杨钊，严鹏鹏，付才

（陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710043）

前言

目前，自卸车后门启闭机构存在拉杆式、链条式、摇杆式以及液压式等多种形式。其中，链条式启闭机构因其结构简单、成本低廉、维修方便而被广泛应用。但该启闭机构只有在货箱举升角大于等于其完全开启角（一般为5°～8°）时后门方可完全开启，而在货箱举升、后门尚未完全开启时（后门与后锁钩搭接尚未完全脱离），货物倾卸挤压后门，启闭机构受力过大；此外，启闭机构在完全开启的瞬间，货物快速涌出，后锁钩来不及完全落下将受到极强的冲击力。长此以往，将导致启闭机构形变甚至损坏，维修频次较高，并且导致后门存在间隙而闭合不严，造成运输途中道路抛洒现象严重。

针对上述情况，特此设计一种自卸车气囊链条式后门启闭机构，该机构与传统刚性后门启闭机构相比有较大区别，该机构以特制的橡胶气囊替代传统结构中的缓冲件（多为橡胶垫块或弹簧，如图1），借用底盘气源控制后门启闭。有效避免了原机构“晚开”的弊病，并兼备自动补偿间隙的作用。

图1 传统启闭机构

1 机构组成及其工作原理

该后门启闭机构可分为控制部分、调距部分和锁紧部分。主要由行程开关1、蓄气瓶2、单向阀3、两位三通电磁阀4、调整螺杆5、调整螺母6、橡胶气囊7、锁紧下支座8、链条9、锁紧上支座10、翻转销11及后锁钩12等部件连接而成，如图2所示。

控制部分包括布置在副车架两侧腹板上的行程开关、底盘蓄气瓶、单向阀和两位三通电磁阀。行程开关接收箱体举升、下降的控制信号并将其传递给电磁阀，电磁阀一端通过气管路分别与单向阀及蓄气瓶相连，另一端与橡胶气囊相连。通过行程开关的控制信号可对橡胶气囊的充放气状态进行切换。如图3所示，行程开关布置于副车架腹板，距翻转轴水平间隔为 A（A与行程开关的行程及后门完全开启角度相关）。

图2 锁紧状态示意图

图3 开启状态示意图

调距部分包括锁紧下支座、调整螺杆、橡胶气囊及调整螺母。橡胶气囊的充气行程大于调整螺杆的螺纹长度，橡胶气囊充气时该启闭机构处于锁紧状态，放气时处于开启状态。

锁紧部分包括锁紧上支座、翻转销、后锁钩及链条。链条的张紧与松弛控制后锁钩相对于后门的锁紧与开启。

在驻车状态卸货时，货箱举升，行程开关自动感应并控制电磁阀使得在货箱举升至完全开启角度之前橡胶气囊便处于放气状态。此时链条处于松弛状态，后锁钩相对于货厢后门的压紧力消除，后锁钩此时为自由下垂状态，其相对于销轴的旋转方向不受力。使得启闭机构提前于完全开启角打开，有效避免了后门启闭机构在卸货时受到的冲击力。

在卸货完毕货箱回落后，行程开关感应并自动控制电磁阀使橡胶气囊处于充气状态，启闭机构锁紧。并具有针对整个后门启闭机构补偿锁紧的作用，杜绝了后门闭合不严的隐患。

2 可行性分析

下面针对该气囊链条式后门启闭机构的可行性进行说明。现有一自卸车货箱内部尺寸为5400×2300×1200（mm），运输介质为沙土，密度 ρ≈1.15t/m³，橡胶气囊设计内径Φ130mm，气囊与底盘气瓶连通，气压按0.8MPa，则单侧气囊的拉力为N气=πD2P/4=10.61kN，气囊拉力到翻转销轴心的力臂L气=95mm，后锁钩与后门接触点到翻转销轴心的力臂L后=185mm。由力矩方程：N气▪L气=N后▪L后，可知该启闭机构锁紧状态下对货箱后门施加的水平分力N后=5.45kN，车辆左右两侧均装备该机构，故后锁钩相对后门水平方向上的锁紧合力 N合=10.9kN，对后门铰链座处的转矩 M气=N合×1.32=14.388kN·m。

