車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構

王際成，林會明，張海國，曹蘇群

（1.江蘇惠民交通設備有限公司，江蘇 淮安223000；2.淮陰工學院，江蘇 淮安223003）

0 引言

隨著車輛的飛快發展，人們對車輛門的安全性和人性化的設計提出了更高的要求。目前應用在車輛門中的離合閉鎖機構有兩種：一種是終點鎖閉，即在門關閉后采用機械方式鎖閉；另一種是全程鎖閉，即門可被電動機控制實現開關，而無法自行打開或在非緊急情況下被手動打開。

本文設計了一種用于車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構[1]，可在緊急情況下進行手動開門，且具有單向性，在運行過程中摩擦力小，大大改善零部件磨損現象，使車輛門系統更加安全、耐久、可靠。

1 單向逆止離合鎖閉機構

1.1 功能和需求

單向逆止離合鎖閉機構能夠實現將電動機輸入的順時針或逆時針的旋轉動力傳到絲桿上，絲桿單向旋轉產生的動力不被阻卻，即通過電動機控制可以實現車門的軸向開關運動，而無法自行打開或在非緊急情況下被手動打開。

單向逆止離合鎖閉機構能夠極大地提高在正常或突發情況下人身的安全系數，有效地保證了人們的生命安全。因此車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構滿足當代的乘車需求。

1.2 結構組成

車輛門單向逆止離合鎖閉機構是由電動機、轉軸、離合分離爪、離合器總成、離合器箱體、絲桿、主動齒軸、制動齒圈、電動機接盤、行星架、主動盤、撥桿、撥塊、撥爪、離合器套筒、星輪、離合器滾柱、離合器彈簧等部件組成，如圖1～圖3所示。

圖1 車輛門系統單向逆止離合鎖閉機構示意圖

圖2 離合器總成與電動機連接端的結構示意圖

1.2.1 非緊急情況下的自動工作狀態

1）開門時。首先電動機輸入逆時針方向的動力到撥桿上，撥桿帶動撥塊自轉，消除拔塊與拔爪之間的間隙，并推動撥爪向逆時針方向轉動，同時撥爪的端部“L”結構推動離合器滾柱，將離合器滾柱推入楔形槽較寬的位置（即離合器滾柱處于自由位置），不再楔緊。因此星輪、撥爪和離合器滾柱一起逆時針旋轉，帶動絲桿轉動，實現開門。

圖3 離合器與絲桿端結構示意圖

2）關門時。電動機輸入順時針方向動力至主動盤，主動盤沿順時針方向推動行星架，固定在行星架孔中的3個撥塊也沿順時針方向發生公轉，消除撥塊與星輪的間隙，帶動星輪旋轉。同時，在離合器彈簧的推動下，位于楔形槽中的離合器滾柱處于星輪與離合器套筒兩兩相切的位置，又在摩擦力的作用下，將離合器滾柱推入星輪與離合器套筒之間楔形槽中較寬的位置（即離合器滾柱處于自由狀態），不再楔緊，因此星輪、撥爪和離合器滾柱一起順時針旋轉，帶動絲桿轉動，實現關門。

1.2.2 非緊急情況下的手動工作狀態

1）開門時。絲桿在門的帶動下沿順時針方向旋轉[2]，主動齒軸受絲杠帶動且與星輪同步轉動，在星輪即將轉動的過程中，離合器滾柱正處于星輪與離合器套筒楔形槽中兩兩相切的位置，由于星輪有順時針轉動的趨勢，使星輪與撥爪之間的間隙增大，且撥爪端部“L”結構將遠離離合器滾柱，無法實現推的動作，因此在摩擦力的作用下，將離合器滾柱推向星輪與離合器套筒中間槽較窄的位置，且越推越緊，最終處于卡死狀態，因此無法實現開門。由于開門的動作可以在門的任意位置被禁止，因此保證了門系統的安全性要求。

