基于Exce l的手动平移式行李舱门平移机构设计布置

李永前，周　博，左向南，李　剑（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春　130011）

基于Exce l的手动平移式行李舱门平移机构设计布置

李永前，周博，左向南，李剑
（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）

根据手动平移式行李舱门平移机构的几何关系特性，求出人手力与舱门转臂旋转角度的函数方程，将此函数方程编译到Excel表格中，用于平移机构的设计布置，可以简化繁杂的手工计算，并且可以提高设计质量和效率。

手动平移式；行李舱门；平移机构；Excel；设计布置

平移式行李舱门因为具有开启角度大，接近性好，放取行李方便等优点［1］，并且能有效减少打开舱门所需的空间，在客运站、停车场等空间有限的场所能有效发挥其优势，所以近年来广泛应用于大中型公路客车［2］。但是现阶段平移舱门的设计与校核仅局限于舱门完全关闭、完全开启与舱门转臂旋转90°这三种状态［3-7］，缺少对舱门转臂转到其他位置时的受力校核，结果出现舱门关闭过程中关闭不顺畅，甚至关闭困难等问题。为准确设计布置手动平移式行李舱门平移机构，根据其几何关系特性列出人施加在舱门上的手力与舱门转臂旋转角度的函数方程，并将此方程编译到Excel表格中用于设计布置，可避免设计缺陷，提高设计效率。

1　平移舱门四连杆机构的受力分析

在编译手动平移式行李舱门平移机构的Excel设计与校核表格前，首先要对其进行受力分析，得出相关的函数方程，以用于其Excel计算。

1.1平移舱门四连杆机构及其简化

某大型公路客车平移式行李舱门平移机构见图1。

图1　平移舱门平移机构

平移舱门平移机构设计得合理与否主要考虑三方面因素：有一定的自锁力，即舱门开启力不能过小；舱门关闭过程中关闭力不能过大；舱门开启一定角度后可以在气弹簧的作用下自动上弹至最大开启位置。只有满足了上述三个条件，设计出的平移机构才合理。为便于分析，将舱门门体简化为直线O1O2与重心点O及门扣手位置点E，舱门转臂简化为折线O1O3O6，平衡杆简化为直线O2O4，气弹簧简化为直线O5O6；O3为转臂在车体上的固定点，是整个机构的旋转中心；O4为舱门平衡杆在车体上的固定点；O5为气弹簧在车体上的固定点；固定点之间连接的细实线作为辅助线，其余辅助线用虚实线。简化后的平移舱门四连杆机构［8］如图2所示，其中G，a，b，c，d，i，j，m，n，α0，α1，α2，α3，α4这些参数在机构运动过程中不发生变化，作为最终设计平移机构时Excel表格中的输入条件；L，α5，α6，α7，α8，α9这几个参数在机构运动时会发生变化，通过几何关系消参；α为舱门运动过程中转臂的旋转角度，一般情况下α的取值为0° ～150°（图2中α为舱门转臂即折线O1O3O6转过的一微小角度，此时a与b的夹角由初始夹角α0增加到α0+α，同时m与n的夹角由初始夹角α4减小到α4-α）；T为舱门开启或关闭过程人的手力。

图2　平移舱门四连杆机构简化图

1.2舱门开启过程受力分析

假设舱门开启过程转臂旋转角度α，整个机构在水平外力T的作用下平衡，图2中在中由余玄定理可得

同理在△O2O1O4中，可得

在图2中，以舱门为研究对象，根据力与力矩平衡，可列出如下平衡方程［9］：

式中：Fx与气弹簧的标称力F1、F2、F3、F4及温度有密切关系，并且随气弹簧长度L的变化呈线性递增趋势，由于不同气弹簧厂家所生产的气弹簧动态摩擦力Fr各异，导致气弹簧力的线性递增幅度不同［10-11］。

以平衡杆为研究对象进行受力分析，可列出如下方程：

通过以上方程可以推导出：

再由T=Py+Qy，可以推导出人手力是一个关于F1，G，a，b，c，d，i，j，m，n，α0，α1，α2，α3，α4，α的函数，此式中只存在一个变量α，由此得到舱门开启力T与α的函数表达式（公式表达此处省略）。

1.3舱门关闭过程受力分析

假设舱门关闭过程转臂旋转角度α（一般情况下α的取值为0°～150°），整个机构在竖直向下外力T′的作用下平衡。同样可列出如下方程：

1.4舱门自动上弹过程受力分析

由于忽略了一些附件的重量及机构的摩擦，气弹簧作用于舱门的上弹力应大于一定数值，才能保证舱门四连杆机构自动上弹至最大开启位置。计算过程与舱门关闭过程相似，只是由于气弹簧压缩与伸张过程输出力值不同，公式中Fx会有所不同，此处计算过程忽略。

