无障碍公交车门启闭机构优化设计

程立艳，周亮亮，汪甜甜

（池州学院 机电工程学院，安徽 池州 247000）

无障碍公交车门启闭机构优化设计

程立艳，周亮亮，汪甜甜

（池州学院 机电工程学院，安徽 池州 247000）

在研究无障碍公交车门启闭机构设计变量及其基本约束条件的基础上，结合最小行程目标函数建立机构的优化数学模型，并利用MATLAB优化工具箱对车门启闭机构进行了优化设计，得到机构的最佳几何尺寸参数.结果表明，得到的优化分析数据能满足设计需求，在车门启闭机构设计和运动规律特性分析中具有一定的应用价值.

无障碍公交车门；启闭机构；MATLAB；优化设计

机构优化设计是一个多约束、多变量类型的综合优化设计问题，目前与之相关的研究较多，但大部分采用的是图解法或解析法[1]，为了进一步提高设计精度，本文采用杆长为设计变量的同时,在目标函数中加入了最小行程约束条件,建立了车门启闭机构的优化模型，并运用Matlab对动态系统进行仿真分析，以实现无障碍公交车门在最小行程基础上的平稳启闭.

1 优化设计数学模型

车门采用外摆式侧拉单开门，把车门整体旋转外移以最大限度地增大车门净开度，使乘客上、下车更为方便，与内摆式车门相比，可以大大减小乘客被夹伤的概率，提高了乘客的乘车安全性.

车门启闭机构的模型是平面四杆机构中的偏置摇杆滑块机构，如图1所示[2]，连杆BC是车门的一部分的简化，主动摇杆AB转动，拉动连杆BC转动即车门转动，从而实现车门启闭.滑块C只能在门上方的滑槽内滑动，车门宽度设计为900mm[3][4]，公交车门开启时使门板与导轨保持在α＞100°[5].

图1 车门启闭机构运动模型

对车门启闭机构建立为如图2所示的坐标系，设摇杆AB和连杆BC的长度分别为l1和l2，偏心距为e，原动件摇杆AB的角速度为ω1、方位角为θ1，连杆BC的方位角为θ2.

图2 偏置摇杆滑块机构

根据如图2所示的坐标系，由偏置摇杆滑块机构的矢量封闭图可得连杆BC的角位移、角速度和角加速度.角位移角速度），角加速度

1.1 确定设计变量

1.2 确立目标函数

为缩短导轨尺寸，当摇杆AB从开启位置转动到关闭位置时，要求滑块C具有最小行程Hmin，根据图2中的几何关系，以此确立的目标函数为：

1.3 边界条件

1.3.1 杆长条件

1.3.2 传动角约束条件

在如图2所示的偏置摇杆滑块机构中，当AB与BC共线时γmin=0°.避免机构由死点位置开始运动，利用惯性或其它方法能顺利通过机构传动角γ=0°的死点位置[7].

车门启闭时受力较小，而当机构受力较小的情况下可允许最小极限传动角γmin=0°，所以车门启闭机构对传动角没有限制要求.

2 机构优化

2.1 优化结果

MATLAB中用于求解约束条件下非线性极小值优化工具函数是fmincon[8][9]，先根据杆长条件为目标函数编写M文件（myfun.m）：

然后在MATLAB的命令窗口输入参数初始点x0、设计变量x的下界向量lb和上界向量ub，调用函数求fmincon极值.

由此得出对车门启闭机构进行优化的最优解为：x1=1071.4，x2=1071.4，fval=1109.7，exitflag=1.

根据 x1＞x2，对上述数据取整，取 x1=1073，x2=1072.

2.2 优化分析

图3 连杆BC角位移、角速度和角加速度变化曲线

结合已知摇杆转角θ1及根据滑块具有最小行程优化得到的l1、l2和e数值，并取ω1=1，借助MATLAB软件编程可绘制出连杆BC的角位移、角速度和角加速度变化曲线如图3所示，图中角位移、角速度和角加速度分别用实线、虚线、点划线表示.

通过连杆BC的运动仿真图3可以看出，摇杆AB由270°转至360时，连杆角位移大约转过60°，由0.4768（与x轴成 27.32°）转至-0.5728（与 x轴成-32.82°），即车门开启位置与关闭位置夹角为 180°-60°=120°＞100°，因此可以实现公交车门的正常启闭，且净开度较大.

连杆BC角速度和角加速度均是变量，由图3可以看出角速度范围由0至-1.1911，负号表示顺时针旋转，角加速度范围由-1.2046至-0.0780.角速度及角加速度变动均较小，车门启闭较平稳.此外，还可以通过优化原动件摇杆的角速度ω1优化机构的运动特性，实现车门更平稳启闭.

3 结语

本文根据公交车门启闭的运动要求建立机构的仿真模型，运用MATLAB软件编程对机构进行优化及运动仿真，仿真结果表明，此偏置摇杆滑块机构可以实现公交车门的平稳启闭，且车门净开度较大.但外摆式侧拉单开门的偏置摇杆滑块机构在滑块位移最小的目标下优化后的杆长较长，可以通过更换车门启闭方式和车门数的方式对无障碍公交车门启闭机构进行改善.本文对摇杆滑块机构和车门启闭的设计研究具有一定意义，为实现车门启闭更平稳、重量更轻和降低噪声等方面的车门启闭机构优化设计奠定了基础.

〔1〕张周周,任靖日.基于MATLAB的车门启闭机构优化设计及摩擦学分析[J].延边大学学报 (自然科学版),36(4):370-374.

〔2〕李滨城,徐超.机械原理 MATLAB 辅助分析[M].北京:化学工业出版社,2011.113-114.

〔3〕王引.我国无障碍公交车设计探讨[J].大众科技,2010(3):111-112.

〔4〕朱慧,黄志刚.无障碍公交车内部布局设计与研究[J].包装工程,2010,31(18):1-4.

〔5〕于荣涛,孙东明,黄文婷.基于ADAMS的公交车车门动力学分析[J].新技术新工艺,2013(4):38-39.

〔6〕李献奇,刘维维,高连兴.摇杆滑块机构及其在农业机械上的应用研究[J].农业科技与装备,2014(1):20-22.

〔7〕郑文纬,吴克坚.机械原理[M].北京:科学出版社,2007.86-87.

〔8〕卜王辉,陈茂林,李梦如.MATLAB基础与机械工程应用[M].北京:科学出版社，2015.113-114.

〔9〕郭仁生.机械工程设计分析和MATLAB应用[M].北京:机械工业出版社，2011.107-108.

U469.13

A

1673-260X（2017）09-0025-02

2017-06-24

池州学院自然科学研究项目：无障碍公交车门启闭机构优化设计及运动仿真分析（2015ZR002）