某车型旋转式车门启闭过程分析及优化

张林涛，李 旭，杨富凯

（陕西保利特种车制造有限公司，陕西 西安 710200）

引言

部分车辆载员较多且对上下车时间有限制，为保证上下车便捷，部分车辆采用旋转式车门[1]。旋转式车门多数采用定速伸缩缸驱动车门启闭，该结构不能避免车门启闭运动不匀速，导致车门运动速度忽快忽慢，运动冲击[2]较大。

1 某车型旋转式车门存在的问题

某车型旋转式车门在开启时车门运动冲击较大，开启瞬间车门旋转速度较大，调节油缸速度后冲击减小，但其旋转角速度变慢，无法满足开门时间要求。现就以该旋转式车门为例，对该车门进行启闭过程分析，不计摩擦阻力。

2 运动分析

2.1 相关参数

该旋转式车门采用定速伸缩缸驱动后门启闭运动，具体结构如下图所示：

其中：点A为伸缩缸与车体铰接点，点O为车门与车体铰接点，点B为车门与伸缩缸铰接点，点C为车门上距旋转轴最远的点，点D为车体上的点，OA为1042 mm，OB为244 mm，∠BOC为定值。车门在关闭位置时∠BOC=0°、AB为803 mm，车门需开启100°。

2.2 该车门结构评价

由图1中△ABO，根据余弦定理[3]可知：

图1 旋转式车门结构图

该结构中OA代表车体固定结构，OB代表车门旋转臂，将∠COD的值从0°旋转至100°，AB代表定速伸缩缸，按伸缩缸每秒递增1 mm模拟伸缩缸匀速运动时车门旋转的角速度。

按上述参数计算可绘制如下图形：

结合图2分析可知，该旋转式车门开启时初期角速度较大，末期角速度较小；开启初期角加速度较大，末期角加速度较小。由此可知开门时初期运动不稳定，末期运动较为平滑。车门开启时角速度最大值为1.4497°/s、最小值为0.2348°/s；角加速度最大值为0.22541936°/s、最小值为0.00000045°/s。

图2 伸缩缸匀速运动时不同位置的角速度和角加速度图

在该结构下伸缩缸伸长速度保持不变时，旋转门的角速度与油缸伸长的线速度呈非线性关系，旋转门的角速度先减小后基本保持不变。

2.3 旋转式车门启闭过程分析

伸缩缸驱动旋转式车门的启闭过程主要局限于伸缩缸与车门铰接点和车门与车体铰接点的相对位置。

由图1可知，该车门结构类似于曲柄连杆机构[4]。OB为曲柄，AB为连杆。在某一AB值下，该结构为驱动曲柄连杆机构，故可以把车门启闭过程建立成多个曲柄连杆机构在某一连杆长度下的运动过程。以此类推可知，该结构存在两个死点位置并且存在急回特性。

现不考虑开启角度要求，按伸缩缸每秒递增1 mm模拟伸缩缸匀速运动时车门旋转的角速度。车门闭状态下AB=803 mm、∠COD=0°，由式（1）计算可知∠AOB=6.43°，由三角函数计算可知∠ABO=171.62°。模拟伸缩缸伸长，即AB值增大，由图1可知AB最大为AO+OB，其值为1286 mm，此时∠AOB=180°，此时∠COD=180°－6.43°=173.57°，∠ABO=0°。

结合图3分析可知，该旋转式车门不同位置下角速度与线速度呈非线性关系。伸缩缸线速度保持不变时，旋转门的角速度先减小后增大，伸缩缸线速度保持不变时，旋转门的角加速度先减小后增大。

图3 伸缩缸匀速运动时不同位置的角速度和角加速度图

由图4可知，∠ABO=89.79°时角加速度最小时。

因该旋转式车门为伸缩缸驱动，故可知驱动角为∠ABO。由以上分析并结合余弦函数特性可知，该旋转式车门启闭过程中运动冲击较大。当油缸匀速伸长或缩短时，旋转门的角速度变化率先减小后增大，当伸缩缸与旋转臂的夹角（∠ABO）在90°时旋转门的角速度变化率最小。当伸缩缸与旋转臂的夹角在90°±35°之间时，旋转门角加速度较小，可以忽略；当伸缩缸与旋转臂的夹角在30°～55°、125°～150°之间时，旋转门角加速度逐渐增大；当伸缩缸与旋转臂的夹角在0°～30°、150°～180°之间时，旋转门角加速度较大。

3 旋转式车门结构优化

在设计旋转门时期望得到伸缩缸的伸缩速度与旋转门的角速度之比恒定。结合上述计算分析可知，伸缩缸与旋转臂之间的夹角（∠ABO）在90°附近时，车门旋转角度较为稳定。

在原有车体及车门结构基础上，调整车门油缸支耳结构，保证车门旋转中点位置时车门油缸支耳的油缸铰接点与车门车体铰接点连线垂直于油缸中心轴线。即车门关闭时，（α为车门需旋转的角度）。

计算可知，∠ABO=140°。此时AO为1045 mm；OB为244 mm；AB为846 mm。具体结构如下图：

图5 旋转式车门结构图

该结构中点A为伸缩缸与车体铰接点，点O为车门与车体铰接点，点B为车门与伸缩缸铰接点，点C为车门上距旋 转轴最远的点，点D为车体上的点，车门在关闭位置时∠COD=0°、AB为846 mm，车门需开启100°。将∠AOC的值从0°增大至100°，AB代表定速伸缩缸，按伸缩缸每秒递增1 mm模拟伸缩缸匀速运动时车门旋转的角速度。

结合图6分析可知，车门开启时角速度最大值为0.3645°/s、最小值为0.2348°/s；角加速度最大值为0.00330026°/s、最小值为0.00000045°/s。该旋转式车门开启整个过程角速度变化量较小，运动较为稳定，优化后该旋转式车门启闭过程中运动冲击较小。

图6 伸缩缸匀速运动时不同位置的角速度和角加速度图

4 结束语

结构优化前车门开启时角速度最大值为1.4497°/s、最小值为0.2348°/s；角加速度最大值为0.22541936°/s、最小值为0.00000045°/s。结构优化后角速度最大值为0.3645°/s、最小值为0.2348°/s；角加速度最大值为0.00330026°/s、最小值为0.00000045°/s。其角速度最大值降幅达75%，角加速度最大值降幅达98%。有效缓解了开门时的运动冲击。

由以上分析及结构优化过程可知，旋转式车门在开启和关闭的过程中存在运动冲击与伸缩缸与旋转臂之间的夹角存在较大关系。在车门启闭的整个过程中应将此角度对称分布在90°两侧，车门开启角度不宜大于70°，建议不超过120°。