2　基于Excel表格的平移机构设计

2.1平移机构计算分析Excel表的生成

将以上推导的舱门开启力、关闭力与自动上弹力与舱门转臂旋转角度α的函数表达式在Excel中通过编译［12］，得到平移舱门平移机构计算的Excel表格。应用此表格，可以非常清晰地得到舱门开启力与关闭力在整个行程中的作用力曲线，如图3所示。

此计算表格序号1-15为输入数值区，需输入F1，G，a，b，c，d，i，j，m，n，α0，α1，α2，α3，α4这些参数，其他区域为图线图表显示区。图线有：

1）开门手力曲线，可以直观地得到舱门开启过程的手力，0°时的力即为舱门自锁力。

2）关门手力曲线，可以直观地得到关门过程手力的变化及最大关闭力。

3）舱门外张角度曲线，即舱门在运动过程中与竖直方向的夹角变化曲线，可以得到舱门机构在运行过程中的姿态。

4）气弹簧长度曲线，可以得到气弹簧随机构运动时长度的变化。

图表有：

1）开门手力表，正值区域为有效开门手力值，并可以得到舱门的自锁力值。

2）关门手力表，α为0°～30°对应区间正值为有效关门手力值，并可以明确最大关闭力数值。

3）舱门外张角度表，可以得到舱门最大倾斜角度值。

4）气弹簧长度表，可以明确气弹簧最短与最长值，便于校核气弹簧长度。

5）上弹力表，力值大于60 N时对应角度为舱门自动上弹角度。

2.2基于Excel表格的设计

以某大型公路客车平移式行李舱门为例，简述应用此Excel表格辅助设计其平移机构，并作结果评价的过程。

2.2.1Excel表格中输入参数的初步确定

如图4所示，平移机构摆杆参数的设计步骤如下。

图4　平移机构摆杆参数设计

1）设计初期车身总布置会给出门洞尺寸及门板曲面造型，舱门门体结构可初步确定，即可得到Excel表格所需重力参数G=22.2 kg，舱门重心O及门扣手E点的位置随之确定。

2）确定门体最大举升位置。一般情况下，舱门在最高位置的姿态与最低位置时一样，门体在最高点时其下边沿与腰梁下边沿的高度差h1一般取50～100 mm。

3）确定平衡杆在门体上的固定点O2的位置。为了得到最大的举升高度，应该使O2点的位置越低越好，但O2点的最低位置受到门体骨架及裙边梁的限制，一般情况下h2取值50～70 mm，O2的位置确定后，Excel表中所需参数i与j随之确定，初步取值i=417 mm，j=318 mm。

4）确定O4点所在的直线。O2点确定后，其在门体最高位置时的O2点也确定了，作两点的垂直平分线l，则O4点必然在直线l上。

5）确定O3点的位置。此点为弯臂的旋转中心，也可认为是整个机构的定位中心。受转轴、弯臂与气弹簧的安装和运动空间限制，给定该点允许的区域——边长为60 mm的正方形。区域中心的位置是这样定位的：Y是O3点距侧围腰梁内表面的距离，取Y=110 mm，Z是O3点距地板骨架下表面的距离，取Z=90 mm。

6）确定弯臂在门体上的固定点O1的位置。一般情况下平衡杆回转半径比弯臂回转半径长20 mm，以保证舱门开启瞬时上边沿有外张趋势，避免与裙边梁干涉。过O3作半径小于平衡杆长度20 mm的圆弧与门体的交点即为O1点的位置。

7）O1，O2，O3，O4点的位置确定后，Excel表中所需参数a，b，c，d，α0，α1，α2，α3随之确定。

8）气弹簧力值与支撑点位置的确定。单根气弹簧力值的大小F1一般选取为舱门重力G的三倍左右，根据实际情况作相应调整。本例中F1初步取值650 N。气弹簧上固定点一般固定在转臂上伸出的小支架上，也有直接固定在转臂上的情况，视具体结构作相应设计，原则上要求气弹簧在转臂上固定点回转半径为90～100 mm。气弹簧上下支点与旋转中心的夹角α4一般为10°左右，下支点安装在地板骨架向下伸出的支架上，由此可确定参数F1，m，n，α4。

