吳東（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥　230051）

基于UG的四連桿機構平移式側艙門設計

吳東
（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

介紹通過UG NX8.0軟件進行客車四連桿機構平移式側艙門設計的過程，并基于UG NX8.0軟件的運動仿真功能，校核分析四連桿機構平移式側艙門的運動狀態(tài)，提高設計效率。

客車；平移式艙門；四連桿機構；仿真設計

隨著客車數量的不斷增加，客運站內停車的空間越來越狹小，在有限的空間內就會出現(xiàn)存取行李時，上掀式側艙門無法完全開啟的現(xiàn)象，給乘客造成不便。因而客戶在購買客車時會逐漸傾向于選擇開啟時占用空間小的平移式側艙門的車型。同時，四連桿機構平移式側艙門具有工作可靠、結構簡單、開關速度快等優(yōu)點［1］。

1　平移式側艙門的結構及工作原理

1）平移式側艙門的結構?？蛙嚻揭剖絺扰撻T結構如圖1所示，由側艙門、軸承座、轉軸、彎臂、主動軸、下平衡桿、氣彈簧、門鎖等組成。為了便于安裝調整，轉軸、彎臂、下平衡桿通常設計帶有30～40 mm螺紋，轉軸支座、下平衡桿支座設計成長孔結構［2］。

圖1　四連桿機構平移式側艙門結構

2）平移式側艙門工作原理。四連桿機構平移式側艙門是以氣彈簧為動力源，通過外力的作用使轉軸發(fā)生轉動，實現(xiàn)艙門的開啟和關閉。艙門關閉時，在氣彈簧力和艙門總成重力的作用下產生負力矩，使艙門處于自鎖狀態(tài)［3］，同時壓緊密封條，并通過鎖機鎖住艙門；艙門開啟時，通過外力拉動艙門，當轉軸轉過一定角度后，氣彈簧產生的轉動力矩大于側艙門和四連桿機構的自重產生的力矩，側艙門自動上升，直到氣彈簧達到最大工作行程。

2　基于UG的平移式側艙門設計

2.1側艙門門板及骨架設計

在UGNX8.0軟件中，產品建?？梢圆捎脧牡紫蛏显O計方式或自頂向下設計方式。本文選用自頂向下設計方式。首先新建一個裝配部件，將車架、側圍骨架及外蒙皮組件添加到部件中，然后利用上述已有組件，在裝配部件中建立幾何體，最后將幾何體添加到創(chuàng)建的組件中。側艙門建模的具體步驟為：首先根據車身斷面繪制艙門門板截面弧度線，根據側圍骨架中裙立柱位置確定艙門門板長度，使用拉伸命令完成艙門門板片體設計。在設計過程中，為保證艙門打開過程中不與其它部件或艙門干涉，設計時艙門上方與車身外蒙皮預留6～8 mm間隙，兩艙門之間預留5 mm間隙。其次是鎖體拉手安裝孔以及側標志燈安裝孔設計，側標志燈安裝孔按照GB4785-2007［4］及整車布置的要求進行開設。在三維數模中以拉手安裝孔中心點創(chuàng)建與門板相切的草圖平面，進入草圖環(huán)境繪制拉手安裝孔，退出草圖后使用修剪片體命令完成安裝孔的設計，最后對片體加厚處理形成實體。設計時拉手安裝孔的高度通常布置在側艙門的中部偏上位置。如果拉手高度太低，則會造成在側艙門開啟的瞬間，出現(xiàn)艙門下沿先打開、上沿后打開的現(xiàn)象，造成艙門開啟困難。

側艙門骨架分為兩類，即安裝梁和加強筋。安裝梁包括安裝彎臂支座、下平衡桿支座等使用的型材，一般采用40×30×2鋁材。彎臂安裝梁的位置可根據彎臂的間距及外形大致確定一個位置，最后再根據四連桿機構尺寸最終確定；而下平衡桿支座的安裝梁的位置需要考慮關門時，下平衡桿不能與艙門兩側密封膠條干涉，一般距離門板邊緣80～110 mm。在遵循輕量化原則的基礎上，加強筋可以靈活使用，也可使用板材折彎，盡量做到布局整齊、美觀、實用。根據以上原則對側艙門骨架建模，創(chuàng)建時首先以艙門門板為參考，對門板的豎直邊使用抽取命令獲得邊曲線，再以該曲線通過變化掃掠命令繪制型材截面并完成掃掠，最后對掃掠體修剪，完成一安裝梁建模。通過同樣方法可以獲得其它安裝梁和加強筋的建模。完成后將創(chuàng)建的建模幾何體添加到側艙門組件中，這樣，在UGNX8.0軟件中創(chuàng)建的側艙門門板及骨架三維數模如圖2所示。

