动力型门启闭机构的类型及其应用

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动力型门启闭机构的类型及其应用

——机械设计课程专题研究报告

东南大学机械工程系
吕钊业（学号02000306）

1.
引言
随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，各种自动门在人们的工作和生活中占了很大的比重，并且，对自动门的结构和性能要求也越来越高。
在建筑物上，门厅或单位的平移式、伸缩式、卷帘式等各种自动门，其方便性和美观性要求越来越高。此外，更多的自动门应用在各种交通工具中，提高运载工具的密封性和行驶安全性，折叠式和外摆式的自动门在客车上应用最广泛。其中，折叠式自动门比较传统，应用也最普遍，主要应用于各种中低档客车中。而外摆式自动门比之折叠式自动门，在密封性、结构美观性和方便性有很大的优点。外摆式自动门主要应用于各种高档长途客车中或城市公交车中，其市场潜力很大，可能会最终取代折叠式自动门成为客车自动门的主流。
由此可见，看起来似乎微不足道的自动门启闭机构，由于它在生活中的普遍性和必须性，其性能和质量将直接关系到人们的生活水平。因此，对于各种自动门性能的优化设计也逐渐引起了人们的重视。
2.
各种自动门的研究现状
市场中的各类自动门逐渐开始向着智能化、集约化方向发展。并以实现最大的应用性能和方便性为目标。
门厅自动门的主要性能有：封闭性，隔音效果和自动化程度。根据来人情况，准确判断，实现光电信号控制，由液压驱动自动开关。
大、中型豪华客车自动车门要求越来越高，国际上，发展趋势是采用客车自动外摆门。国外，特别是日本等国近年来开发了一些电动外摆门驱动控制系统，德国等国近年来开发了一些启动外摆门驱动控制系统，用于大、中型豪华旅游客车。国内该领域也日趋成熟，开发了各种先进的电动、气动外摆式门驱动控制系统。
随着我国铁路客运的不断发展，列车门的密封性和方便性渐渐成为其非常重要的指标。世界各国的铁路客车自动塞拉门也纷纷涌入我国，为选择适合我国国情的塞拉门，从1995年开始，几个铁路客车制造商分别陆续批量试装了IFE，康尼，BODE及FAIVELEY4家公司的产品，为今后我国塞拉门最终定型及合资生产打下基础。
我国自动门系统种类繁多，对于前人的研究成果，本课题就几种比较典型的自动门启闭系统做出介绍和分析。
3.
典型自动门启闭系统的介绍和分析
3.1 建筑物中自动门结构性能
门是建筑物中不可缺少的极其重要的重要组成部分，不再是单单联系人与外界的设施，而且也成为装点建筑物的重要一部分。
这种自动门根据驱动方式的不同可分为：气动、液压驱动和电驱动。能根据来人情况，准确判断，实现光电信号的控制，自动开关。特别适用于开关频繁，使用空调而需密封性好，消除外界噪声干扰的场合，如宾馆大厅，银行大厅等。
当人或物接近门的时候，会产生各种信号，通过传感器和控制电路来区分选择有用信号，并转换为控制信号来控制液压系统，从而通过液压缸中的运动来驱动门的开合，通过安全保护装置来防止意外情况发生而对人造成伤害。
此类门的设计主要考虑与驱动装置的连接，安全性，美观性，方便性等。门的材料选择隔音材料，橡胶封条起到密封的作用，可以防止房里的冷气或暖气外泄，不锈钢封套可以使整体更简洁。移动门的装置及与液压缸的连接使整个移动门挂在铝型材上面，通过轴承可以减少摩擦力。

   

