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畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)
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題 目： 軌道車輛塞拉門傳動及攜門裝置設(shè)計
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畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要
本項(xiàng)目涉及的是一種軌道車輛的塞拉門的傳動及塞拉門的攜門裝置。由于我國高速鐵路事業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)車對高速車的門系統(tǒng)的可靠性、安全性提出了較高的要求，因此開發(fā)出更新?lián)Q代的新產(chǎn)品已經(jīng)成為了必然。本文首先對國內(nèi)外塞拉門的發(fā)展?fàn)顩r作了簡要的介紹；然后對塞拉門的工作方式，工作原理，及主要部件做了詳細(xì)說明；在第三章，對塞拉門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計，采用塞拉門齒帶雙軸導(dǎo)桿槽型凸輪組合空間機(jī)構(gòu)。該裝置主要利用步進(jìn)電動機(jī)通過齒輪帶動同步齒形帶，在同步齒形帶上裝有上下齒夾，從而帶動門板運(yùn)動，通過雙軸導(dǎo)桿槽型凸輪組合空間機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)門的塞拉和直線運(yùn)動。在第四章，主要對塞拉門承載裝置進(jìn)行了分析和計算。最后進(jìn)行的是塞拉門系統(tǒng)的運(yùn)動仿真。
關(guān)鍵詞 塞拉門 導(dǎo)軌 齒形帶 雙軸導(dǎo)桿
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畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要
Title Rail vehicle plug door in Sierra gate drive to bring the gate device design
Abstract
This project involves is a rail vehicle plug door design and plug door of Tooth belt transmission. Because China's high-speed rail cause of the rapid development of high-speed car, motorcycle door systems of reliability, maintainability, safety put forward higher request, therefore developed renewal of new products has become inevitable. In this paper, first, the development situation of plug doors at home and abroad was briefly introduced; Then plug door way of working, principle of work, and the main parts do a detailed explanation; In chapter 3, focusing on the plug door drive equipment and transmission equipment design, the main use stepping motor driven by tapered gear, synchronous cog belt in synchronous cog equipped with tooth clip on and thus promote nut movement, through the screw mechanism to the door of the sierra and linear motion. In the fourth chapter, mainly to the stepper motor, tooth belt, guide rail, four-bar mechanism is analyzed and calculated. The last is the movement of sliding plug door system simulation
