客车外摆式气动门操纵机构设计.doc
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客车外摆式气动门操纵机构设计
目录
序言 1
第1章门体的机械设计 2
1.1机械设计简介 2
1.2外摆式乘客门的结构与运动原理 3
1.3运动机构的设计原则 4
1.4用解析法确定车门运动机构参数并校核 5
第2章气压传动设计 16
2.1气压传动的组成及优缺点 16
2.1.1气压传动的组成 16
2.1.2气压传动的优点 17
2.1.3气压传动的缺点 17
2.2气动元件和选择 18
2.2.1执行元件 18
2.2.2控制元件 19
2.3气动结构确定 28
第3章总结 31
参考文献 32
致谢 33
序言
随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的日益提高,人们对客车内、外饰质量及舒适性的要求越来越高。
乘客门是客车的重要组成部分,是乘客上下车的通道,对客车的整体造型也起着重要的协调作用。
客车乘客门是客车的重要组成部分。
随着客车设计水平的提高，乘客门也在不断演变，由原来的单扇外开门、手动内移门、外移门四折门、气动双扇旋转门、双折门，到近几年在旅游客车及豪华客车采用的外摆式门。
乘客门对客车的造型、空气阻力及气流噪声等都有较大的影响。
如当前普遍采用的四折门、双折门等，由于车门平直，与车身外形不一致，车门处外形内凹，致使车辆高速行驶时，产生风流噪声，增加空气阻力和功率消耗。
又因门扇下方在踏步上扫动，所以乘客门不易密封，造成漏灰、漏风。
同时，门扇的扫动增加了第一踏步的深度，从而减少了客车的内部使用面积。
而单扇外开门、外移门等，可以避免内凹式乘客门的缺陷，但启闭时，由于门扇在车外扫动面积大，影响乘客上下车，加之开度小，不易实现自动启闭。
外移门需在车门后侧设置一移动导轨槽，这将影响车身造型，同时导轨内的润滑油脂易污染乘客的外衣。
采用外摆门可综合上述各种门的特点，避开它们的不足。
所以在国内外大客车上纷纷被采用，并取得了良好的效果。
但外摆式乘客门的驱动机构较复杂，无论是电、液或气驱动，其驱动机构和旋转泵的精度高、价格昂贵、修理困难，从而影响了外摆式乘客门在中，低级客车上的推广应用。
为了普及外摆门的使用，对外摆门的驱动机构进行了革新，以使其结构简单、操作灵活可靠、维修方便及成本低。
可以说外摆式乘客门代表着客车乘客门发展的一种趋势。
因此有必要对其进行研究。
第1章门体的机械设计
1.1机械设计简介
机械肩负着为国民经济各个部门提供技术装备的重要任务。
机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一。
国家的工业、农业、国防和科学技术的现代化程度都与机械工业的发展程度相关。
人们所以要广泛使用机器是由于机器既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品的质量，能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。
同时，不论是集中进行的大量生产还是多品种、小批量生产，都只有使用机器才便于实现产品的标准化、系列化和通用化，实现产品生产的高度机械化、电气化和自动化。
因此，大量设计制造和广泛使用各种各样先进的机械是促进国民经济发展，加速我国社会主义现代化建设的一个重要内容。
机械设计现如今已经趋于现代化，现代化设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。
由于现代设计方法正在不断发展，人们对它的内涵看法不一，尚无明确的域界。
但对它的特征和发展动向，可以从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现某些方面的转化。
如以动态的取代静态的，以定量的取代定性的，以变量取代常量，以优化设计取代可行性设计，以并行设计取代串行设计，以微观的取代宏观的，以系统工程法取代分部处理法，以自动化设计取代人工设计。
在方案设计阶段，要正确地处理好借鉴与创新的关系。
同类机械成功的先例应当借鉴，原先薄弱的环节及不符合现有任务要求的部分应当加以改进或者根本改变。
既要积极创新，反对保守和照搬原有设计，也要反对一味求新而把合理的原有经验弃置不用这两种错误倾向。
总之，设计工作本质上是一种创造性的活动，是对知识与信息等进行创造性的运作与处理。
发展机械现代化设计方法，实质上就是不断追求最机智、最恰当而且最迅速的满足用户要求、社会效益、经济效益、机械内在要求等对机械构成的全部约束条件。
1.2外摆式乘客门的结构与运动原理
外摆式车门是一种无轨道向外摆出式车门。
其结构如图1所示。
上、下支承臂3、5的一端用铰链与门体1相连，另一端固连于转轴4。
