大客车新型外滑移门结构设计及运动分析

王杰，卞学良，刘艳鹏

大客车新型外滑移门结构设计及运动分析

王杰，卞学良，刘艳鹏

（河北工业大学机械工程学院，天津300130）

设计一种大客车外滑移门新型滑套四杆移出机构及三种不同类型的导轨，并对其工作原理及运动轨迹进行分析；在推导出不同类型导轨约束下大客车外滑移门移出轨迹方程的基础上，利用MATLAB软件绘制车门的3组运动轨迹曲线，通过对比分析确定了一种合理的导轨设计方案。

外滑移门；MATLAB；结构设计；运动分析

1 大客车新型外滑移门的结构及工作原理

客车乘客门是客车上相对独立、较复杂的总成，是车身外形的重要组成部分，对客车的整体造型起着重要的协调作用，同时还影响着整车的动力性、经济性、舒适性和使用性等。随着车速的不断提高及客户多样化需求的发展，对客车的造型、空气动力性、舒适性等性能提出了更高的要求，也成为当前大客车开发设计的重要内容。外滑移门以其开启后占用空间小、开度大、密封性能好、良好的进出性等优点，在MPV和微型客车中应用广泛。虽然国内大中型客车采用滑移门的车型较少，但是滑移门在大客车车门设计中占有的优势不可忽略，今后也将成为大客车车门设计的一种发展趋势[1-3]。

目前部分滑移门采用电平移气塞拉[4]的方法实现启闭功能，这种结构不仅需要双动力驱动，还需要专门的气源和复杂气路，设计较为复杂；部分采用电机丝杠传动[5]，成本较高；部分采用悬浮式电机和四杆结构[6-7]，虽成本低但移出机构笨重。针对当前滑移门存在的问题，本文设计一种大客车外滑移门新型滑套四杆移出机构。采用新型滑套四杆移出机构的外滑移门与传统外滑移门相比，结构简单紧凑，占用空间小，开度大，成本低，运动轨迹更加合理。且国外类似连杆移出机构已经应用到大客车外滑移门中。这种滑套四杆移出机构的门扇运动为复合运动，需对其运动轨迹进行计算分析，以获得合理的运动轨迹。

该新型大客车外滑移门机构（如图1所示）主要由门柱1、门扇2、动力传动机构及滑套四杆移出机构组成。动力传动机构由主动带轮5、从动带轮13、电机6、同步带11、连接板9等组成。滑套四杆移出机构由滑套8、滑动轴12、摇臂平行四杆机构3、导轨7等组成。滑动轴12两端固定于车身，滑套8安装在滑动轴12上，导轨7在新型滑套四杆机构上方且固定于车身，摇臂4上的滚轮10嵌在导轨7中，摇臂平行四杆机构3一端与滑套8连接，另一端与门扇2连接，该结构为左右对称式机构。同步带11与滑套8通过连接板连接。

该新型外滑移门与外摆门有一定的相似性。但传统的外摆式客车门多是一种无轨道的移出门，门扇依靠转轴支撑实现回转，并在其带动下完成近似平行四边形的运动轨迹。而此新型外滑移门在导轨和新型滑套四杆移出机构的配合下，车门首先向外移出，然后在同步带的带动下，向两侧滑移，实现车门的最大限度开启。另外，与传统的乘用车外滑移门不同，此外滑移门为双扇门，且下导轨位于车门内侧，风阻更小，外表更美观。

该新型外滑移门的工作原理如下：开门时车载电源驱动电机6正转，带动主动带轮5、同步带11、从动带轮13一起运动。摇臂平行四杆机构3中的滑套8随同步带11向两侧平移，摇臂4上的滚轮10在导轨7内运动，两者配合，形成了门扇2随滑套8外侧的平移和摇臂平行四杆机构3转动的复合运动。这种复合运动即可达到车门外移和两侧滑移的轨迹要求。下摇臂16的滑轮则在门扇滑道15中滑动，保证车门运动平稳，启闭柔和，噪声小。门扇移出轨迹如图1（b）中虚线所示（只有水平移动，没有上下移动）。电机6反转时，实现大客车外滑移门的闭合运动。