Keywords sliding plug door guide Synchronous belt four-bar
目 錄
前 言 1
第一章 塞拉門概述 2
1.1國內(nèi)外塞拉門現(xiàn)狀 2
1.1.1國內(nèi)塞拉門現(xiàn)狀 2
1.1.2國外塞拉門現(xiàn)狀 2
1.1.3國內(nèi)外對比總結(jié) 3
1.2塞拉門相關(guān)知識簡介 4
1.2.1基本知識 4
1.2.2構(gòu)造 4
1.2.3關(guān)鍵部件 5
1.2.4塞拉門基本功能 7
1.2.5塞拉門基本操作 8
第二章 國內(nèi)外三種主要塞拉門結(jié)構(gòu)性能分析 10
2.1 IFE塞拉門 10
2.1.1 門板 11
2.1.2 驅(qū)動裝置 11
2.1.3 導(dǎo)向裝置 11
2.1.4 鎖閉裝置 11
2.2康尼塞拉門 11
2.3博得塞拉門 12
第三章 新型塞拉門結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
3.1設(shè)計要求 14
3.2傳動裝置設(shè)計 14
3.2.1兩種傳動裝置方案 14
3.2.2 齒帶與螺桿傳動的主要特點(diǎn) 15
3.2.3 齒帶與螺桿傳動的比較 16
3.3門板 18
3.3.1門板的結(jié)構(gòu) 18
3.3.2門窗的結(jié)構(gòu) 19
3.4限位導(dǎo)向槽 20
3.5電機(jī) 22
3.5.1電機(jī)的介紹 22
3.5.2電機(jī)的選擇法案論證 23
3.5.3步進(jìn)電機(jī)的介紹 24
3.5.4步進(jìn)電機(jī)的計算 24
3.5.5步進(jìn)電機(jī)的選擇 26
第四章 承載裝置設(shè)計 28
4.1承載裝置概述 28
4.1.1 國內(nèi)外承載裝置對比 28
4.1.2 承載運(yùn)動原理 28
4.1.3 承載機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 30
4.2攜門裝置 31
4.3 承載軸的設(shè)計 32
4.3.1承載軸尺寸。 32
4.3.2承載軸材料的選擇 33
4.3.3承載軸強(qiáng)度與剛度校核 34
第五章UG建模與運(yùn)動學(xué)仿真 37
5.1 使用軟件簡介 37
5.2 設(shè)計思路與建模方法 37
5.2.1設(shè)計思路 37
5.2.2 建模方法 37
5.3仿真思路與方法 42
5.3.1仿真思路 42
5.3.2工作原理 42
5.3.3仿真方法 42
第六章 結(jié)論 46
致 謝 47
參考文獻(xiàn) 48
前 言
隨著鐵路客車技術(shù)的不斷發(fā)展,塞拉門的技術(shù)水平有了很大的提高。塞拉門是客車車體的重要組成部分,其安全性、密封性、隔熱性能、隔聲性能等均是設(shè)計的關(guān)鍵。特別是隨著列車運(yùn)行速度的提高,安全性及密封性顯得尤為重要。目前,國內(nèi)塞拉門的制造、安裝、工藝等方面的技術(shù)水平與日本及歐洲各發(fā)達(dá)國家相比有一定的差距,相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范不夠完善,設(shè)計水平相對較低。因此,結(jié)合我國的國情,學(xué)習(xí)國際國外的標(biāo)準(zhǔn),制定適合我國鐵路制造行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);同時吸收國外的先進(jìn)技術(shù),借鑒國外的成功經(jīng)驗(yàn),提高我國鐵路客車產(chǎn)品的整體設(shè)計和制造水平,是今后工作的方向。
在歐洲鐵路各種類型客車上,塞拉門已經(jīng)被廣泛采用。近年來,隨著客車的高速化和現(xiàn)代化,要求車門:關(guān)門時車體外觀平滑美觀;能降低車輛運(yùn)行時受到的空氣阻力及其產(chǎn)生的噪聲;要求提高室內(nèi)隔聲性及氣密性,以滿足舒適要求。為此,塞拉門受到人們的高度重視。
本文著重對塞拉門的設(shè)計，采用全新的塞拉門傳動方式及攜門機(jī)構(gòu)，使其總質(zhì)量最輕，且能夠滿足運(yùn)動承載能力，實(shí)現(xiàn)塞拉門的塞拉動作，保證門扇的密封性，安全性。
第一章 塞拉門概述
1.1國內(nèi)外塞拉門現(xiàn)狀
1.1.1國內(nèi)塞拉門現(xiàn)狀
自20世紀(jì)90年代中期我國引進(jìn)塞拉門以來,經(jīng)過幾年的消化吸收,現(xiàn)國產(chǎn)塞拉門已大量應(yīng)用于鐵路客車上?，F(xiàn)有國產(chǎn)塞拉門有以下幾種:
(1)用于25T型客車及160 km/h速度級各動車組上的電控氣動塞拉門。此類塞拉門基本為仿制第1批進(jìn)口塞拉門,結(jié)構(gòu)形式及基本性能與原進(jìn)口產(chǎn)品近似。
