【客车车门开闭气动装置的设计和布置探究（论文）8700字】

客车车门开闭气动装置的设计和布置研究摘要车门是客车的重要组成部分，是乘客上下车的通道，对客车整体造型起着重要协调作用。客车车门设计的好坏与整车性能及使用密切相关，车门的设计是车身设计中的重点和难点，因为其不仅仅是机械结构部件，还涉及防尘密封、降音隔噪、运动机构、标准法规等一些列问题。本文通过分析目前市面上常见的各种车门结构及性能的优缺点分析，设计了一种客车外摆式车门四杆机构，主要内容如下：1、通过计算得出车门结构尺寸、运动路线等，并利用AutoCAD绘制了原件图。2、查阅教材等文献书籍，根据设计原理得出气缸形态，选择气动元件，设计气动回路图。关键词：客车车门；气压系统设计；气缸1绪论1.1对于车门研究的目的与意义客车车门是客车的重要组成部分之一，在客车中起着重要的作用。车门的优化设计的意义不仅仅在于外观上给客车带来的的美感，同时也能够减少空气阻力，带来良好的空气动力性，因此也能起到一定的节省油耗作用，从而大大减少了废气排放，为环保献出了一份力量。同时，就客车的使用角度来讲，车门是驾驶员和乘客出入车辆的通道，也是隔绝客车内外环境的装置，客车车门的设计是否合理，直接决定了乘客上下车的效率，也影响乘客在乘坐客车时的舒适性，甚至是乘客的人身安全。因此，在人们对客车舒适，质量不断的要求下，开发新型的大客车车门装置成为了首要任务。1.2客车技术现状1.2.1车门的发展随着汽车的不断发展，汽车的配件也在不断的提高品质。在最初第一辆汽车发明的时候，车速只有每小时四公里，这样的客车不要说ABS等装置，连最基本的车门都没有。但是随着汽车的不断发展，以及人们生活水平的不断提高，对汽车的要求也越来越高，各种提高性能的配件也逐渐增加，质量逐渐增强，车辆构造也越来越完善。伴随着车速不断的提高，对车辆的密闭性要求也越来越高。从最初的敞篷汽车开始，驾驶室就已经被设立为一个独立封闭的空间，因为这样不但可以提高驾驶员的舒适性，还可以有效的降低空气阻力。而伴随着这种需求，车门便产生了。一开始的车门只是简单的木门或者是铁皮门，随着对于车门密闭性的要求越来越高，单一材料的车门就无法满足需要，随着科技的发展，各种工业材料陆续出现，车门也开始由几种材料复合而成，固定支撑的部分由薄的钢材冲压而成，车门玻璃采用钢化玻璃，密封的部分采用密封橡胶，在提高了性能的同时，体积也大大减小。而伴随着人们对于美好生活的追求以及科学知识的进步，车门的作用也由原来的仅仅起到密封作用，进化到现在的美观，改善空气动力学等诸多作用。1.2.2国外研究与现状在国外，大型客车为了减少在行驶过程中的空气阻力，客车的外形设计一般建立在空气动力学的基础上，通常用曲线来代替车身上的折线，这样的外形结构不仅美观，而且可以有效的减少客车在行驶中受到的空气阻力。在这种设计中，不管是前围、侧围还是后方、侧面等地方全部得到圆滑流畅的过渡。因为前风窗与水平面之间夹角比较大，并且前后灯、侧窗的粘合都将嵌入车内，这种设计会使车身表面看起来非常光洁与平滑，并且降低了整车的高度等，这些设计有助于在客车行驶的时候减少客车受到的空气阻力。客车前风窗外两侧设立的超大后视镜，可以帮助司机充分了解行驶情况。目前，德国的一些大公司开始利用各种航空技术来对大型客车进行风动检测，因此客车在高速行驶时，在里面坐着的乘客会完全听不到车身与空气摩擦的、碰撞的噪音，极大地提升了乘坐舒适性。1.2.3目前在我国城市大型客车的发展趋势城市客车是城市客运的主要载体，我国城市客车的发展因国家加大城市基础设施建设力度与实施城市公共交通优先发展的政策进入了新一轮更新发展的时期。现代城市客车作为现代化城市中非常重要的配套设施，正努力地朝着大型化、低地板化、环保化、造型现代化、商务电子化等方向飞速地发展。能否真正地达到上述的目标也成为了各客车制造业产品市场竞争的焦点，即能否提供适应市场上的发展需求、技术含量与附加值高而又质量可靠的新型的客车产品。目前，中国的汽车品牌与国外有着一定的差距，但是近几年来，我国的民族汽车品牌不断引进国外的先进技术，并逐步完成了消化吸收的过程，正在研发自己的核心技术。1.3主要研究内容1、大型客车车门开闭机构的结构设计这其中包括：外摆车门的整体装配设计和运动路线分析，确定车门运动的各项参数并进行校核，设计车门装配零部件。2、大型客车车门开闭机构的驱动系统设计这其中包括：气压传动的构成及优缺点，气动机构的确定，气缸缸体的设计，气路系统的设计，气动元件的选择。3、利用AutoCAD软件绘制车门整体装配图，展示连接细节，绘制气动回路图、运动线路图。