2 滑套四杆移出机构的设计与计算

本文建立滑套四杆移出机构的运动方程，并利用MATLAB软件绘制出外滑移门在不同类型导轨中的运动轨迹曲线，以最终确定较为合理的运动轨迹曲线。导轨的类型及摇臂四杆移出机构的参数是影响车门启闭轨迹的重要因素，因此用作图法对外滑移门滑套四杆移出机构及导轨进行设计，确定导轨类型、滑套四杆移出机构类型和各杆长度。对比不同类型导轨约束下的运动轨迹，选出其中较合理的导轨类型，以此得到合理的车门移出轨迹。由于滑套四杆移出机构左右对称布置，这里以左半部分为例进行具体分析。

2.1 导轨设计

以滚轮中心沿着导轨（图1中件7）的中心线运动为参照，设计三种类型导轨，分别为垂直型、外倾型和内倾型。导轨由移出段、平移段、过渡段三部分组成，过渡段采用圆弧过渡型以增强车门运动的平顺性，外倾型导轨的移出段与竖直方向夹角为θ，内倾型导轨的移出段与竖直方向夹角为-θ。车门移出过程中，向外移出同等距离，采用外倾性导轨容易与门框碰撞，而采用内倾型导轨的碰撞几率最低，采用垂直型导轨居中。三种类型的导轨如图2所示。

2.2 摇臂平行四杆机构设计

为了实现车门的启闭功能，对摇臂平行四杆机构设计有三点要求[8]：满足预定的运动规律要求；满足预定的轨迹要求；满足预定的连杆位置要求。根据大客车空间位置要求，设计的摇臂平行四杆机构与导轨配合运动，均能实现车门的启闭功能且不与门框发生干涉，如图3所示。

2.3 滑套四杆移出机构的计算

理想的外滑移门滑套四杆移出机构，应是既能满足开启过程中在合理的车门间隙条件下不与门框干涉，又能满足完全开启后到达设计给定位置。电机反转时，车门即沿开门轨迹逆向返回，实现关闭车门功能。门缝大小设计初已确定，保证了车门关闭时的密封效果。为合理地设计滑套四杆移出机构，用解析法建立车门的运动轨迹方程。简化滑套四杆移出机构，以导轨平移段与移出段交点为圆心，建立如图3所示的坐标系，O为坐标原点，令摇臂AB为杆Ⅰ，连接杆BC为杆Ⅱ，摇臂CDE为杆Ⅲ，滑套AD为杆Ⅳ。LAB=LCD，LAD=LBC。图3中单点划线为导轨中心线，杆Ⅲ末端E点处的滚轮沿导轨中心线运动。杆Ⅳ在同步带的带动下以速度v向外匀速运动，带动其他杆件外移。当D点移动到D'点时，E点移动到E'处，完成移出动作。由于杆Ⅱ与左车门连接，因此外滑移门运动轨迹和B、C点相同，此处分析C点的运动轨迹即反映车门的运动轨迹。

已知D点初始位置坐标（XD，YD），同步带移动速度v，各个杆件长度LAB、LBC、LCD、LDE、LAD，杆Ⅲ的夹角β（即∠CDE），过渡段圆弧中心O'坐标（a，b）及圆弧半径r。设运动过程中点C'坐标为（X'C，Y'C），D'点的坐标为（X'D，Y'D），E'点的坐标为（X'E，Y'E），求解运动过程中点C'的运动轨迹方程。

导轨移出段：由于杆LDE长度一定，滚轮中心E'在直道上运动时受直线方程的约束，移出段导轨中心线的延长线过原点O，且与Y轴夹角为θ，因此，在导轨移出段建立方程组如下：