图3.1  建筑物移动门

3.2 客车传统折叠式自动门
这种自动门我们都非常熟悉，国内大客车目前装用最多的自动门类型，既可以用于城市公共汽车，又可用于长途客车，应用领域比较广阔。究其原因，有以下几点：
(1)
结构简单
四个门扇结构几乎相同，又内外板包合而成，为加强门体刚性，一般内外包皮里面有骨架结构。其驱动机构的动力来源于一个汽缸，利用中间转换机构，将活塞的直线往复运动转化成为两个相反方向的旋转运动，从而实现了门的开关。
(2)
制造工艺简单，成本低
各门板都是平面结构，没有曲线存在，无需大型模具。运动轨迹也比较简单，对门扇及相应配套件制造误差的要求不十分严格。
(3)
性能可靠
国内客车厂此生产技术已经成熟，质量都能够保证，另外，两扇相邻的折叠门，左有转轴，上有滚动轴承，下有滚动小轴，从而保证了门扇即使在非常拥挤的长途客车上和市公共汽车上，也能安全可靠。
折叠式自动门的应用
a)
由于四扇折叠式自动门侧围外部空间占用较大，且其上部又有较复杂的驱动机构，占用车内空间，所以，一般用于低档的，发动机前置的客车上，而且布置在前轮后或后轮后。当然，这不可避免地造成乘客下车时有逆向行为，容易产生拥挤现象。另外，由于其四个门扇都是平面直线构件，和车身侧围曲线不能吻合一致，并在X方向上产生较大的中断，使其布置在前轮前非常困难，因而不利于车身的整体造型。这就是四扇折叠门很少用于中高档车的原因。
b)
双扇折叠自动门的门泵可以放在门扇下部，占用空间小，布置方便，既可用于前置客车，又可用于后置客车，而且可布置在前轮乾、后及后轮后，当然，为使车身造型完整，一般的客车厂都在前轮钱不知此种自动门。这样，可以把门泵机构放在仪表台下部，更有利于内室统一设计。另外，此种自动们布置在前轮前，还可使乘客上下车没有逆向乘客出现，不会产生拥挤碰撞现象。

下面对MS5061XYZ邮政车折叠车门的结构与设计进行分析。
MS5061XYZ邮政车侧门及后门均为折叠式车门。汽车车门是汽车整体中的一个重要组成部分，它受汽车造型，用途等方面的制约。
（1）
折叠式车门的设计要求
MS5061XYZ型邮政车是有NJ1061X三类底盘改装而成。该地盘无气源，故折叠式车门的开关为手动。其设计要求为：密封性好，结构合理，开关轻便；门锁使用可靠方便。
（2）
力学分析及结构设计
折叠门的简图如图3-2a，机构运动简图如图3-2b。门的大小为宽×高×厚＝795×1705×25。开或关门时，给力部位为A处，完全开启后给力时有一死点，关门是要在B处给力。

图3-2  MS5061XYZ邮政车折叠车门

a)
关闭门时的静态受力分析
在此情况下，门的重力给予门轴上的载荷最大，两页门扇结构相同，受力情况见图3-3(a)，门自重P可视为悬臂梁上的均布载荷，其重心在O点，在A处有NAy、NAy，在B处有NBx。

ΣFx=0   NBx+NBx=0

ΣFy=0   NAy－P=0

ΣmA(F)=0    397.5P－1750Nby=0

求得  NAy=P   NBx=0,233P   NAx=－0.233P

(a)                                    (b)

图3-3  MS5061XYZ邮政车折叠车门

内外蒙皮均为厚1mm钢板，其重力为208.76N，折叠门框架及附件重力为78.48N，门总重为287.24N，将此数代入上式得
NAy=287.24N，NAx=NBx-66.90N。
关闭门时，外力Q作用于门扇铰接处，受力如图3-3(b)，理想的认为Q力均等的分为力F1、F2。F1作用于门轴上，使门轴上部及下部产生径向约束反力，F2作用于门导向块上，其水平分力F2”使门逐渐关闭。
由于α角在关闭门的过程中不断增大，F2’随之增大，关闭门的过程中感觉越来越轻便。当α角接近于0o时，即门接近于全开时，F2’接近于0，此时开门要在B处给予一个力R。
b)
开启门时，受力过程与关闭门时相反。

结论：由于门的重力和外力Q(Q’)的共同作用，使门轴下部既承受轴向载荷，又承受径向载荷，门轴的上部只承受径向载荷。门开与闭时，门轴旋转90o,门轴上下部径向力作用范围如图3-4中阴影部分。

图3-4  门轴上下部径向力作用范围

    3.3 外摆式客车门
由于传统的折叠式车门，车门凹陷于车身，不仅增加行车的空气阻力，影响整车的外形美观，而且由于车门缝隙大，密封困难，在行使中产生强烈的震动噪声和漏尘，从而严重乘坐舒适性。近年，我国厂家已大量使用外摆式乘客门，外摆式乘客门与折叠式乘客门比较，具有以下一些优点：
(1)
开度大，可以开起到门框宽度，有效利用门框空间，保证乘客上下车方便。
(2)
具有良好的密封性，密封机构简单。
(3)
开关方便，安全，操纵灵巧。
(4)
刚性较好，不易变形下沉，行车时不易产生振动噪声。
(5)
外形与整车协调，无凹陷，行车时空气阻力小，造型美观。
外摆式乘客门是一种无轨道的移出车门，门扇靠回转支撑，依靠转轴支撑，依靠转轴的转动带动门扇作近似于平行移动的运动，因而也称为平移门。

