客车手动平移式侧舱门开启力值动力学仿真分析及优化

王琪元

摘 要：通过建立手动平移式侧舱门开启（关闭）过程的仿真模型，输出舱门开启（关闭）过程中各力矩的特性曲线，从而找到影响开启（关闭）力的主要参数，并提出了优化舱门布置的参考方案。

关键词：客车;侧舱门;手动平移式;开启力

手动平移式侧舱门是公路客车常用的一种舱门结构，其具有开启角度大、工作可靠、结构简单、舱门开启时占用的空间小等优点，但也容易出现开启力大、举升时无力感强烈、关闭时下半行程较费力等问题。本文通过动力学仿真分析手动平移式侧舱门开启（关闭）过程受力特性，探讨优化布置的方案。

1 舱门开启（关闭）过程力学特性分析

手动平移式侧舱门以气弹簧为动力源，通过外力的作用使主动轴发生转动。当主动轴转过一定角度后，气弹簧产生转动力矩克服行李舱门自重和四连杆机构重力产生的力矩后舱门自动上升，直到气弹簧达到最大工作行程。反之，则行李舱门自动关闭。舱门开启的过程中弯臂转轴受到驱动力矩（气弹簧力矩M弹）和阻力矩（重力矩M重、摩擦力矩M摩擦）的作用。在不考虑M摩擦的情况下，整个开启运动过程分为以下5个关键节点：

（1）关闭状态

此时，气弹簧压缩量最大（可核算气弹簧行程），气弹簧力值最大。

（2）气弹簧力矩为0状态

此时，因气弹簧力臂为0，所以力矩为0;至此，舱门自锁行程结束。

（3）合力矩为0状态

此时，M弹=M重，在不受外力的情况下，舱门处于平衡位置。

（4）重力矩最大状态

此时，重力臂处于水平位置与重力垂直，重力矩最大（可计算气弹簧最小需求力值）。

（5）开启状态

此时，气弹簧压缩量最小，力值最小。

当舱门匀速开启时，以逆时针为力矩正方向，则（如图1）：

M（开启）-M（重力）+M（弹簧）-M（摩擦）=0

M（开启）=M（重力）-M（弹簧）+M（摩擦）

F（开启）*L（开启力臂）=G*L（起始重力臂）-F（弹簧）*L（起始弹簧力臂）+M（摩擦）

F（开启）*L（开启力臂）=G*E'G -F（弹簧）*B'O +M（摩擦）

F（开启）*L（开启力臂）=G*（EG +OE*sina（b）） -F（弹簧）*AO*sina（a） +M（摩擦）

当舱门匀速关闭时，以逆时针为力矩正方向，则（如图2）：

M（弹簧）-M（关闭）-M（重力）+M（摩擦）=0

M（关闭）=M（弹簧）-M（重力）+M（摩擦）

F（关闭）*L（关闭力臂）=F（弹簧）*L（关闭弹簧力臂）-G*L（关闭重力臂）+M（摩擦）

F（关闭）*L（关闭力臂）=F（弹簧）*DO -G*E'G +M（摩擦）

F（关闭）*L（关闭力臂）=F（弹簧）*AO*sina（a'） -G*（EG +OE*sina（π-b'）） +M（摩擦）

F（關闭）*L（关闭力臂）=F（弹簧）*AO*sina（a'） -G*（EG +OE*sina（b'）） +M（摩擦）

2 舱门开启动力学仿真

2.1 仿真模型建立

通过以上分析，手摆舱门动力学计算公式为：

F（开启）*L（开启力臂）=G*（EG +OE*sina（b））-F（弹簧）*AO*sina（a）+M（摩擦），在舱门开启的过程中公式的各参数都在发生变化。为优化舱门开启力，需对舱门开启运动过程进行动力学仿真分析，输出力学特性曲线，并进行对比分析，最终确定最优化方案。

