輕型客車電動外擺門設計

胡建鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

目前，小團體中短途旅行、城郊短途客運等市場越來越火爆。針對市場需求，結合我司現產品現狀，選定某款輕型客車進行乘客門的自動化改制。該種外擺式乘客門具有門敞開度大、密封性能好、開關簡便、剛度性能高等優點。

1 電動外擺門約束

電動外擺門系統的設計約束條件有：（1）不允許外擺門自行開啟。（2）在開閉過程中遇到障礙物時，外擺門應能停止關閉或自動開啟。防夾力不大于250N。（3）在車內或車外能手動操縱緊急開啟裝置。（4）車輛停在20%的上、下坡上，外擺門應能正常打開。（5）最小限度的保持車身造型。

2 電動外擺門設計布置方法

電動外擺門系統主要由外擺門本體、擺臂及門泵總成、下平衡桿總成、車身總成組成。設計為四連桿機構，車門本體為一桿，擺臂為一桿，下平衡桿為一桿，車身為一桿，四桿之間的連接均采用鉸接連接。如此，確定了車門運動軌跡的唯一性。

2.1 外擺門設計參數的確定

理論設計中，需確定的外擺門的設計參數如圖1所示。

外擺門門框寬度由車身總布置確認后輸入，即外擺門本體寬度L與兩倍的外擺門與門框間隙之和（2S＋L）。根據我司的工藝制造精度水平和與密封條廠家確認外擺門密封結構形式，確定外擺門與門框間隙S以及外擺門寬度L。外擺門本體一般采用鋁合金材質，在保證門本體剛度及強度的前提下，門本體厚度T要求30mm-40mm。擺臂與外擺門鉸接點A到車門內壁距離 e由門上支架的寬度決定，一般在20mm-30mm之間。門泵旋轉中心O點到乘客門一級踏步側壁（即電動門泵安裝面）距離a是由門泵自身尺寸決定的，可根據選定的電動門泵進行實測。打開的外擺門停在側圍外側，為防止打開的外擺門與車身側圍外側干涉，外擺門內壁距離側圍外側距離C，要求在80mm-120mm之間。C值取小時，外擺門開度會稍微增大。外擺門打開時，左端可留在門框內少許，外擺門左端邊緣距離踏步側壁距離D可根據門泵安裝尺寸a確定。D值取小值（可直到0）時，通道尺寸增大；D值取大值時，對車門運動設計有利。對于D值，可先確定一個值，然后進行外擺門的機構設計。

圖1 外擺門設計參數

門系統四連桿機構的設計，就是在上述參數已經確定的情況下，將四連桿機構的4個鉸接點確定下來，即擺臂與門鉸接點A，電動門泵旋轉中心O點，下平衡桿與車門鉸接點D點，下平衡桿與車身鉸接點E點。設計的外擺門運動軌跡狀態，必須要達到既定的設計要求。在尋找鉸接點的設計過程中，會進行外擺門的運動校核，根據外擺門運動過程的姿態及軌跡，會反過來修改已設定的S、L、T、e、C、D這些基本參數，使得外擺門的運動姿態和軌跡符合設計要求。

2.2 外擺門運動鉸接點位置的確定

2.2.1 門泵旋轉中心O點及擺臂與外擺門鉸接點A的確定

e值設定為25mm，A點取在外擺門本體中分面上，如此在草圖上確定了A的平面位置。A點在門中分面上，可保證車門前后側在運動時受力均勻，且不使擺臂承受附加力矩。之后采用作圖法來求取O點（圖2所示）。

首先，做出車門開啟后A點的位置A’，連接AA’，作出其垂直平分線m，與距踏步距離為a的直線n相交，則交點即為O點。因為O點是電動門泵旋轉中心，故必須以此點來檢驗電動門泵是否安裝的下。為此，在圖中畫出門泵的橫截面，檢查與周邊件的間距是否滿足設計要求。其外邊緣與車門內壁間距f必須能滿足結構的要求（即外擺門密封條放置空間及與門泵的間隙，車門密封結構已確定，間隙要求5mm），則O點即定下來，否則需重新確定。

2.2.2 下平衡桿與外擺門鉸接點D及與車身鉸接點E的確定

由于擺臂與外擺門鉸接點 A一般在車門中心偏前的位置，為保證外擺門在運動過程中平順、穩定，應盡可能的加大A點和D點的間距，所以，平衡桿與外擺門門鉸接點D，應盡可能的布置在車門的左前端，并且越靠前越好，一般設計中直接將D點設置在車門最左端。距離車門內壁距離也為e。這樣，D點就確定了。依然采用作圖法求出 E點（圖 3所示）。