1.4技术路线图

2外摆式车门简介2.1概述从汽车发明至今的二百多年间汽车工业迅速发展，并成为工业中重要的一部分。而汽车的外形也随着车速的不断提高，以及人们生活水平的上升而越来越重要。在汽车的外形中，车门便是非常重要的一个部分。在汽车车门设计中，轿车一般都是手动开关车门，只要关注车门外形的设计，以及车门美观和一些控制即可。而客车的车门不仅仅要考虑外形的美观，空气动力学特性，还要考虑车门的开关方式，以及一些安全功能。早些时候客车的车门一般选用折叠式车门较多，随着汽车工业的进步，逐渐有了转动车门和滑动车门。而如今在中高档客车中使用最多的则是外摆门，本文也将详细论述外摆式车门的设计理念以及工作原理。2.2车门类型客车车门有很很多种，根据不同的划分方法也可以将大型客车车车门分成很多种。按照车门开启原理划分，客车车门可分为折叠式、手拉式、旋转式等几种。（1）折叠式车门是相对比较老的车门型，这种车门结构比较简单，这种车门最大的问题是故障率高，因为折叠式车门内部使用气压缸直接驱动。这种车门的密封也不好，防尘效果，隔热防寒效果及隔音效果都很差，特别影响乘坐的舒适性。车门开启时，门扇的向内折叠也导致车门净开度减小，乘客上下车便利性不高。（2）手拉式车门则多用于小型汽车、小轿车中，在客车行业中，小型轻型客车中使用此种车门的较多，因为需要人力开关车门，这种门具有方便性，但是也因为比较浪费人力，相对落后，这种客车也因而逐渐淡出了城市交通。（3）旋转式车门，这种车门开关比较方便，密封性好，逐渐成为现代客车车门的主流。其中又分为内摆式和外摆式等，本文中主要讨论的便是旋转式车门的一种，外摆式车门。外摆式车门有着诸多的优点，首先是这种车门打开后完全在车厢外部，相较于内摆式车门，不但可以节省空间还可以将门开到最大程度。其次，外摆式车门可以更好的设计成与车身为一体的弧线，使外形更加美观，流线型更加流畅行驶中能减少空气阻力。还有就是相比于折叠式车门，外摆式车门的密封性要好很多，通过两条密封胶条的紧密配合可以使车内外基本上完全隔绝，这样便可以在车辆行驶中降低车内的噪音和灰尘，提高乘车的舒适性。外摆式车门大体上可以分为两部分，一部分是车门本体，另一部分是传动部件。车门本体一般由钢板冲压成型，并配以钢化玻璃。传动部分一般是由转轴，气压缸，传动部件等组成。2.3外摆乘客门的优点及缺点外摆式车门有更大的开度，因此外摆式车门的优点是显而易见的，这种车门可以将车门开启到和汽车门框同样的宽度，并且密封性也优于其他类型的车门，非常有效的提高乘坐的舒适性，再就是力学性能优秀，整体结构合理。外摆式车门不仅操作简单、快捷，还能够提高整车的空气动力学性能。当然外摆式车门也不是完美的，同样也存在着一些问题，比如外摆式车门整体的传动结构复杂，车门的开关需要使用气压缸来驱动，这些都会使整个车的成本提高，另外外摆式车门的锁止机构相对于其他结构更加复杂，后期的维修相应也就很有难度，本文中不做研究。此外，车门向外开启时也有可能会对等在车外的乘客造成伤害，所以这些问题在设计时都要尽可能的优化和避免。

