿AB轉動，拉動連桿BC轉動即車門轉動，從而實現車門啟閉.滑塊C只能在門上方的滑槽內滑動，車門寬度設計為900mm[3][4]，公交車門開啟時使門板與導軌保持在α＞100°[5].

圖1 車門啟閉機構運動模型

對車門啟閉機構建立為如圖2所示的坐標系，設搖桿AB和連桿BC的長度分別為l1和l2，偏心距為e，原動件搖桿AB的角速度為ω1、方位角為θ1，連桿BC的方位角為θ2.

圖2 偏置搖桿滑塊機構

根據如圖2所示的坐標系，由偏置搖桿滑塊機構的矢量封閉圖可得連桿BC的角位移、角速度和角加速度.角位移角速度），角加速度

1.1 確定設計變量

1.2 確立目標函數

為縮短導軌尺寸，當搖桿AB從開啟位置轉動到關閉位置時，要求滑塊C具有最小行程Hmin，根據圖2中的幾何關系，以此確立的目標函數為：

1.3 邊界條件

1.3.1 桿長條件

1.3.2 傳動角約束條件

在如圖2所示的偏置搖桿滑塊機構中，當AB與BC共線時γmin=0°.避免機構由死點位置開始運動，利用慣性或其它方法能順利通過機構傳動角γ=0°的死點位置[7].

車門啟閉時受力較小，而當機構受力較小的情況下可允許最小極限傳動角γmin=0°，所以車門啟閉機構對傳動角沒有限制要求.

2 機構優化

2.1 優化結果

MATLAB中用于求解約束條件下非線性極小值優化工具函數是fmincon[8][9]，先根據桿長條件為目標函數編寫M文件（myfun.m）：

然后在MATLAB的命令窗口輸入參數初始點x0、設計變量x的下界向量lb和上界向量ub，調用函數求fmincon極值.

由此得出對車門啟閉機構進行優化的最優解為：x1=1071.4，x2=1071.4，fval=1109.7，exitflag=1.

根據 x1＞x2，對上述數據取整，取 x1=1073，x2=1072.

2.2 優化分析

圖3 連桿BC角位移、角速度和角加速度變化曲線

結合已知搖桿轉角θ1及根據滑塊具有最小行程優化得到的l1、l2和e數值，并取ω1=1，借助MATLAB軟件編程可繪制出連桿BC的角位移、角速度和角加速度變化曲線如圖3所示，圖中角位移、角速度和角加速度分別用實線、虛線、點劃線表示.

通過連桿BC的運動仿真圖3可以看出，搖桿AB由270°轉至360時，連桿角位移大約轉過60°，由0.4768（與x軸成 27.32°）轉至-0.5728（與 x軸成-32.82°），即車門開啟位置與關閉位置夾角為 180°-60°=120°＞100°，因此可以實現公交車門的正常啟閉，且凈開度較大.

連桿BC角速度和角加速度均是變量，由圖3可以看出角速度范圍由0至-1.1911，負號表示順時針旋轉，角加速度范圍由-1.2046至-0.0780.角速度及角加速度變動均較小，車門啟閉較平穩.此外，還可以通過優化原動件搖桿的角速度ω1優化機構的運動特性，實現車門更平穩啟閉.

3 結語

本文根據公交車門啟閉的運動要求建立機構的仿真模型，運用MATLAB軟件編程對機構進行優化及運動仿真，仿真結果表明，此偏置搖桿滑塊機構可以實現公交車門的平穩啟閉，且車門凈開度較大.但外擺式側拉單開門的偏置搖桿滑塊機構在滑塊位移最小的目標下優化后的桿長較長，可以通過更換車門啟閉方式和車門數的方式對無障礙公交車門啟閉機構進行改善.本文對搖桿滑塊機構和車門啟閉的設計研究具有一定意義，為實現車門啟閉更平穩、重量更輕和降低噪聲等方面的車門啟閉機構優化設計奠定了基礎.

〔1〕張周周,任靖日.基于MATLAB的車門啟閉機構優化設計及摩擦學分析[J].延邊大學學報 (自然科學版),36(4):370-374.

〔2〕李濱城,徐超.機械原理 MATLAB 輔助分析[M].北京:化學工業出版社,2011.113-114.

〔3〕王引.我國無障礙公交車設計探討[J].大眾科技,2010(3):111-112.

〔4〕朱慧,黃志剛.無障礙公交車內部布局設計與研究[J].包裝工程,2010,31(18):1-4.

〔5〕于榮濤,孫東明,黃文婷.基于ADAMS的公交車車門動力學分析[J].新技術新工藝,2013(4):38-39.

〔6〕李獻奇,劉維維,高連興.搖桿滑塊機構及其在農業機械上的應用研究[J].農業科技與裝備,2014(1):20-22.

〔7〕鄭文緯,吳克堅.機械原理[M].北京:科學出版社,2007.86-87.

〔8〕卜王輝,陳茂林,李夢如.MATLAB基礎與機械工程應用[M].北京:科學出版社，2015.113-114.

〔9〕郭仁生.機械工程設計分析和MATLAB應用[M].北京:機械工業出版社，2011.107-108.

U469.13

A

1673-260X（2017）09-0025-02

2017-06-24

池州學院自然科學研究項目：無障礙公交車門啟閉機構優化設計及運動仿真分析（2015ZR002）