图3-5  外摆式乘客门结构简图

图3-5为该类车门的结构简图，它主要为由门体1，导向杆2，回转机构3及门锁等组成，门体通过两个销轴与回转机构的两转臂连接，两转臂焊接在转轴上，转轴低端装在轴承座的推力轴承内，轴承座固定在地板骨架上，转轴上端靠轴套支架固定于门框上。在门体的下部设置一导向杆，它的一端用球铰于门体相连，另一端用球铰固定在门踏步骨架的下部，导向杆的长度可调节，装配时适当调节其长度，保证开启到位、自如。
3.4 内摆式乘客门
内摆式乘客门可分为单扇和双扇两种，其摆动机构和外摆式一样。当门关闭时，门和车身外部侧围曲线一致；开启后，门向内滑动，最后垂直于侧围面。
(1) 基本结构
它由门扇、上下转轴几轴座组成的，其主轴在门扇上，是通过上、下转臂与门扇连接，依靠电控或气控来实现门的开闭，门的开闭锁紧是依靠汽缸内的关闭压缩空气控制门的运动件来达到的。
(2) 特点
内摆式乘客门开启宽度较大，很易搞成双通道门，可两扇同时启闭或单独启闭，与内折门不相上下，每扇门都有四个固定点和车身相联接，禁锢可靠，此外形又兼外摆式乘客门的特点，造成该门密封困难，前后橡胶密封条不一样，其中一条设在门框上，一条设在门扇上，门扇的制作难度与外摆门相似，门的安装调试也复杂，随着国内客车行业不断发展，人们对普通客车的造型越来越高，双扇内摆式乘客门必将应用于城市公共汽车上。
3.5 列车自动塞拉门
目前，我国提速客车的最高运行速度可以达到240km/h，随着运行速度的提高，空气阻力机车内负压加大，这就需要车辆有较高的密封性能，以提高旅客的乘坐舒适性，因此，提高客车的密封性能是一个必须引起重视的问题。
目前，我国生产的提速客车上采用的主要是IFE奥地利、康尼、博得三家公司生产的电控气动塞拉门，这三种塞拉门的结构和工作原理基本相同，但又有所区别。
3.5.1  IFE塞拉门
它由门板、门框、驱动装置、导向装置、锁闭装置、车内外操纵装置、防积压装置、气路系统及电动系统等组成。这种塞拉门是在1998年我国首次引进的。开始时，此门没有活动脚蹬装置，不便于旅客上下车。1999年以后安装的塞拉门都增加了活动脚蹬装置。此车门的基本结构组成如图3-6。

图3-6  IFE塞拉门

1、
驱动装置
塞拉门有驱动装置提供运动动力，安装在车厢门口上部车顶内，主要有无杆风缸，辊式滑车，承重支架等组成。车门开关单程为3s~6s。车门运动速度可通过无杆风杠两端的单向节流阀调整，开关门时又缓冲，以使运动平稳。
2、
导向装置
车门的导向由上下导轨来实现，导向装置在门关闭后不外露。
3、
锁闭装置
锁闭装置主要由安装在侧门框上的闭锁风缸、解锁风缸、旋转锁舌、固定锁舌、锁定凸轮等组成的旋转锁机构组成。锁闭装置产生机械闭锁力，防止车门电器、压缩空气发生故障时车门自动开启。
4、
活动脚蹬装置
活动脚蹬装置安装在门下部的车体钢结构上，其作用是适应300mm~1100mm之间不同站台高度的要求，方便乘客的上下车。
5、
防积压装置
防积压装置由装在门板前面的防夹胶条与空气压力传感元件组成。防夹胶条内有一个密闭的空气腔。在关门全行程的98%范围内，如果遇到障碍，就会在空气腔内产生一个压力波动信号，这个信号通过门板内的空气压力感应开关转换成电信号输入门控器(DCU)，门控器控制门打开，10s后再自动重新关闭，防积压动作压力不大于150N。
6、
气路控制系统
气路控制系统由车辆丰远、空气过滤器、调压阀、风缸、气路控制阀及空气管路组成。
7、
电控系统
控制系统为塞拉门的控制核心。塞拉门可实现集中控制，本车控制和紧急情况下的手动控制。整列车塞拉门的电控系统主要由集控箱和各车厢的单车电控系统组成。单车电控系统主要由门控器，传感器，操作元件，控制元件，指示元件机电路组成。
3.5.2  康尼塞拉门
此门系统由江苏康尼基电信技术公司生产。它的基本组成与结构基本与IFE塞拉门相同，结构如图3-7。较之IFE塞拉门有如下不同：
(1)
驱动装置中的无杆风缸，辊式滑车的形式不同，导致了车体钢结构的吊装结构不同。
(2)
将所有气动元件组成一个气路控制板，使安装，维护保养及门开闭时间的调整非常方便。
(3)
将DCU门孔器与接线端子组成一个电器箱安装在走廊通过台的内端墙上，这样，当门发生故障是便于检查和维护。
(4)
隔离锁在门板上的位置及隔离锁形式不同，使乘务员便于操作，隔离锁功能可靠。