3外摆式车门结构设计3.1外摆大型客车车门构造及工作原理外摆式车门的主要工作原理是四连杆机构，整个开门关门动作通过转轴旋转一气呵成，车身没有安装折叠门所需要的导轨。根据常见外摆式车门，初步设想详图见图3-1。1、车门2、门支座3、U型连杆4、转轴5、U型连杆6、驱动机构7、连接杆图3-1U型连杆3和5固定在轴4上面，车门1和连接杆7还有U型连杆3、5一同构成了一个完整的四连杆机构，见图3-2。1、车门2、导向杆3、U型连杆4、转轴图3-2当气压缸工作时，压缩气体进入左腔，推动活塞带动活塞杆1向上运动，顶起转轴3，由于转轴3的末端有大螺距螺纹线，气压缸口处外壳2有卡点，两处配合，转轴3在上升的过程中也产生一个旋转的力。1、活塞杆2、外壳3、转轴图3-3在图3-1中可知，U型连杆3和5与轴4由螺钉紧紧固定在轴4上，轴4产生旋转运动也带动了U型连杆3和5一起运动，在配合连杆7和车门1整体的四杆机构车门便向外侧运动，实现了开门的动作。关门时也是同样的工作原理，气压缸6放气，活塞向下运动，带动轴4向下运动，同时轴4向下运动也产生了一个旋转的力，力传递到U型连杆3和5上，与车门1和连杆7形成的四连杆机构运动，车门关闭，完成车门关闭运动。3.2螺纹缓冲设计在实际使用中，气缸最难设计的部分是设计缓冲。在没有缓冲的情况下，车门的开启和关闭会非常机械而且生硬，容易对车门以及车体造成损伤，而且在车门开关的过程中也容易对乘客造成伤害，所以说车门开关的缓冲十分重要而且必要。在实际使用中一般都会设置缓冲过程，但是由于机械配合以及加工精度的影响，缓冲可能会不出现，或者即使出现缓冲也是非常的不明显，与没有缓冲的情况基本一样。这就要求我们要仔细去研究缓冲产生的原理，以及如何避免缓冲不出现这样的问题。在本设计中缓冲的原理在于螺纹，在确定平均螺距后将活塞杆上的螺纹分为三段，在开始和结束时的螺纹要比中间部分的螺纹的螺距大，这样再气压缸推动螺杆上运动的时候，螺杆会做出相应的旋转的运动，在螺距正常的中间段，螺杆的旋转速度相对较快，在开始和结束的两段，由于螺距变大，螺杆上升导致的旋转也相应的变慢，以达到缓冲的作用。由于车门开启前后，U型连杆运动角度约为120°，则转轴转动120°，转轴向上行程约为三分之一螺距。

3.3支撑机构的选择与设计外摆式乘客门支撑机构如图3-4所示，乘客门支撑机构是由转轴7、U型连杆6、U型连杆8和链接装置2、连接装置4构成，车门通过固定装置，用螺钉固定在连接装置上，连接装置在通过螺钉固定在U型连杆上，上下两个U型连杆都是通过螺钉固定在连接装置上。U型连杆在通过螺钉紧固在主轴上，主轴的下端和客车的台阶相连，固定在台阶上，主轴的上端通过螺钉固定，固定在汽车的门框上，这样，整个车门系统便固定在车门的门框上，实现了车门的固定。1、主轴上支座2、连接装置3、门扇4、连接装置5、连接杆6、U形连杆7、转轴8、U形连杆9、气缸图3-4车门支撑结构目录主轴上端为了起到支撑固定作用，防止门轴因门体重量倾斜，所以设立主轴上支座，用螺钉固定在车体上，如图3-5图3-5主轴上支座气缸在整个门轴下面推动门轴，气缸外壳上包含固定装置，通过螺钉固定在车身上，如图3-6所示。图3-6气缸外壳固定装置由于车门开启时，不只是水平方向的旋转，垂直方向也有一定的位移，所以在门体设计过程中，连接杆和车门间需要有一个连接装置如图3-7，同时连接杆上有一突出柱体以栓的形式连接在门体上。图3-7车门——连接杆间连接装置

4外摆式乘客门运动分析及设计外摆式车门的结构为四杆机构，选定其中一个构件作为机架之后，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。铰链四杆机构中，按照连架杆是否可以做整周转动，可以将其分为三种基本形式，即曲柄摇杆机构，双曲柄机构和双摇杆机构。外摆式车门的主要工作原理是利用双摇杆机构。U型连杆固定在转轴上面，车门和连接杆还有U型连杆一同构成了一个完整的四连杆机构。当气压缸活塞向上运动，向上顶起轴，由于轴的末端有大螺距螺纹线，气压缸口处有卡点，两处配合，轴在上升的过程中也产生一个旋转的力，U型连杆与轴由螺钉紧紧固定在轴上，轴产生旋转运动也带动了U型连杆一起运动，在配合连杆和车门整体的四杆机构车门便向外侧运动，实现了开门的动作。