如图4所示，在箱内深度为x的平面上选取一段微元体进行研究，该微元体高度为dx，则其体积dv为：

dv=LDdx （1）

式中，货箱内长为L，货箱内宽为D。

图4 货物受力分析图

该微元体的质量dm为：

针对该微元体进行受力分析可知，在其上部所受货物垂直压强假设为PV，则该微元体上表面所承载压力为LDPV。

在其下截面所承载的货物垂直压强为PV+dPV，下截面整体所承载的压力为LD（PV+dPV）。

货物自重引起的垂直压强为PV，从而导致相应的水平压强作用于货箱，大小为Ph，若二者间相对关系恒定，则有：

其中，Ψ为松散货物内摩擦角最小值。

水平压强 Ph垂直挤压货箱后门从而导致了沿其内壁的压强Pf为：

该微元体相对货箱内壁的摩擦力为：

其中，μ为货物相对货箱内壁的摩擦系数。

经过针对此微元体的受力分析能够写出其力学平衡方程如下：

由此可知：

由于装载货物为松散沙土的运输状况，暂不考虑货物与货箱内壁间的摩擦情况，即μ≈0，则有：

则垂直压强Pv的积分方程为：

则深度为x处的垂直压强Pv为：

Pv=ρgx （11）

将式（11）带入式（3）可得，深度为 x处的水平压强Ph为：

Ph=kPv=kρgx （12）

故可知，货物对货箱内壁的水平压力与其相对深度是呈线性递增关系的，取x为货箱深度时，货物对货箱内壁的水平合力为：

如图5所示，货物对于后铰链轴的扭矩为：

图5 后铰链轴受力分析图

由松散货物（沙土）内摩擦角最小值等于货物安息角，取Ψ=30°，将其带入式（4）则k=0.3。货物深度按实际箱高，则x=1200mm，带入式（14）则M料=4.84kN·m。

对后铰链轴而言，比较该锁紧装置与货物分别对其转矩可知，安全系数η=M气/M料=2.97。即该气囊链条式后门启闭机构安全系数η=2.97＞1，可知该机构满足相关使用要求。

3 产品特点

通过安装于副车架的行程开关可自动控制启闭机构，实现后门启闭的智能化控制。该机构通过行程开关及电磁阀可以对链条的张紧与松弛进行控制。当自卸车行驶状态或货箱未举升时，行程开关未接通，电磁换向阀不工作，橡胶气囊处于充气状态，链条张紧而启闭机构处于锁紧状态。当举升卸货时（此处设定角度=3°＜完全开启角），行程开关通路，两位三通电磁阀换向使得橡胶气囊处于放气状态，此时链条处于松弛状态，后锁钩相对于货厢后门的压紧力消除，后锁钩此时为自然下垂状态。有效避免了货厢举升、后门尚未完全开启时，货物对后门挤压导致后门启闭机构承载过大的情况，防止了后门启闭机构形变甚至损坏；避免了后门在完全打开的时候，货物倾泻而出，后门启闭机构因此而受到的较强冲击力。

由于橡胶气囊的设计充气行程大于调整螺杆的长度，该机构可针对整个后门启闭机构拉伸形变自动补偿，起到补偿间隙的作用，使得箱体后门一直保持最佳闭合状态。针对传统刚性启闭机构受力不均及磨损变形的情况，杜绝了后门闭合不严的隐患，避免了道路抛洒现象的发生。

对于行程开关与后翻转轴的间距A值，适当选取可有效操纵该机构的启闭。A值过小，设定开启角度越大，机构晚开依旧；A值过大，设定开启角度越小，复杂路况时颠簸造成机构意外开启的几率也越大。因此要根据不同车型合理选择A值，方可在保障该机构正常运行的同时，兼顾行车安全。

4 结论

本文通过介绍一种气囊链条式后门启闭机构，表明了该后门启闭机构在自卸车领域具有以下特点：

（1）智能化自动控制，无须驾驶员操纵，弹性锁紧，自动补偿形变。

（2）借用底盘气源，以此为动力操纵整个机构，无需单设动力源，成本低廉，功能可靠。

（3）该机构作为一种工程机械的安全保护装置，效果显著，安装、维修方便，适用性强。

[1] 郝建根.矿用自卸车货箱后门启闭机构的设计探析[J].商用汽车,2012(6).

[2] 徐达.专用汽车结构与设计[M].北京：北京理工大学出版社,1998.12.

[3] 冯庆东220t矿用自卸车的设计计算及应用研究[M].北京：中国水利水电出版社,2014.8.