客车气动双内摆门的设计

张云凤，程小平

（安徽安凯汽车股份有限公司汽车工程研究中心，合肥 230051）

客车气动双内摆门的设计

张云凤，程小平

（安徽安凯汽车股份有限公司汽车工程研究中心，合肥 230051）

介绍气动内摆门的结构、工作原理，绘制出运动轨迹图；分析运动机构控制点，确定以及控制点位置对通道、踏步尺寸的影响，并给出设计实例。

城市客车；气动双内摆门；结构；运动轨迹

客车乘客门按结构可分为折叠门、内摆门、外摆门等；按驱动方式可分为手动、电动、气动等。气动内摆门具有开度大、有效通道宽、乘客上下车方便/快捷、驾驶员控制方便等优点，而且双内摆门前后两扇门板上都能安装上下车扶手，便于乘客上下车时抓扶，可有效防止乘客上下车时受伤。另外，内摆门还具有防夹功能，车门在关闭过程中，如遇到障碍物，气压开关工作，车门将立即自动打开而避免夹伤人。内摆门的外形可以与侧围弧度一致，上下左右采用全密封结构，门玻璃采用全景大玻璃形式，不仅外形美观，还能避免客车行驶时由于乘客门内凹而形成空气涡流，减小风阻，降低油耗和噪声。因此，内摆门在客车尤其是城市客车中应用最为广泛。

1 气动双内摆门设计

1.1 结构及工作原理

气动内摆门的结构[1-4]如图1所示，其工作原理如图2所示。活塞杆向右伸出，双内摆门前扇门向前打开，同时后扇门向后打开。当翘板开关B点接通时，电磁阀上端线圈通电，压缩空气经电磁阀向气缸1左腔充气，同时压缩空气经电磁阀向气缸2右腔充气，气缸1右腔残留的空气和气缸2左腔残留的空气经电磁阀排气口排出，压缩空气推动气缸1活塞向右运动，同时压缩空气推动气缸2活塞向左运动，双内摆门前后两扇同时关闭[5-6]。当气路、电路出现故障时，将各应急阀中的任何一个应急阀旋钮拨到“关”的位置，气缸1和气缸2左右腔的压缩空气都能通过电磁阀的排气口及各应急阀的排气口排出，从而实现乘客门的手动打开和关闭。图2中各应急阀的气管路是串联在一起的，因此，如遇到紧急情况，只要将方便操作位置的任何一个应急阀旋转按钮拨到“关”的位置，就能实现乘客门的手动打开和关闭。

1.2 上下摇臂与门体的运动

上下摇臂与门体的运动轨迹如图3所示。气缸驱动曲柄绕A点（上下转臂或门轴回转中心）转动带动门轴及上下摆臂一起绕门轴中心A旋转，门体上各点随之运动。在门体运动过程中，E点（门体上滚轮中心）始终在固定于托盘下面的滑道里作直线滑动[2]，保持Y向不变。由图3可以看出，当D点（上转臂或下转臂与门体铰接点）绕A点旋转β角到D'时，门体上E点的运动可以看作该点随着D点的变化由E平移到E'。同时，该点绕D'反向旋转，由E旋转至E"。由于滑道的限位作用，E"与E在Y方向上位置不变。E点的运动可以看作以上平移运动与旋转运动合成的结果[2]。同样，门体上其它各点的运动也可以看作是这两种运动的合成，正是这种合成运动决定了内摆门运动轨迹的确定性[2]。由于E点随D点的运动由E平移到E'，E点的运动距离EE'等于D点的运动距离DD'，因此，DD'的Y向距离Ydd'等于EE'的Y向距离Yee'，即Ydd'=Yee'。又因为E''与E'在Y方向上位置不变，所以 Ye'e''=Yee'，即 Ye'e''=Ydd' （1）