关门时也是同样的工作原理，气压缸活塞向下运动，带动转轴向下运动，同时轴向下运动也产生了一个旋转的力，力传递到U型连杆上，与车门和连接杆形成的四连杆机构运动，完成车门关闭运动。4.1客车车门的运动轨迹及基本参数确定图4-1如图4-1，车门和门框之间的距离为S，两侧间距相等，车门宽度PQ长为L，P到A点距离为X，弧线AA’是车门开关的运动轨迹，H为车门打开后车门内侧到车厢外侧的距离，为了预防车门开启后磕碰车外乘客，应尽量减小H的取值。O点为转轴中心点，AO为U型连杆（仅作参考，实际为了防止主动臂开门后与车厢碰撞，AO为U形弯臂），另设车门厚度为d。在RtΔAMO中，在RtΔA’NO中，又知AO=A’O得4.2约束杆两端铰接中心点B和C的确定由于外摆式车门的主要工作原理是四杆机构，所以ABCO为类似平行四边形结构，且A一般位于车门中间位置为宜，而B点尽量靠近边缘，由此即可确定车门机械结构各关键点初步位置，并根据实际情况进行微调。四杆机构运动前后位置情况及运动轨迹如图4-2。图4-2

5驱动装置选择及气动系统设计要想使车门能够完成开启关闭的动作，最重要的便是需要一个驱动装置。能使主轴转动并带动U型连杆运动从而达到开关车门的目的，目前常见的驱动装置能实现这种要求的主要有以下几种，气压驱动、液压驱动还有就是电机驱动，很显然，液压驱动需要液压泵，而且如果液压元件和管道发生泄漏维修麻烦；电机驱动需要一整套的电子设备，结构复杂，并且机械效率比较低；而气动装置的动力来源是空气，空气可以说是取之不尽用之不竭的，来源方便，节约能源，环保无污染，而且气体压缩性大，开启关闭时运动具有弹性，安全系数比较高。5.1缸体承受载荷、负载力的计算气缸承受的载荷来自于门体及门轴等部件的重量，计算公式为：式中g取9.8N/kg，通过车门形状材料等计算得，车门质量约为300kg，则计算地门泵负载为:5.2气缸的主要结构尺寸参数的设计计算5.2.1缸体的设计气缸缸体的主要作用是为压缩空气的储存与膨胀提供空间并对活塞的运动进行导向，从而可通过活塞将压缩空气压力能转化为机械能。气缸缸筒均为圆筒型状，主要确定的结构尺寸有缸筒的内径D、壁厚δ和长度H。（1）缸体的内径D的确定缸体的内径亦即气缸活塞的直径，可根据负载F的大小确定，当气源供气压力为，气缸负载效率为η，载荷为F时，双作用单出气缸缸体内径为：表5-1标准气缸缸筒内径系列GB/T2348-1993810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250(280)320(360)400(450)500630根据以上两公式及标准气缸内径系列对其进行圆整，要选择标准系列中相近气缸的内径值，如表6-1所示，将计算所得数值带入表5-1参考后选择100mm气缸缸筒内径。（2）缸筒壁厚δ的确定mm常用气缸内径，材料和壁厚的关系如表5-2所示。mm表5-2气缸缸筒的壁厚材料气缸内径D5080100125160200250320铸铁HT1507810101214161645钢Q235125788991112铝合金ZL2038～128～1212～1412～1412～1414～1714～1714～17根据经济角度及使用角度综合考虑，材料选用Q235钢，则参照表5-2，壁厚取8mm。（3）缸筒的长度H的确定缸筒长度H应大于活塞的行程L和活塞宽度B之和，即H≥L+B。取H=135mm5.2.2活塞的设计活塞的作用是通过压缩空气推动活塞运动，将压缩空气的压力能转变为机械能，再通过活塞杆的运动输出机械能。因此，他要有足够的换能面积。活塞一方面需要频繁往复运动，另一方面要隔绝两腔气体；并且在某些高速运动的场合有可能和缸盖撞击。因此活塞必须具有足够的强度、耐磨性和密封性。直径较小的气缸常把活塞与活塞杆制成整体，但多数气缸都将活塞与活塞杆分开制造，目前活塞材料多用铝合金或球墨铸铁，采用O形或Y形密封圈实现密封。活塞的外径既是缸体的内径D，二者的配合精度，取决于所用密封圈的形式和规格，一般多采用H8/f9的配合，活塞表面粗糙度Ra取0.8ηm。