图3-7  康尼塞拉门

3.5.3  北京博得塞拉门
此门系统是由北京博的交通设备有限公司生产的。其形式也为外摆式电控塞拉门，门系统由几处安装部分、驱动装置、门板、门板附件、锁闭装置、活动脚蹬、气路系统及电控系统组成。组成结构如图3-8。
博得门与IFE和康尼门相比，组成门的几大系统及其功能相同，但零件结构形式完全不同。此外，此系统在门板上设置了内解锁把手，外解锁扣手，中央锁机构，解锁拔秆，它的下导轨设置在门板上，通过安装在门框上的下摆臂来引导门板的运动，同时驱动脚踏板风缸的活塞拉杆带动下摆臂绕固定转轴转动，固定转轴再通过传动装置带动脚踏扳绕脚踏板转轴转动，从而实现脚踏板的打开和收起。这样，不管是手动开门还是自动开门，脚踏板都随着门的开闭而打开和收起。因此，手动开启时开启力较大。在门板前端的下部还装有滚轮碰座，并在门框上装有碰接座，这样，门在关闭状态下，滚轮碰座始终受碰接座拉向车内的力，是门板牢牢的压在门框和前端胶条上，提高车门的密封性。

图3-8  北京博得塞拉门

4.
结束语
综上所述，自动门应用于生活中的各种场合，本文分析了客车、列车以及建筑物门厅的各种自动门的结构组成、工作原理和适应场合。
自动门在一些特殊场所还有它不可替代的作用，在医院，食品加工厂，化学产品生产厂等一些特殊场所，要求工作者尽量减少接触工作对象以外的物品。自动门完美的符合了这一要求。此外，在人员流动较少的时候，自动门可有效的防止冷气或暖气的流逝，节省了能源。
近几年，国内客车制造业及与其相关的配件产业都得到长足的发展，在此基础上，客车自动门——在客车制造业中比较独立的技术领域，也得到了发展和提高。在传统的四扇折叠式自动门的基础上，各客车厂又相继推出了两扇折叠式自动门和比较平稳优美的外摆式自动门。客车乘客门是乘客上下车的出口，因乘客上下车频繁，为控制方便，一般都设计成自动门，由驾驶员或售票员直接控制门的开启和关闭。
按运动形式，自动门可分为折叠式和摆动式两种。折叠式自动们又可分为双扇折叠式和四扇折叠式。摆动式自动门按摆动方式又可分为内摆式、外摆式和摆动滑移式。按门扇数量还可分为单扇内摆，单扇外摆，双扇内摆，双扇外摆等多种形式。其中，客车的外摆式自动门是一种很典型的自动门系统，具备很大的优越性，应用广泛，而且市场潜力较大。


参考文献
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焦儒振。MS5061XYZ邮政车折叠式车门结构分析与设计。专用汽车，1994.1
(2)
钟淑范。国产地铁车辆客室侧拉门。地铁车辆，2000.12
(3)
鄢桂珍，宋正飞。铁路客车用自动塞拉门。铁道车辆，2000.3
(4)
卞学良。外摆式车门机构优化设计。机械设计，1994年第2期
(5)
姜连勃，王绍春。汽车车门设计(一)。汽车技术，1999年第4期
(6)
姜连勃，王绍春。汽车车门设计(二)。汽车技术，1999年第5期

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