其作用是支承门体并带动其作开闭运动。
从理论上说有一个支承臂就可以了，但实际上由于很难确定门体的质心，故为了防止门体绕X与Y钟的转动，必须设置上下两个支承臂。
转轴4的上端安装在固定于车身上的轴承座2中，下端与固定于车身的驱动机构6相连。
如采用手动方式则转轴下端也安瘫固定于车身的轴承座中。
约束杆7一端用球铰与门体下部相连，另一端用球铰固定于车身下部。
其作用是限制门体绕Z轴的不必要转动业与支承臂共同作用使门体作限定的运动。
当由驱动机构或人力旋转轴4时，支承臂3、5绕转轴转动业将门体推出（开门）或拉进（关门）门框，同时又使门体向车身后方或前方移动。
由于开关过程中门体上各点与水平基准面的距离保持不变，故外摆式车门的运动机构可简化为平面铰链四杆机构。
一般运动过程中支承臂及约束杆的转角小于故车门的运动机构属于双摇杆机构。
门体相当于连杆，支承臂为原动件，约束杆为从动件。
图1外摆式车门结构示意图
1-门扇2-支撑杆3-上支臂4-转轴5-下支臂6-门泵7-拉杆
1.3运动机构的设计原则
运动机构设计主要是确定支承臂和约束杆的长度及其安装位置，以保证车门正常的运动。
取车门内板后角点M（mx，my）作为车门特征点。
以该点的运动来描述车门的正常运动。
由图2可知，在开关过程中车门体应正确到达Ⅰ、Ⅱ两个位置。
为确保车门顺利开启而不与门框发生干涉，在位置T，M点应在（x，g），其X方向位移应不大于门与门框的间隙G，而Y方向的位移应大于或等于门体厚度T。
在位置Ⅱ，M点应达到（x，y）。
应保证有足够的净开度L，业与车身外侧保持一适当的距离W业且希望在整个运动过程中车门体尽可能保持与初始位置平行。
由于密封性的要求，间隙G常取得比较小，当门体厚度T较大时，要求门体平行地摆出门框可能难以实现。
应考虑在位置I时门体有微小的偏转角由图2可知:
（1）
式中：
————门体内宽，为已知参数。
————门内板前角点N在位置Ⅰ时Y方向位移。
可在O-T之间任选。
图2外摆式车门运动简图
当=T时，即门体平行的摆出门框。
1.4用解析法确定车门运动机构参数并校核
一般的平面四杆机构中两摇杆不一定平行也不一定等长。
当两摇杆等长且平行时机构使为较简单的平行四连杆机构，但那只是一个特例。
本文按一般情况进行分析。
问题的实质是根据给定连杆的三个位置求解平面四杆机构。
这也可利用等视角定理用图解法求解。
但其精度较差。
本文所述的解析法，既能很高的精度又便于利用计算机进行多方案的比较选优。
门体在开闭时作刚体平面运动。
安装在门体上的支承臂动铰链点C和约束杆动铰链点B随之运动。
根据刚体平面运动理论可知当刚体从位置Ⅰ运动到位置Ⅱ时，（见图3）其上任一点C的运动可分为随参考点M的移动和绕M点的转动两部分。
此时两者的位置有如下关系：
（2）
图3刚体平面运动两点间的关系
而式子中，分别为MC在位置Ⅰ、Ⅱ时的位置角，为刚体从Ⅰ运动到Ⅱ时的偏转角。
（各角均以逆时针为正）
（3）
而代入（3）得（4）
（4）式表明：
C点位移后的位置仅与其原位置、参考点位移前后的位置、以及相对偏转角有关，而与位置角、无关，这一结论适合于刚体上所有的点。
现取车身门框后柱外角点位坐标原点，如图2所示，X轴指向车身后方，Y轴指向车身外侧。
则参考点M在初始位置及Ⅰ、Ⅱ两个位置（即刚开和全开）时的坐标分别为由（4）式可知，当门体从初始位置运动到Ⅰ、Ⅱ两个位置时，门上铰链点C的位置分别为：
（5）
（6）
由于摇杆的长度是不变的，即C点无论在任何位置始终与固定铰链中心D（dx，dy）保持着相等的距离，故有：
（7）
（7）式可化简为：
（8）
将（5）、（6）两式分别代入（7）式的两个式子中，并整理后可得：
（9）
（9）式表达出支承臂的动铰点C（cx，cy）与固定铰链中心D（dx，dy）的关系，两者中只有确定一个就可以由方程组解出另一点的坐标。
由于D点代表的是驱动机构的中心，通常有一定的安装要求，故可先按安装尺寸确定D（dx，dy）点。
于是（9）式就成为关于，Cy的二元一次方程组。
可改写为：
（10）
其中：
（11）
根据克莱姆法则，可解得：
（12）
同理可给出约束杆动铰链点B（bx,by）与固定铰链点A（ax,ay）的关系式：
（13）
当先确定A（ax，ay）点时，（13）式可改写为：
（14）
其中：
（15）
（16）
支承臂长（17）
约束杆长（18）
门上铰链中心距（19）
固定铰链中心距（20）
必须指出，这样解出的四杆机构在理论上是正确的，但在实际结构上还必须考虑某些限制条件。
首先，在X方向上，Ｃ点和Ｂ点不能落到Ｎ点之外。
在Ｙ方向上Ｃ点门内板之距（my-cy）既不能过小也不能过大。
过小则安装铰链有困难，过大则在门全开时支承臂外圆会与车身外侧发生干涉。
同样B点到门外板之距（-bd）也不能过大或过小，否则均难以安装铰链。