令δ=arctg（Xad/Yad）

式中：Xad为门体关闭时转臂回转中心A点和上摇臂（或下摇臂）与门体铰接点D之间的X向距离；Yad为A点和 D点之间的Y向距离。令 θ=arctg（Xd'e'/Yd'e'）式中：Xd'e'为D点与门体滚轮E点之间的X向距离；Yd'e'为D点和E点之间的Y向距离。

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

式中：AD为摇臂回转中心A点和摇臂与门体铰接点D之间的直线距离。

同理，可以得出

式中：DE为摇臂与门体铰接点D点和门体上滚轮E点之间的直线距离。

将（2）式、（3）式代入（1）式，可得

（4）式就是上下摇臂与门体运动时，转角δ与θ之间的关系式。当Xad=Xd'e'=Xde，Yad=Yd'e'=Yde时，AD=DE且θ=δ，此时，γ=β。在这种情况下，当摇臂随门立轴转过一个角度β时，铰接点D移到D'，门体上各点随之平移的同时，还绕D'点反向旋转相同的角度β[7-8]。

1.3 内摆门各点位置的确定

由图4可以看出，门轴中心A点与气缸转轴5的中心C点的相对位置影响驱动力f的方向与运动方向V的夹角α的大小，α越小，所需的驱动力越小，内摆门的运动越轻便灵活；当曲柄摆到正中位置B"时，应使α=0，这样效果最好。由图4还可以看出，气缸活塞推杆与曲柄铰接点在B点（气缸活塞推杆与曲柄铰接点）时，气缸活塞推杆伸出长度最短；当移到B'位置时，气缸活塞杆伸出长度最长。由此可以确定气缸活塞杆的最小行程[9]。另外，A点与C点（气缸转轴中心）距车身侧围骨架的内侧墙不能过大，否则，门泵托盘尺寸过大，门泵装饰罩制作困难，而且车内装饰显得蠢笨，也影响上车通道宽度和踏步深度。门立轴曲柄在回转过程中，应保证不与侧围等其它件干涉。在满足此项要求的前提下，该距离越小越好。确定A点的X向位置应注意，要使A点与门框边缘基本对齐，A点太靠右（即门立轴太靠门踏步两端）。在转动过程中，门轴转臂很可能与侧围密封、门框干涉，并且在通常情况下，因底盘桥、板簧等的布置以及乘客门的开档尽可能大等综合因素，此处空间往往都比较紧凑；A点太靠左，会占用乘客门的空间，使门的开度、上车通道有效宽度降低。乘客门完全打开后，当门体打开90°时，开度最大，通道最宽；当小于90°时，前后两扇门体外侧向内倾斜，入口处宽度减小；当大于90°时，前后两扇门体外侧向门框两边倾斜，门体极有可能与门框干涉。因此，内摆门设计时通常将打开角度设计为90°作为乘客门打开时的极限位置。当受到空间限制时，可以使门轴转角大于90°，以加大门口通道宽度，但应进行校核，确保不干涉，而且门轴转角越大，在极限位置α角越大，所需驱动力越大，影响门体启动灵活性。

车门开启90°时，上滚轮位置不同、开启状况也不一样。图5是我公司同样一款车型的乘客门的两种不同设计方案的轨迹示意图，图5（a）是A、E两点共线，图5（b）为A、E两点不共线。两种状态乘客门开度差不多，但图5（a）在乘客门启闭过程中，门边与门轴之间的最小距离要比图5（b）的大（31 mm＞26 mm），在车身骨架焊接有误差的情况下，在门立轴需要安装门轴护套以防乘客抓扶夹伤手的情况下，图5（a）在乘客门启闭过程中，不易与门轴（或是门轴护套）干涉，调节余量要比图5（b）大。因此，在设计时，A、E共线，效果最好。

2 实例分析

现以我公司13.7 m长的客车乘客门为例，简单介绍一下双内摆门的设计过程。从骨架开始，根据国家标准[10]及一些大中城市的地方标准，特别是公交公司提出的特殊要求，一般城市客车中乘客门要求净开档≥1100 mm。本着下车通道尽可能宽敞的原则，确定乘客门车身骨架洞口宽度尺寸为1380 mm。根据整车高度、造型及车内风道截面，确定乘客门骨架洞口高度为2202 mm。