2）關門時。絲桿在門的帶動下逆時針方向旋轉，主動齒軸受絲杠帶動且與星輪同步轉動，此時星輪作為主動端，位于楔形槽中的離合器滾柱在摩擦力的作用下，將離合器滾柱推入槽中較寬的位置（即離合器滾柱處于自由位置），不再楔緊，因此星輪和撥爪、離合器滾柱一起順時針旋轉，實現關門。

1.2.3 緊急情況下的手動開門的工作狀態

在操作緊急解鎖裝置后，離合分離爪在外力作用下繞轉軸旋轉，使離合分離爪與制動齒圈脫離后，消除了制動力，讓星輪和拔爪、離合器滾柱、離合器套筒一起順時針旋轉，即整個機構一起順時針旋轉，可以實現手動開門。

1.3 控制原理

車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構能夠滿足車在正常行駛過程中的開關需求，當車輛停穩時，按下開門按鍵，主動端電動機輸入的旋轉動力傳到從動端的絲桿，絲桿慢速旋轉帶動屏蔽門在光桿上做軸向運動，至屏蔽門完全打開。如屏蔽門未完全關閉，微控開關將會工作，提示屏蔽門未完全關閉。

圖4 控制原理圖

在屏蔽門的基礎上增加了綜合監控系統[3]、信號系統[4]、報警控制盤協同工作。

1.4 可靠性和安全性及操作性分析

1.4.1 可靠性分析

對車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構進行故障模式影響與嚴重性分析，如表1所示。由分析結果可以看出，車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構不存在安全隱患，當控制裝置無法對門進行控制時，可以通過緊急情況下的手動開門，因此控制裝置在設計時采用可靠的裝置，提升安全系數。

表1 故障模式影響與嚴重性分析報告

1.4.2 安全性分析

要考慮到門系統意外打開的風險，進行圖5所示的故障分析，車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構意外未完全關閉，車輛門可滿足“未完全關閉”的風險要求。

1.4.3 可操作性分析

車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構具有單向性，在正常工作行程中不會對門產生不良影響。在運行過程中摩擦力小，大大改善零部件磨損現象，且裝置安裝在門的頂部，布線簡單，使車輛門系統更加安全、耐久、可靠。

2 測試與應用

2.1 楔角α的選取

在實際應用中，發現車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構在關門時容易發生車門無法鎖緊（鎖閉機構打滑）和無法解鎖的問題。

經過研究發現與鎖止角α（如圖6）有關，要保證車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構可靠的自鎖，應使滾柱對星輪接觸面的最小摩擦角ρmin>α/2，滾柱對星輪接觸面的最小摩擦角ρmin=arctan μ。其中：μ為摩擦因數，一般取0.1，則ρmin=arctan 0.1=5.7°，α=2×ρmin=11.7°。

圖5 故障分析圖

圖6 楔角α示意圖

經過理論值的計算與大量實驗的探究發現：1）當楔角α≤8.5°時，單向逆止離合鎖閉機構可以可靠地鎖閉；2）當楔角7°≤α≤8°時，車門既可以可靠地鎖閉也可以正常解鎖開門；3）當楔角α＜6°時，解鎖力變大，滾柱脫開困難，造成電動機無法解鎖，車輛門開門失敗。

2.2 接觸應力σH校核

通過對楔角α的計算與實驗、材料及熱處理方案的選定，車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構達到了設計要求，順利完成了車門系統的150萬次無故障試驗。

2.3 實際應用

在實際生產中，車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構已經十分成熟，成功地運用在淮安有軌電車與廣州地鐵上。

在軌道交通使用中，該機構外形美觀時尚，結構簡單合理，可靠性高，密封性好，安全性高，并具有較好的防水、防寒效果，且結構十分小巧，功能滿足市場的需求。

3 結語

圖7 廣州地鐵

圖8 淮安有軌電車

針對市場上車輛門的高質量要求，該單向逆止離合鎖閉機構在運行過程中摩擦力小，大大改善零部件磨損的問題，使車輛門系統更加安全、耐久、可靠。在對已有技術分析的基礎上，研究出新的解決方案以滿足功能需求，達到了車輛安全性和可靠性要求。

圖9 車輛門系統的單向逆止離合鎖閉機構實物圖