各支承臂头部最大外径为，约束杆头部最大外径为，则C、B的位置应满足：
（21）
（22）
计算出结果只要有一个不能满足上述结构限制，就要调整预选的A点或D点的位置，重新计算。
用解析法进行车门运动校核
在实际设计中为了了解在开门的最初阶段，亦即门体由闭合位置到刚离开门框这一阶段中，门体上特征点M的运动轨迹，以便设计装于门与门框之间间隙中的密封件。
另外，在此后的开门过程中，门体偏转角经历了逐渐增大达到最大值，再逐渐减小到的变化，而的大小反映了车门平动性的优劣。
所以有必要对已求得的四杆机构进行运动校核。
求出当原动件支承臂CD转至不同转角时，对应的门体特征点M的位置以及门体偏转角。
用解析法比图解法精确度高的多而且能避免大量的动作图工作。
当原动件CD由初始角转至某一角度时，C点位置为.M点随之运动由M（mx,my）至（）此时以C点为参考点，由公式（4）可知：
（23）
由图4可知：
（24）
图4车门四杆机构位置关系
将（24）式以及已知的mx=-G，my=-T代入（23）得：
（25）
式中，而分别为连杆BC的瞬时位置角与初始位置角。
而
（26）
式中是约束杆AB的瞬时位置角，也是随而变化的。
由图4可知：
在三角形中根据余弦定理有：
而
（27）
式中的可在三角形中根据余弦定理解出：
（28）
式中是两固定铰链中心连线AD的位置角，是个常量：
（29）
的初始值即门关闭时CD的位置角，一般>
（30）
即的终值即门全开时CD的位置角一般<
（31）
在（-）范围内，从开始以一定的增量，逐点依次代入（28）、（27）等式，求出对应的及，在将代入公式（26）求得，再将代入公式（25）求得。
便完成车门的校核。
所以可以假设某客车门宽度MN=800mm，如要求净开度L=700mm，门缝间隙G=10mm门体厚T=50mm，全开时门内板到本身外壁之距W=90mm。
可以确定车门运动机构各参数。
为此将求解四杆机构以及校核计算可编成为框图形式，框图可见图5。
一般现在驱动机构安装许可范围内选择两固定铰链中心A（ax,ay）和D（dx,dy）再在O-T范围内选择。
这样有许多种可能的组合。
将各组预选参数进行计算求出相应的bx,by,cx,cy及、；构成各个设计方案。
然后再进行校核，考察比较其结果。
一般希望最大偏转角在在以内，原动件支承臂的摆幅在左右为宜。
部分计算结果列于表1。
表中除了列入运动机构的设计参数还列入校核结果。
其中反映出门全开时占用空间的情况。
READ,,l,G,W,T
D,
END
判断
cx,cy,bx,by
合适？
N
N
图5计算框图
给定参数：
单位（mm）
1
2
3
4
5
预选参数
ax
-370
ay
-185
-195
dx
35
25
dy
-185
nly
25
22
20
计算结果
bx
-766.18
-769.07
-771.14
-772.03
by
-46.17
-31.40
-21.00
-26.54
cx
-351.92
-362.10
-363.13
-363.82
cy
-93.10
-92.20
-86.97
-83.48
419.80
427.58
433.37
434.62
303.69
398.07
400.32
401.86
校核结果
3.86
3.88
4.51
4.96
5.12
130.97
130.73
128.34
128.42
mymax
276.32
276.49
276.87
277.39
279.02
表1部分计算结果
从表1中可看出，任一参数变化都将提出不同的结果。
由于直接与的大小有关，故的变化对结果的影响较大。
从方案1-4可看出越小，也就是越大，在相同的ax、ay、dx、dy、条件下结果中、、、以及、都增大而、以及都有所减小。
在方案4中by=-21mm，显得离门外板过近，难于安装铰链。
故方案5通过增大来调节使by=-26.54，解决了铰链的安装，但稍大于。
根据计算出的，即可绘制车门特征点M的运动轨迹图。
图6即为按表1中方案3参数求得的M点轨迹图。
为了更清楚的了解刚开启时M点的运动情况，将M点从关闭状态到通过门框后柱外角点O（0,0）前后这一阶段的运动轨迹用放大的比例绘出便如图7所示。
X
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
Y30025020015010050
图6M点运动轨迹图
图7刚开门时的M点运动轨迹
至此本文机械设计所述是用解析法按给定的车门位置求解其运动机构各参数，并用解析法校核车门的运动轨迹的方法简单迅速，而精确度高。
并且便于各种方案的比较选优。
第2章气压传动设计
2.1气压传动的组成及优缺点
2.1.1气压传动的组成
气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。