5.2.3活塞杆直径d的确定活塞杆是气缸中的直接承载零件，它将活塞转换的机械能以力的形式输出，通常既要承受轴向的拉伸载荷，也承受压缩载荷，所以，对活塞杆不止要进行结构设计，还要对其进行强度校核，必要时还要对其进行稳定性校核。（1)活塞杆直径d的选择：活塞杆的直径可根据已经确定的缸体内径D，按照标准气缸来选择对应的活塞杆直径d，然后还要对其进行强度和稳定性校核。表5-3为标准气缸的内径与对应活塞杆直径系列。根据图表选择d=25mm。mm表5-3标准气缸的内径和活塞杆直径对应系列mm气缸内径D3240506380(90)100(110)125(140)活塞杆直径d12141618202225283236续上表气缸内径D160(180)200(220)250320400500630活塞杆直径d4045505663708090100（2）活塞杆的强度校核当活塞杆承受的载荷是拉力；或虽然为轴向压力，但气缸的计算长度L≤10d，则此时活塞杆失效主要为强度失效问题，可按强度条件校核活塞杆的直径d（mm），即式中：[σ]——活塞杆材料的许用应力，MPa；F——气缸的出力，N。气缸缸体常用材料的许用拉应力如表5-4所示表5-4气缸体常用材料的许用拉应力材料名称铸铁Q235钢管45钢管铝合金（ZL203)许用拉应力[σ]=30MPa[σ]=60MPa[σ]=120MPa[σ]=30MPa故经过计算校核得出，所以符合强度要求。（3）活塞杆的稳定性校核：当气缸承受的载荷为轴向压力，而气缸的计算长度L≥10d时，活塞杆的失效一般是稳定性失效问题，则要对其进行稳定性校核。对活塞杆进行强度或稳定性计算所得的活塞杆直径d，再按表5-5再次圆整，选择标准系列中相近活塞杆的直径值。表5-5标准活塞杆直径系列(GB/T2348-1993)456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200250280320360查询表格得直径25mm符合要求。（4）活塞行程的确定：活塞的行程一般是由实际工作情况来决定的，通常可根据缸体直径按L=（0.5~5）D来计算，对计算所得的L值。最好按照标准气缸的活塞行程系列（表5-6）来进行圆整。表5-6活塞行程系列2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000根据图表及实际情况进行选择，活塞行程取50mm。

6气路系统1、气源2、贮气罐3、三联件（无油雾器）4、换向阀5、换向阀6、节流阀7、快速排气阀8、顺序阀9、调速阀10、气缸11、溢流阀12、带消声器的排气节流阀图6-1气路系统是客车车门中的重要部分，控制着车门的开关。气源1产生的气体存于贮气罐2中，通过三联件3压力调节后进入回路。为了防止客车运行中误触换向阀5导致车门开启发生危险，故设置换向阀4，平时换向阀4阻断气流。当需要车门开启时，打开换向阀4，气体进入回路，打开换向阀5气体进入气缸左腔推动活塞运作，活塞杆上升，车门开启。需要车门关闭时，令换向阀5复位，气体从另一侧推动气缸运作，活塞杆下降，车门关闭。在关门过程中，由于气缸支撑着门体重量，活塞返回过程会比较迅速，容易造成危险，故设立缓冲回路。气体通过顺序阀8调速阀9排出，当活塞返回至末端时，气缸左腔压力降低，无法打开顺序阀9，参与气体只能经过节流阀6排出，活塞得到缓冲。客车车门开关结束后，将换向阀4复原，防止由于误触等因素打开车门，发生危险。由于气压传动具有噪声大的特点，气动系统中所有排气节流阀均带有消声器，改善乘客体验、减少噪音污染。7外摆式乘客门在使用中的问题及解决措施7.1当关闭驱动系统后，手动开、关门时，门推不动或推动比较费力出现这种情况主要检测整车的气路是否通畅，气路是否有不通的地方，也可以使用气动开关反复尝试，直到开关车门推动顺畅不费力为止。7.2门夹住人后的解决办法首先不要惊慌，尝试用气动系统将车门打开，如果车门开关无法使用可以将车上的电源关闭，这