2.2.2在Excel表格中确定最终平移机构

平移舱门摆杆尺寸及安装位置的确定大部分为范围值，即使在规定范围内选取不同的参考值，对结果的影响也很大。应用舱门四连杆机构计算表格，将最初选定的参数F1，G，a，b，c，d，i，j，m，n，α0，α1，α2，α3，α4输入到Excel表中对应的位置，如图3所示的左上角序号1-15行所示，由于此Excel表格内置函数关系，内部自动计算得出的开门手力和关门手力图线如图3所示的左下部所示。

从输出图表及图线可以看出，舱门自锁力为69.3 N，150°时初始关闭力182.7 N，关闭到60°时达到最大值215.1 N；由于忽略了整个机构的摩擦，上弹力需大于一定数值克服摩擦自动上弹，根据经验此值一般为60 N，打开舱门时开启到30°时舱门可自动上弹至最高点，整体设计虽然基本满足舱门的设计要点，但是可继续优化。将参数F1改为600 N，α4改为13°，改变后的输出图线如图5所示。

从改变后的输出表及图线可看出，自锁力增加到91.9 N，使得关闭更可靠，150°时的初始关闭力（也是最大关闭力）减小为184.5 N，符合人的操作舒适性（如果关闭舱门到中间位置时关闭力增大会感觉不舒适）。

图5　优化后输出图线

从计算结果可以看出，即使反复调整参数，平移舱门最大力关闭力值依然为184.5 N，相比翻转式舱门所能达到的100 N左右甚至更小的关闭力值有一定差距，并且如果计算上有偏差，很容易使这个力值大于200 N，这也是平移舱门容易出现关闭力过大的原因所在。

设计过程中首先要保证舱门开启30°左右时能自动上弹，使自锁力不小于60 N并且尽可能的大，以增加其锁止可靠性；关闭力则小于200 N并尽可能的小，使得关闭尽可能轻便。通过Excel表格中参数的调整求出整

3　结束语

通过将复杂的平移舱门四连杆机构受力情况在Excel中编程，实现了只需输入相应设计参数就能迅速求出舱门运行过程中的受力情况，并能得到最大关闭力位置、最大关闭力值以及自动上弹角度，从而对平移舱门四连杆机构的位置点进行设计布置，可以省略繁杂的计算过程，既节省了时间，又提高了计算的准确性。值得注意的是：在手力的作用下使舱门关闭与舱门自动上弹过程手力与上弹力并不相等，原因在于气弹簧压缩与伸展过程的输出力值并不相同。

［1］赵吉.大中型客车产品设计与制造工艺［M］.长春：吉林科学技术出版社，2008：73-77.

［2］刘开春.客车车身设计［M］.北京：机械工业出版社，2012：87-114.

［3］陈成立.平移摆式行李舱门四连杆机构的设计［J］.客车技术与研究，1999，21（1）：16-19.

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

［5］宁水根，黄键，张勇，等.客车外摆式行李舱门四连杆机构设计［J］.汽车工程师，2012（2）：22-24.

［6］付强，孙雪玲，倪永智.上摆式客车行李舱门的设计［J］.沈阳航空航天大学学报，2004，21（2）：37-38.

［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（7）：70-73.

［8］秦荣荣，崔可维.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［9］刘巧伶，李洪.理论力学［M］.北京：科学出版社，2010.

［10］全国弹簧标准化技术委员会.压缩气弹簧技术条件：GB 25751-2010［S］.北京：中国标准出版社，2010：12.

［11］全国弹簧标准化技术委员会.气弹簧设计计算：JB/T 10418-2004，［S］.北京：中国标准出版社，2004：10.

［12］丁士锋.Excel VBA标准教程［M］.北京：化学工业出版社，2011.

修改稿日期：2016-04-29

Design and Layout of Translation Mechanism for Manual Translational Luggage Door Based on Excel

Li Yongqian，Zhou Bo，ZuoXiangnan，Li Jian
（R&DCenter，China FAWCo.，Ltd，Changchun 130011，China）

According to the geometry relation characteristics of the translation mechanism for the manual translational luggage door，the authors present the function equation ofhuman hand power with the rotation angle of the rotary arm，then compile the function equation into a Excel table，and apply this Excel table to design and layout the translation mechanism.This can simplifythe complicated manual calculation and improve the design qualityand efficiency.

manual translational；luggage compartment door；translation mechanism；Excel；design and layout

U463.83

B

1006-3331（2016）04-0031-05

李永前（1989-），男，助理工程师；车身设计师；主要从事客车车身设计与研发等工作。