气压传动的工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。
由此可知，气压传动系统和液压传动系统类似，气压传动的组成如下图8所示是由四部分组成的，它们是：
图8气压传动及控制系统的组成
1—电动机2—空气压缩机3—气罐4—压力控制阀
5—逻辑元件6—方向控制阀7—流量控制阀8—行程阀9—气缸
10—消声器11—油雾器12—分水滤气器
（1）气源装置是获得压缩空气的装置。
其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能；
（2）控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环，它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等；
（3）执行元件是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置。
它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马在等；
（4）辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。
气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。
气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。
这主要是因为气压传动与机械、电气、液压传动相比有以下特点。
2.1.2气压传动的优点
（1）工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。
气体不易堵塞流动通道，用之后可将其随时排人大气中，不污染环境；
（2）空气的特性受温度影响小。
在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸。
且温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能；
（3）空气的粘度很小（约为液压油的万分之一），所以流动阻力小，在管道中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送；
（4）相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需0.02~0.3s就可达到工作压力和速度。
液压油在管路中流动速度一般为1~5m/s，而气体的流速最小也大于10m/s，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速；
（5）气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力。
液压系统要保持压力，一般需要能源泵继续工作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变；
（6）气动元件可靠性高、寿命长。
电气元件可运行百万次，而气动元件可运行2000~4000万次；
（7）工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越；
（8）气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护。
2.1.3气压传动的缺点
（1）由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载变化时，对工作速度的影响较大；
（2）由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。
在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。
气压传动装置的输出力不宜大于10~40kN；
（3）气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。
同时实现生产过程的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的；
（4）噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。
2.2气动元件和选择
2.2.1执行元件
气动系统常用的执行元件为气缸和气马达，气缸用于实现直线往复运动，气马达用于实现连续回转运动。
气缸
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