（1）关闭过程为开启过程的反向行程，因此只需对开启过程进行分析即可。

（2）开启过程中L（开启力臂）变化较大，不好建立仿真模型，而开启力矩M（开启）的变化趋势与F（开启）是一致的。因此，可输出M（开启）变化趋势进行分析。

（3）M（摩擦）不影响趋势分析，在理论分析阶段暂不考虑M（摩擦）。

（4）综上，以我司XMQ6125AY车型为例建立侧行李舱门仿真模型（图3）。      2.2 特性曲线输出

开启力矩、气弹簧力矩、重力矩特性曲线如图4。

说明：

（1）M开启在舱门关闭的时候最大，随着舱门的开启逐渐变小。当舱门开启到达节点3的时候，动力矩（M弹簧）等于阻力矩（M重），此时M开启为0。此后，M弹大于M重，舱门自动开启。

（2）舱门开启的初始位置M开启最大，此时F开启最大。

（3）舱门关闭为开启的反向行程，由于关闭过程中M关闭与M重同向，因此M关闭远远小于M开启。关闭行程的初始位置M关闭最大，而后逐渐变小。

2.3 最大开启力、初始关闭力计算

经过以上分析，最大开启力为开启行程中的初始位置。以SAE 95%假人尺寸为参考进行布置，测量得出开启关闭初始位置时刻L开启和L关闭分别为：446mm和545mm。根据之前仿真得出对应时刻的力矩值可计算得出最大开启力F开启为：264N;初始关闭力F关闭为：67N。

3 开启力值优化方案

根据平移式舱门打开过程的动力学计算公式F（开启）*L（开启力臂）=G*（EG+OE*sina（b））-F（弹簧）*AO*sina（a）+M（摩擦）可知，F（开启）的主要影响因素有：舱门重量（G）、弯臂半径（OE）、弯臂角度（b）、气弹簧弹力（F弹簧）、气弹簧起始力臂（AO*sina（a））、开启力臂（L）以及M摩擦。当车身布置定型后，弯臂半径、弯臂角度、开启力臂、舱门重量参数已固化，优化空间有限，只剩气弹簧弹力、气弹簧起始力臂两项变量。所以，这两项变量为平移式舱门开关力优化的主要决定因素。气弹簧弹力的矢量方向由A点决定，而A点的布置主要取决于气弹簧驱动半径OB以及气弹簧行程规格。因此，优化的思路主要是对OB以及OB'进行重新匹配布置，对不同的布置方案进行对比分析，从而确定最优方案。

根据以上分析，确定如下布置方案进行仿真对比分析：

对四种布置方案进行仿真对比分析，输出特性曲线如图5。

说明：

（1）对比BASE方案及方案一、二可知OB不变时气弹簧起始力臂OB数值的大小对开关力的影响最大。减小OB值，可显著降低开启力数值。但随着OB数值的减小，舱门的平衡点（节点3）前移。即舱门开启到达平衡位置的角度减小，如此开启时，只需手动开启一小段行程，舱门即可自动开启。但关闭时，需要手动将舱门关闭到平衡位置，如果平 衡位置过低，不利于手臂用力，对舒适性影响较大。因此，舱门平衡位置不宜过低。

（2）对比方案二及方案三，OB'不变时，驱动半径OB大小对开关力影响不大。但是方案三在舱门自动开启行程中，由于驱动力矩减小，所以合力矩较小，在其余变量相同的情况下，会显得舱门开启无力感较强，不够顺畅。

（3）方案四将驱动半径放大，并使用大行程小弹力规格的气弹簧。起始位置开关力最小，平衡点最靠前。在舱门开启时，轻轻一拉即可自动弹起。但是在关闭行程时，从起始位置到平衡位置，合力矩先变大再减小。在实际关门时，会越关越费力，而且要使劲压到平衡点位置才能自由关闭，操作舒适性非常差。

综上所述，选用方案二作为最终的优化方案，参考布置方案如图6。

4 结论

本文通过对平移式侧舱门动力学特性分析，找到了影响舱门开启力值的关键因素是驱动半径OB及气弹簧起始力臂OB，通过调整OB及OB值实现对舱门优化布置后，可以有效降低平移式侧舱门的开启关闭力，从而提升操作舒适性。

参考文献：

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