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基于CATIA的手动平移舱门受力分析

2020-10-20王飞宇

汽车实用技术 2020年15期
关键词:舱门受力分析客车

王飞宇

摘 要:文章以北方客车BFC6123系列车型某一四连杆机构的手动平移舱门为例,使用CATIA零件模块和装配模块进行三维建模及CATIA的DMU模块(数字运动机构仿真)进行运动幅的约束和仿真,从而模拟手动平移舱门的整个运动过程,并针对舱门运动过程中的四种状态进行受力分析和运动校核,通过分析与校核提高了手动平移舱门设计的可靠性和便利性。

关键词:客车;舱门;手动平移;受力分析;运动校核

中图分类号:F570.71  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2020)15-142-04

Abstract: Taking a translational hatch door with four-link mechanism of North Bus BFC6123 series as an example, this paper carries out 3D modeling and simulates the motion process of manual translational door based on CATIA. The four states in the process of the door movement are analyzed and checked, and the reliability and convenience of manual translation door design are improved.

Keywords: Coach; Hatch door; Manual translational; Force Analysis; Movement check

CLC NO.: F570.71  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2020)15-142-04

前言

随着人们对出行和旅游的热情日益激增,客车数量随之大幅增长,客运站及景区停车场的客车停泊密度亦愈来愈大。上翻式侧舱门因车辆间距小而导致无法完全开启,不便于乘客取放行李;而手动平移侧舱门具备开启时占用空间小、开启度大、取放行李方便、舱门变形量小、工作可靠和开关速度快等优点,因而备受推崇[1-3]。但手动平移舱门若设计不合理,容易出现启闭费力、举升无力、关闭不严等问题,需精准设计以确保其具有平滑可靠的启闭过程及良好的密封。

下面以北方客车BFC6123系列车型某一行李舱洞口的手动平移机构及侧舱门为例,基于CATIA软件、针对舱门运动过程中的四种状态进行了受力分析,并对舱门的运动过程进行了校核,避免了在设计中出现上述不合理的问题。

1 手动平移舱门的结构及工作原理

1.1 手动平移舱门的结构

手动平移舱门的结构由回转机构总成(含支撑座总成、转轴、主动轴、弯臂及其支座、平衡杆总成及其上下支座、气动撑杆支座)、侧舱门(含门板、锁止机构、门锁和连接手动平移机构用的预埋板)、气动撑杆及车身结构(含平衡杆支座预埋件、气动撑杆支座和舱门密封结构等)组成。主要零件见图1所示。其中,转轴、弯臂、平衡杆和气动撑杆等的支座等均设计为带长孔的可調整结构,并且转轴、弯臂、平衡杆带有长度为30mm~40 mm正反丝的螺纹段,以便于该结构的安装和调整[4-5]。

1.2 手动平移舱门的工作原理

手动平移舱门的整个运动过程,分为完全闭合、完全开启和中间运动过程三个状态。

手动平移舱门完全闭合状态下,通过人的拉力将舱门抬升一定高度后松手,舱门在气动撑杆的作用下,力矩通过弯臂作用于舱门,该力矩克服舱门自身重力产生的力矩后,将舱门举起,直到弯臂上的防撞块顶到车身的预埋件上,达到完全开启状态。

关闭舱门时,通过人的拉力,将舱门拉下一定高度后松手,舱门在自身重力和气动撑杆双重作用力下,自动关闭。为了保证舱门时刻保持与车身呈基本平行状态,平移机构设有平衡杆,来保持舱门整体运行平稳、不至于翻转。舱门关闭后,依靠气动撑杆、舱门自身重力及门锁的锁紧力来共同压紧安装于车身的胶条,使得舱门与车身密封严实、可靠[6-7]。

2 运动过程及受力分析

2.1 理论模型的建立

为了更好的研究和分析舱门的运动过程,将整套结构简化为理论模型如下:

(1)弯臂的上端与旋转轴刚性连接,弯臂的下端通过弯臂支座与舱门上的预埋件铰接。在下面的受力分析中,将舱门视作重物,重心直接作用于铰接点,即重力方向由铰接点竖直向下,同时弯臂的强度高,为刚性梁,受力分析时取直;

