客车舱门优化和设计工具二次开发

李松芙，纪绪北，彭旺

客车舱门优化和设计工具二次开发

李松芙，纪绪北，彭旺

（比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518118）

在ADAMS View中建立某客车气弹簧后舱门动力学模型，对最大开启力和最大关闭力进行仿真并与试验进行对比验证模型的准确性，并优化舱门的安装位置。在此基础上，在MATLAB环境下开发出通用的舱门设计工具，使得舱门设计的工作变得高效和简单。

客车舱门；优化；设计工具；二次开发

客车车身上布置有很多气弹簧结构的舱门，有些车型的舱门数量多达十几个，舱门设计的合理性直接影响到人们对车辆质量的评价。如果舱门开启的角度过小，则会造成人们放取行李时不方便和维修不方便；如果舱门开启和关闭的阻力过大，则会给人留下劣质的印象。为了合理设计舱门，本文用ADAMS建立了舱门动力学模型，并进行一系列的试验验证，最终得到优化的舱门设计，并在此基础上进一步开发出通用的舱门设计工具，使得舱门设计工作更加简单和高效。

1　仿真分析和试验验证

1.1舱门构造

客车上大部分采用图1所示的两种型式的舱门结构［1］。舱门型式1的转动机构为铰链，舱门没有固定的转动中心；舱门型式2的转动机构有固定的转动中心，转动中心在转动副中心处。

1.2动力学模型

建模的主要目的是为了解决开关舱门用力偏大的问题。根据舱门的运动机构在ADAMSView中建立起动力学仿真模型［2-3］，气弹簧的推力为固定常数，用SFORCE模拟。在UG中对舱门附上材料的密度，可测量出舱门主体的质量信息，输入到ADAMS模型中。建模的难点是确定开启和关闭舱门时力的大小，可以分别定义绕舱门上沿作圆周运动的两个测力部件，测力部件和舱门之间定义为接触，如图2所示。通过测力部件的转动就可以完成舱门的开启和关闭动作，同时能够测出受力大小。舱门开启到临界角度时会自动开启，关闭到临界角度时会自动关闭。

1.3试验验证和优化

将实体舱门安装在特定的支架上进行测力试验［4-5］，图3所示为用拉钩式测力计测量舱门开启和关闭的最大受力，以验证仿真模型的准确性。

如表1所示，仿真和试验结果相差不大，动力学模型精度较高，但是人对舱门的主观感觉是开启和关闭舱门的力偏大。为解决开启和关闭舱门时用力偏大的问题，需要对布置进行优化。优化方案如图4所示，将气弹簧上安装点上移60 mm，下安装点下移30 mm。仿真分析的结果表明，最大开门力基本不变，最大关门力减小到134 N。进行试安装试验时，也发现用力明显得到改善。

表1　仿真试验对比

2　舱门设计工具的开发

2.1受力分析

舱门设计中，需要确定三个变量，分别是气弹簧安装夹角、上安装点和下安装点坐标。以有固定旋转中心的圆弧式舱门为例，根据图5所示的舱门的两种状态，可以建立关于受力F的方程组进行求解，具体如下。

对舱门旋转中心进行力矩分析［6］，关闭状态下的开门力方程如下：

打开状态有以下方程：

公式（2）中，令F=0时，计算得到的β为临界角度。舱门开启角度大于临界角度后，自动开启；舱门关门角度小于临界角度后，自动关闭。β从临界角度变化到设计的最大角度90°时，F的大小先增大后减小，中间会出现一个峰值。该峰值就是需要求解的最大关门力。

2.2MATLAB GUI界面开发

MATLAB GUI开发的工具以舱门旋转中心建立坐标系［7-9］，舱门工具中的基本参数为已知数，气弹簧安装参数为设计变量，设计变量决定最终的计算结果。舱门工具有计算和优化两种功能。当需要对开发好的舱门进行校核时，可以用输入气弹簧的安装参数进行计算校核；当需要进行全新的舱门设计时，可以输入基本参数，单击优化按钮，工具会进行多目标优化［10］，得到舱门安装参数，再单击计算即可得到优化后的受力和角度结果，如图6所示。在试验过程中，得到舱门开启和关闭受力目标值应该为50～80 N，人们在操作舱门时才不会感觉到困难。

根据△ABC的余弦定理，可以求得γ角的大小。

同样可得开启状态下的关门力方程：

由于铰链式舱门的运动中心为变化值，为了验证把铰链式舱门的运动中心简化为固定的方式是否可行，我们对铰链式舱门做了一系列试验，如表2所示。力值相差小于20%，工程应用可行。理论计算没有考虑到运动机构间隙和系统阻尼等因素。因此，理论计算的临界角只有一个值，而实物的开启和关闭的临界角不同，这里用一个范围表示。当理论计算的临界角落在实测的这个范围内，就认为计算可行。

表2　工具计算结果验证

3　结束语

通过ADAMS建模，试验验证，然后进行优化，得到了优化的舱门气弹簧安装尺寸。本文还进一步开发出MATLAB环境下的舱门开发工具，使得设计变得更加高效。

［1］刘开春.客车车身设计［M］.北京：机械工业出版社，2013.1.

［2］陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［3］陈志伟.MSC Adams多体动力学仿真基础与实例解析［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.6.

［4］李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理［M］.2版.北京：化学工业出版社，2008.10.

［5］陈锦权，潘丽军.试验设计与数据处理［M］.南京：东南大学出版社，2008.2

［6］范钦珊.材料力学［M］.2版.北京：清华大学出版社，2008.7.

［7］董振海.精通MATLAB 7编程与数据库应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.9.

［8］陈杰.MATLAB宝典［M］.北京：电子工业出版社，2007.1.

［9］张永恒.工程优化与MATLAB实现［M］.北京：清华大学出版社，2011.9.

［10］赵继俊.优化技术与MATLAB优化工具［M］.北京：机械工业出版社，2011.4.

修改稿日期：2015-07-22

Optimization and Secondary Development of Design Tool for Bus/Coach Cabin Door

Li Songfu，Ji Xubei，PengWang
（BYDAutoIndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518118，China）

The dynamical model ofthe air springrear cabin doors for a coach or bus is established byusingADAMS Viewsoftware to simulate the max forces of the doors'opening and closing.The authors compare the simulation results tothe test data tovalidate the model accuracy，and optimize the installation position for cabin doors.On the basis，they develop a universal cabin door design tool，which can improve the efficiency and reduce the difficulty of air springrear cabin doors design.

bus/coach cabin door；optimization；design tool；secondarydevelopment

U463.84+4

B

1006-3331（2015）06-0038-03

李松芙（1987-），男，工程师；研究方向：车辆动力学。