圖2 O及A點確定示意圖

首先，做出車門開啟后D的位置D’，連接DD’，作出其垂直平分線K，那么E點肯定在直線K上。此外擺門的四連桿結構設計為平行四邊形結構，故過D點作直線平行于直線OA，該直線與直線K的交點即為E點。

圖3 D及E點確定示意圖

3 電動外擺門作動理論計算

電動外擺門作動一個循環包括關閉作動過程和開啟作動過程。

3.1 外擺門平擺作動實現原理計算

擺臂與電動門泵螺紋-螺柱配合，螺紋配合面角度40°。外擺門本體總質量M1為30.6kg，擺臂總成質量M2為6.2kg，上升過程擺臂內的加壓彈簧壓縮量L為0.0075m，加壓彈簧彈性系數k=20000N/m。擺臂及門本體受力分析如圖5所示。

圖5 擺臂及門本體受力分析

圖6 電動門泵受力分析

式中N為擺臂及門本體重量；N1、N2是N的分力；F動為動摩擦力；u為動摩擦系數，取1.4。圖中f為擺臂及門本體所受靜摩擦力。因 N1＜F動，可知擺臂與電動門泵之間的摩擦是靜摩擦，故電動門泵和擺臂相對靜止。電動門泵受力分析如圖6所示。

因擺臂與電動門泵相對靜止，故擺臂施加給電動門泵的靜摩擦力 f力值與 N1相等，方向相反。電動門泵輸出扭矩3N.m-4N.m。

式中為f1靜摩擦力分力；H1為靜摩擦力力矩；R為電動門泵螺柱半徑，值為 0.0135m。因靜摩擦力力矩小于電動門泵輸出的扭矩，故可實現擺臂及門本體跟隨電動門泵一起旋轉，實現平擺 。

3.2 外擺門抬升作動實現原理計算

外擺門本體總質量 M1為 30.6kg，擺臂總成質量 M2為6.2kg，上升過程擺臂內的加壓彈簧壓縮量L為0.025m，加壓彈簧彈性系數 k=20000N/m，電動門泵自身輸出舉升力 T在800N-1000N。此外擺門所需舉升力：

式中g為重力加速度，取9.8N/kg。

實際所需舉升力在電動門泵自身輸出舉升力范圍內，故可實現外擺門抬升作動。

3.3 外擺門20%上坡（坡度11.3°）駐坡作動實現原理計算

當車輛停在20%上坡上時，外擺門能正常打開并保持開啟狀態。外擺門本體總質量M1為30.6kg，擺臂總成質量M2為6.2kg，上升過程擺臂內的加壓彈簧壓縮量L為0.0075m，加壓彈簧彈性系數 k=20000N/m。擺臂及門本體受力分析如圖7所示。

圖7 擺臂及門本體20%坡度受力分析

式中N為擺臂及門本體重量；N1、N2是N的分力；F動為動摩擦力；u為動摩擦系數，取1.4。圖中f為擺臂及門本體所受靜摩擦力。

因N1＜F動，可知擺臂與電動門泵之間的摩擦是靜摩擦，故電動外擺門可實現在20%的上坡坡度上電動門泵和擺臂相對靜止。電動門泵受力分析如圖8所示。

圖8 電動門泵體20%坡度受力分析

因擺臂與電動門泵相對靜止，故擺臂施加給電動門泵的靜摩擦力 f力值與 N1相等，方向相反。電動門泵輸出扭矩3N.m-4N.m。

式中f1為靜摩擦力分力；H1為靜摩擦力力矩；R為電動門泵螺柱半徑，值為0.0135m。

因靜摩擦力力矩小于電動門泵輸出的扭矩，故電動外擺門可實現在20%的上坡坡度上擺臂及門本體跟隨電動門泵一起旋轉，實現平擺作動。

4 電動外擺門防夾力設計計算

設計上當電動門在關閉狀態時，防夾力相對轉軸力臂最小，此時所需防夾力最大。外擺門關閉狀態時擺臂及門本體受力分析如圖9所示。

圖9 關閉狀態擺臂及門本體受力分析

根據力平衡，可知：

其中，f為電動門泵與擺臂間的動摩擦力；N為擺臂及門本體重量；F為防夾力；u為動摩擦系數，取1.4。由（14）算式計算出防夾力為41N，設計要求防夾力≤100N。故滿足設計要求。

5 結論

外擺式門系統結構復雜，本文詳細闡述了該種車門系統的設計方法，有利于同行業人參考借鑒。