(2)平衡杆的上端通过平衡杆上支座与车身铰接,其下端通过平衡杆下支座与舱门的预埋件铰接。由于平衡杆仅为保持舱门状态的平衡,对舱门的作用力很小,在受力分析中予以忽略不计;

(3)气动撑杆的一端与弯臂上的短臂铰接,该短臂与弯臂成一定的角度,气动撑杆的另一端通过气动撑杆支座铰接于车身;

(4)为了简化模型,假设上述所用铰接、转轴处均为理想状态,即不考虑各种状态下的摩擦力;

(5)从舱门完全关闭到舱门完全打开,运动机构内部受力大小、方向等整体状态时刻改变,模型选取以下四个状态节点做详细分析:舱门完全关闭状态、气动撑杆死点状态、受力平衡点状态和完全打开状态。在四个状态节点之间的状态,为中间过渡过程,各个状态区间只有受力大小的变化,受力的方向没有变化;

(6)行李舱门和手动平移机构选取北方客车BFC6123系列车型的某一行李舱洞口为例,使用CATIA零件模块和装配模块进行三维建模,使用CATIA的DMU模块(数字运动机构仿真)进行运动副的约束和仿真,模拟该结构的整个运动过程,参见图2和图3。

该建模所用舱门的重力为250N,所用的2根气动撑杆的公称压力T均为700N,一般气动撑杆初选时的公称压力为侧舱门自身重力的3倍左右[5]。

2.2 在CATIA软件中的受力分析

在建立的理论模型基础上,分别对舱门完全关闭状态、气动撑杆死点状态、受力平衡点状态和完全打开状态进行受力分析,计算过程和结果如下。其中:M1为气动撑杆举升力产生的力矩,M2为舱门自身重力产生的力矩,M为整个舱门所受到的合力矩。

2.2.1 舱门完全关闭状态

舱门完全关闭状态时,主要零件位置见图4。

该力矩是完全闭合状态下的舱门自锁力矩,其可以保证舱门关闭可靠、胶条密封严实。当打开舱门时,需克服此力矩,若以垂直于力臂的方向向外拉舱门,如图所示力F,那么拉力F的大小为:F=M/S2=64/0.52=123N。

即在舱门完全关闭状态下,手动拉力打开舱门的最小力值为123N。

2.2.2 气动撑杆死点状态

舱门未完全打开,气动撑杆处于死点状态时,主要零件位置见图6。

该状态时的受力情况如图7所示:

2.2.3 舱门受力平衡状态

舱门处于受力平衡状态时,主要零件位置见图8。

2.2.4 舱门完全开启状态

舱门处于完全开启状态时,主要零件位置見图10。

舱门处于完全开启状态时,气动撑杆接近最长,受力情况如图11所示:

3 结束语

根据上述计算结果可知,该车型的手动平移舱门能够实现启闭省力、举升有力可靠并且能达到密封严实有效。

但是由于理论模型分析均忽略了各种摩擦力和阻力,并且各种摩擦力和阻力的方向均为运动方向的相反方向,故打开和关闭手动平移舱门时所用的力要比理论计算值略大,受力平衡位置也比理论计算高度略高。同时,由于理论模型是基于整套结构装配完好的状态,即旋转轴与支座、气动撑杆连接轴与支座、弯臂与舱门支座完全同轴,并且气动撑杆运动轨迹面与门板平面垂直,但实际装配后存在一定的安装误差,从而造成力在非有用方向上的分解,也会对舱门开关造成一定的影响。

参考文献

[1] 陈永军.客车侧舱门铰链浅析[J].客车技术与研究,2004,26(4): 25-27.

[2] 文广南.客车行李舱门四连杆结构的探讨[J].客车技术与研究, 2003,25(3):21-24.

[3] 付强,孙雪玲,倪永智.上摆式客车行李舱门的设计[J].沈阳航空工业学院学报,2004,21(2):37-38.

[4] 李小龙.YCK6938H 型客车平移式行李舱门四连杆机构的设计[J].客车技术与研究,2004,26(3):24-25.

[5] 吴东.基于UG的四连杆机构平移式侧舱门设计[J].客车技术与研究,2016,4:36-38.

[6] 沈中华.平移式后发动机舱门四连杆的设计及附件选择[J].客车技术与研究,2007(3):32-33.

[7] 淡润民,李银坤.客车气动平移式行李舱门的设计[J].汽车零部件, 2012,07:70-73.

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