圖2　側艙門門板及骨架

圖3　側艙門最大舉升高度

2.2四連桿機構的確定

1）確定最大舉升高度。理想的舉升高度是等于門體本身在z方向的總高（H）［5］，即側艙門在開啟位置時，需保證艙門的下邊緣與關閉時的上邊緣相平齊，最大舉升高度等于H?？紤]到艙門舉升太高，不方便關閉，通常最大舉升高度略低于側艙門上沿50～100 mm，本文中取低于側艙門上沿80 mm。在UGNX8.0軟件中通過移動組件命令復制一個側艙門，并將復制的側艙門移動到所需開啟位置，如圖3所示。

2）確定轉軸、主動軸及下平衡桿的位置。如圖4所示，在側艙門中確定彎臂支座中心點O1的位置及下平衡桿在艙門上O2的位置，O1點一般設計在側艙門的中心附近，O2點則盡量設計在艙門的最下端。以O1點建立一yz平面，當側艙門被舉升到最大高度位置時，側艙門上的O1、O2兩點也相應地移動到O1'、O2'點，連接O1O1'、O2O2'，并將O2O2'線投影到y(tǒng)z平面上。在yz平面作O1O1'、O2O2'的垂直平分線k和m，并在k上取一點O3作為轉軸的固定點。在結構允許的情況下，O3盡可能地靠近側圍蒙皮外表面，從而避免在側艙門剛開啟時其上邊緣盡可能地水平移出，減少門縫間隙。連接O1O3，O1O3的長度便是彎臂的回轉半徑R。過O4'點做平行于O1O3的平行線n，線m與n的交點O4，即為下平衡桿固定支座的軸點，連接O3O4，則為四連桿機構的機架［6］；一般下平衡桿的回轉半徑R1要求比轉軸的回轉半徑R略大，R1通常≈1.05～1.1R。根據繪制的四連桿機構結構依次建模轉軸、主動軸、彎臂、下平衡桿、軸承座等四連桿機構組件。

圖5　氣彈簧的三維數模及安裝位置

2.3氣彈簧相關參數的確定

通常氣彈簧初選時公稱壓力可定為側艙門自重的3倍左右、總長可定為側艙門總高的70%左右，本文側艙門重量為15 kg、高度為880 mm，所以選擇公稱壓力為45 kg、總長為650 mm的氣彈簧兩根。然后在UG NX8.0軟件中，根據側艙門舉升高度、安裝位置及自鎖角要求，確定氣彈簧規(guī)格及鉸支點位置［7］，如圖5所示。具體步驟為：在側艙門最大舉升高度狀態(tài)，以任一彎臂中心軸線創(chuàng)建yz'平面，在yz'平面中設定O5點作為氣彈簧在彎臂上的安裝點，以O5點為圓心、氣彈簧總長為半徑繪制圓S；再將轉軸固定點O3點投影到y(tǒng)z'平面，得到O3'點，以O3'點為圓心，O3'O5為半徑繪制圓S1。過O5點作一條與水平面夾角為2°的直線m'，直線m'與圓S的交點即為氣彈簧的另一安裝點O6。連接O3'O6，與圓S1相交于O7點，O6O7點之間距離為氣彈簧的最短距離L短，經測量L短=430 mm。根據得出氣彈簧的mm，結合廠家現(xiàn)有氣彈簧規(guī)格，選擇L有效行程為270 mm。

最終確定氣彈簧基本參數：等級為A級；氣缸外徑為22 mm；活塞桿外徑為10 mm；總長650 mm；有效行程為270 mm；公稱力為450 N；氣彈簧規(guī)格為YQ10/22 -270-650（B-B）-450 N?？紤]到艙門在運動過程中氣彈簧的活塞桿與壓力管存在相對運動，為了便于運動過程仿真校核，在設計時將活塞桿與壓力管作為兩個組件分開建模，長度各按270+55 mm（55 mm為廠家給定氣彈簧單端最短工藝長度），通過接觸對齊約束裝配到部件中。