根据定型的乘客门密封条，确定乘客门与门框间隙缝为40 mm，前、后两扇门之间的间隙缝为120 mm。由此可算出前（或后）扇门门板的宽度为（1380-40×2-120）/2=590 mm。

因该车是低地板城市客车，一级踏步，地板上要铺15 mm厚的竹胶板及2 mm厚的地板革；考虑到便于雨水从车内滑落下去，一般踏步作成斜坡，乘客门在开关范围内踏步落差39 mm。为使乘客门在打开过程中不会和踏步面干涉导致乘客门不能打开，就将门下端密封毛刷的高度尺寸加大，确定下毛刷高度为55 mm；根据乘客门配套厂家标配件要求，上端密封毛刷的高度为45 mm。由此可以计算出前（或后）扇门门板的高度为2202-17-55-45=2085 mm。

通常内摆门A点X方向是和门框边对齐。根据风道截面确定上滚轮轴E点的Y方向位置。根据前面分析，A、E共线最理想，确定A点位置（Y方向上距离为96.5 mm），乘客门伸出车身暂定为84.5 mm＜100 mm，可通过AUTOCAD画出开门和关门两个极限位置，得出A（门立轴中心）、M（乘客门胶条最外端点）两点在开门状态时的垂直距离为84.5+96.5=181 mm。乘客门关闭时，离门框边距离为40 mm（根据密封条而定），因E点在Y方向上始终不变，因此，关门时E、M两点的水平距离为181 mm，乘客门中缝胶条重合一般为10 mm，由乘客门框宽度1380/2=690 mm，可以计算得到A、E两点的水平距离为690-（181-10/2）=514 mm。由前面分析Xad=Xd'e'，得A、D间的水平距离为514/2=257 mm，从而得出下摇臂旋转半径。同理，根据车身侧围弧度画出上摇臂的旋转半径。根据门板型材，确定上下摇臂的高度方向的定位，再根据企业自身的相关标准件即可确定乘客门立轴的高度以及轴承座等的定位高度，同样根据企业标配的曲柄，由上述运动分析确定气缸等在托盘内的定位。

根据上述各点的确定，按照前面分析的运动原理，将内摆门运动在0°～90°范围内画出运动轨迹，从而验证内摆门在整个运动过程中不会与相关部位干涉。

3 结束语

随着各个城市的大发展，人们对城市客车的要求越来越高，城市客车内摆门的结构和安全也越来越为人们所重视。城市客车内摆门根据上下摇臂的链接方式分为吊挂式结构（即上内、下内结构）、外铰接式结构（即上外、下外结构）、上吊挂式下外铰接式结构（即上内、下外结构）。无论是哪种结构，其设计原理是不变的。

[1]《汽车工程手册》编委会.汽车工程手册：设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001.6.

[2]吴超，许兆勤，李宝，等.气动内摆门运动分析[J].客车技术与研究，2007，29（2）：30-33.

[3]彭宗文，张德利，刘力.汽车设计标准资料手册[K].北京：中国标准出版社，1998.

[4]朱家诚，王纯贤.机械设计基础[M].合肥：合肥工业大学出版社，2003.2.

[5]左健民.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2007.5.

[6]舒志兵，曾孟雄，卜云峰.机电一体化系统设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[7]郑文纬，吴克坚.机械原理[M].北京：高等教育出版社，1997.7.

[8]刘善林，胡鹏浩.曲柄滑块机构的运动分析[J].机械设计与制造，2008，（5）：79-80.

[9]曹龙华，蒋希成.平面连杆机构综合[M].北京：高等教育出版社，1990.3.

[10]GB13094-2007，客车结构安全要求[S].北京：中国标准出版社，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

张云凤（1970-），女，工程师；一直从事产品设计工作。