导轨过渡段：由于杆LDE长度一定，点在圆弧上运动，与圆心距离为r，建立方程组如下：

根据方程组（1）（2），可以求得车门移出运动过程中E'点坐标（X'E，Y'E）。

在△C'D'E'中根据平面两点间距离公式和余弦定理建立方程组如下：

根据方程组（3）求解出运动过程中的C'点坐标

以上是外滑移门在外倾型导轨中运动的轨迹方程，同理，在垂直型导轨中运动的轨迹方程令θ取值为0即可得到，在内倾型导轨中运动的轨迹方程令θ取值为-θ即可得到。

3 大客车外滑移门移出过程中运动轨迹分析

为了获取外滑移门合理的运动轨迹曲线，根据大客车空间位置要求，定义初始值LAB=LCD=90 mm，LAD= LBC=115 mm，LDE=90 mm，θ=10°，β=57°，YD=19 mm，v=5 mm/s，由于导轨类型不同，XD、O'、r坐标有所不同，对应垂直型、外倾型、内倾型导轨，XD分别为-61.2 mm、-53 mm、-69.5 mm，O'坐标分别为（-10 mm，-10 mm）、（-8.4 mm，-10 mm）、（-7.2 mm，-6 mm），r分别为10 mm、10 mm、6 mm，带入相应的计算方程组。用MATLAB求解方程根据所建坐标系，合理选择正确的解，并绘制三种不同类型导轨约束下的外滑移门移出轨迹曲线[9-10]。为了便于对比，移动轨迹曲线的横纵坐标，令轨迹起始位置都从零点开始，三种导轨对应的外滑移门的移出轨迹如图4所示。其中轨迹1，2，3分别对应垂直型导轨、外倾型导轨、内倾型导轨。

在闭合状态下，门扇与门框距离为35 mm，门扇厚度为30 mm，三类运动轨迹都可以实现-X向移动35 mm后，+Y向移动30 mm，因此可以避免与门框碰撞，使外滑移门安全摆出。电机反转，车门沿开启轨迹逆向闭合，车门顺利开启便保证了车门的顺利闭合。其中，车门开启后，门洞宽度A=1 210 mm，车门最大开启量B= 1 080 mm，因此车门开启度为B/A×100%=89.26%。三种导轨可实现同样的车门开启度，同样的门缝大小。对比三种导轨约束下的外滑移门移出轨迹，+Y向移出同样的距离，内倾型导轨对应的运动轨迹-X向移动距离最小，因此可以减小门缝间隙，增强车门的密封性。综合考虑，导轨3较为合适。

4 结束语

通过分析现有车门的特点，结合外滑移门设计要求，设计了一种新型大客车外滑移门滑套四杆移出机构及三种类型导轨。根据滑套四杆移出机构的理论计算和运动分析，得到三种不同类型导轨约束下外滑移门的移出轨迹方程。以MATLAB软件绘制三类导轨约束下的外滑移门移出轨迹曲线，对比三组运动轨迹曲线确定了更为合理的导轨设计。所得轨迹方程及分析方法，对类似滑移门移出机构设计及导轨设计具有一定的参考价值和指导意义。

[1]卞学良，齐景霞.新型电动外摆滑动式车门装置[J].客车技术与研究，2006，28（2）：40-41.

[2]Rees Alan.Sliding Door Structure Having Sliding Doors and PivotingDoors：US.：US8806807[P].2014-08-19.

[3]卞学良，马国清，刘茜.一种新型电动外摆滑动式车门装置[J].机械设计与制造，2005（10）：115-116.

[4]林会明，许兆业.一种电平移气塞拉的塞拉门：CN103806783A[P].2014-05-21.

[5]许荣俊，戴光辉，薛毅华，等.一种摆动式塞拉门机构：CN 204645944U[P].2015-06-10.

[6]卞学良，董正身，崔根群，等.客车电动塞拉门传动机构：CN 2598787[P].2004-01-14.

[7]崔璨.大客车外滑移门启闭性能仿真及控制研究[D].天津：河北工业大学，2010.

[8]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.7版.北京：高等教育出版社，2006.

[9]Matlab M.The Language of Technical Computing Version6[M]. The Math Works Inc.，2002：33-40.

[10]鄢喜爱，杨金民，田华.Matlab在数据处理和绘图中的应用[J].科学技术与工程，2006，6（22）：3631-3633.

修改稿日期：2016-11-12

Structural Design and Kinematic Analysis on a New Type of Outside Sliding Door for Large Coaches/Buses

WangJie，Bian Xueliang，Liu Yanpeng
（College ofMechanical Engineering,Hebei UniversityofTechnology,Tianjin 300130,China）

A newtype of sliding bush four-bar linkage removal mechanism of large coach/bus outside sliding door and three different kinds ofguide rails are designed.The work principle and motion trail are alsoanalyzed.Based on deriving the removal trail equations of the outside sliding door with different guide rails,three groups of motion trail curves for the vehicle door are described with MATLAB.Through comparative analysis,a reasonable design scheme ofthe guide rail is determined.

outside slidingdoor；MATLAB；structural design；motion analysis

U463.83+4

B

1006-3331（2017）02-0032-04

河北省科学研究与发展计划项目（07C1303112002）

王杰（1989-），女，硕士；主要研究方向为现代汽车设计技术。