3　運動過程及受力分析

3.1在UG NX8.0軟件中運動過程仿真校核

對建模好的各組件進行裝配約束，首先對底架和側圍骨架使用固定約束，然后使用接觸對齊約束、距離約束以及中心約束等約束類型對各組件約束，最終使軸承座處于完全約束狀態(tài)，側艙門、轉軸、彎臂、主動軸、氣彈簧、下平衡桿處于部分約束狀態(tài)。在UGNX8.0軟件中使用移動組件命令，選擇轉軸作為移動組件，變換選用動態(tài)選項，按zc軸旋轉，旋轉角度設置為132°（最大舉升高度位置），捕捉設為2，動畫步驟參數設為300（動畫步驟數值越大，動畫越慢），回車后觀察側艙門開啟動畫效果及結束位置，再將旋轉角度設置為-132°，即可觀察關閉動畫效果。也可通過設置不同旋轉角度值，觀察艙門運動過程中的瞬間位置，檢查各組件是否存在干涉現(xiàn)象。

經校核，本艙門在開啟以及關閉的運動過程中，各部件之間無干涉現(xiàn)象，說明該四連桿機構在尺寸參數設計上合理。圖6所示為其開啟水平狀態(tài)。

圖6　艙門水平狀態(tài)

3.2受力分析

由于在UG NX8.0軟件中只能模擬出艙門運動軌跡，無法驗證在某一力矩下，艙門是否能夠被順利舉升或關閉，所以四連桿機構經UGNX8.0仿真校核確定相關參數后，還需要結合工程力學對側艙門機構進行受力分析和計算，從而確認側艙門開啟時的舉升力矩和關閉時自鎖力矩是否合理。

四連桿機構的側艙門受力非常復雜，為了便于分析，在計算中通常將側艙門及四連桿機構分別看作一個質點，質心通過其中心，其重量分別用G1、G2代替［9］。在分析中忽略下平衡桿的重力和摩擦力。這樣，側艙門所受的轉動力矩有側艙門自身重量產生的轉矩M1、四連桿機構重量產生的轉矩M2和氣彈簧舉升力產生的轉矩M3，整個系統(tǒng)所受到舉升轉矩為M=M3-C×（M1+M2），公式中C為修正參數，C通常取1.2～1.4。為保證側艙門的正常開啟，舉升轉矩M＞0。

由于彎臂轉到為水平位置時，阻力矩M1和M2最大［10］，此時要求舉升轉矩M＞0。通過測量三維數模中的各力力臂，計算出舉升轉矩M=M3-C×（M1+M2）=900× 0.12-1.2×（150×0.49+40×0.18）=11.16 N·m＞0（式中C 取1.2），能保證側艙門的正常開啟。

當側艙門關閉時，還應產生一個自鎖力矩，使得側艙門在關閉狀態(tài)下緊閉，不會自動彈開。一般自鎖力矩設計在30～60 N·m之間，同樣通過計算可以得出M自鎖=M1+M3=150×0.095+900×0.04=50.25 N·m。

4　結束語

運用UGNX8.0軟件設計的四連桿機構平移式側艙門，通過UG運動仿真功能可直觀地觀測艙門的運動過程。在設計過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)各運動部件是否存在干涉現(xiàn)象，并可驗證各部件是否合適，避免出現(xiàn)二維設計中的不足。用此方法設計的艙門已研制出樣品并量產。

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［4］全國汽車標準化技術委員會.汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規(guī)定：GB 4785-2007［S］.北京：中國標準出版社，2007：11.

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［9］沈中華.平移式后發(fā)動機艙門四連桿機構的設計及附件選擇［J］.客車技術與研究，2007，29（3）：32-34.

［10］陳成立.平移擺式行李艙門四連桿機構的設計［J］.客車技術與研究，1999，21（1）：16-19.

修改稿日期：2016-03-05

Design of Translational Hatch Door with Four-link Mechanism Based on UG

Wu Dong
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

The author introduces the process of translational hatch door design with four-link mechanism for bus/ coach by UG NX8.0 software，checks and analyzes the movement state of the translational hatch door with four-link mechanismbased on the motion simulation function ofUGNX8.0 software.This can improve the design efficiency.

bus/coach；translational hatch door；four-link mechanis；simulation and design

U463.83+4

B

1006-3331（2016）04-0036-03

吳東（1975-），男，工程師；研究方向：客車車身結構及附件。