(2)用于200 km/h動車組的電控氣動塞拉門。此類塞拉門主要針對200 km/h動車組設(shè)計,相對上述電控氣動塞拉門,其斷面形式進(jìn)行了重新調(diào)整,增加了鎖閉點(diǎn),腳蹬踏板結(jié)構(gòu)根據(jù)相應(yīng)站臺高度情況進(jìn)行了重新設(shè)計。
(3)手動塞拉門。此類塞拉門主要應(yīng)用于25G型客車,它在電控氣動塞拉門的基礎(chǔ)上取消了電控氣動裝置及翻板腳踏裝置并加裝了鎖閉定位裝置。
(4)充氣密封塞拉門。此類塞拉門是針對270km/h動車組項(xiàng)目研制的,借鑒了法國TGV車門密封形式,采用充氣密封膠條密封及門前三點(diǎn)定位、門后三點(diǎn)鎖閉的鎖閉形式,同時在門板的結(jié)構(gòu)形式上做了改進(jìn)。試驗(yàn)證明,此門在密封、強(qiáng)度、隔熱、隔聲等性能上都有很大提高,但充氣密封膠條的壽命僅為1·5年,未裝車運(yùn)用。
綜上所述,我國160 km/h速度級客車用電控氣動塞拉門與國外相應(yīng)塞拉門為同類產(chǎn)品,經(jīng)多年裝車運(yùn)用技術(shù)已基本成熟,但在密封性能、電控系統(tǒng)可靠性等方面還有待完善。而200 km/h及以上速度級客車用塞拉門目前尚無成熟可靠的產(chǎn)品。
1.1.2國外塞拉門現(xiàn)狀
國外高速車用塞拉門按密封形式分為雙唇膠條密封、充氣密封及壓緊密封3類。
(1)雙唇膠條密封。以德國ICE車用BODE公司為代表的塞拉門采用雙唇膠條密封,即采用雙唇膠條,保證在車內(nèi)外有正負(fù)壓差時均能壓緊膠條,實(shí)現(xiàn)門的密封,同時,對門體多點(diǎn)鎖閉定位,以保證門的強(qiáng)度及列車交會時的密封。我國270 km/h動車組曾采用過該種車門。
(2)充氣密封。以法國TGV車用FAIVELY公司為代表的塞拉門采用充氣密封,即在門邊采用雙層膠條,外層為普通的初級密封條,內(nèi)層為可充氣密封膠條。車門關(guān)閉后,向可充氣密封膠條充氣,車速超過10 km/h后,充氣壓力達(dá)到150 kPa,此時膠條脹開,實(shí)現(xiàn)與門框的壓力密封。門體鎖閉形式為后門框兩點(diǎn)鎖閉。傳動形式為氣動馬達(dá)齒輪齒條傳動。
(3)壓緊密封。日本新干線采用的NABTESCO公司的塞拉門均采用壓緊密封,即門周邊采用O形膠條,在門關(guān)閉時,壓緊裝置通過壓門板使膠條與門框壓緊,實(shí)現(xiàn)密封;在門關(guān)閉后,壓緊裝置保持壓力。此種密封形式結(jié)構(gòu)簡單,密封補(bǔ)償量大,安全可靠。
國外客車塞拉門已經(jīng)過數(shù)十年的運(yùn)用考驗(yàn),技術(shù)成熟可靠,尤其是高速車塞拉門,值得我國學(xué)習(xí)、借鑒。
1.1.3國內(nèi)外對比總結(jié)
國內(nèi)劣勢與優(yōu)勢：第一，國內(nèi)地鐵塞拉門寬約為1.5m左右，而整個塞拉門系統(tǒng)尺寸過大，甚至達(dá)到2m以上，結(jié)構(gòu)較國外松散，空間利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外塞拉門系統(tǒng)。
第二，由于尺寸過大，直接導(dǎo)致國產(chǎn)塞拉門的重量過大，整體重量一般約為75kg，無形當(dāng)中需要更大的電機(jī)帶動，消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國外塞拉門系統(tǒng)。
第三，國內(nèi)塞拉門的運(yùn)動噪聲大于國際標(biāo)準(zhǔn)的60分唄，大約為75分貝。
第四，國內(nèi)塞拉門價格相對便宜，適用于發(fā)展中國家的現(xiàn)階段發(fā)展。
國外劣勢與優(yōu)勢：第一，在保證塞拉門寬為1.5m左右的同時，整個塞拉門系統(tǒng)總體尺寸保持在1.7m內(nèi)，合理利用空間，結(jié)構(gòu)緊湊。
第二，采用合理的復(fù)合材料和精簡的零件，在提高強(qiáng)度剛度和可靠性的同時，重量相對較輕，系統(tǒng)總僅為48kg左右，大大減少了驅(qū)動力的要求，節(jié)約了能量。
第三，門系統(tǒng)運(yùn)行過程中的噪音低于國際標(biāo)準(zhǔn)的60分唄。
第四，由于多處零件采用復(fù)合材料，且對各個零件的精度要求高，造價遠(yuǎn)高于我國自主生產(chǎn)的塞拉門系統(tǒng)，從而直接導(dǎo)致在大大提高技術(shù)競爭力的同時，也大大削弱了價格競爭力。
1.2塞拉門相關(guān)知識簡介
1.2.1基本知識
塞拉門是高速旅客列車使用的系列化外擺塞拉門，門扇為直型，有左右之分。驅(qū)動方式為氣動，控制方式為電控，因此稱之為電控氣動塞拉門，廠家有康尼，博德，歐特美等等。廣泛用于25K、25T型客車雙管供風(fēng)的車輛，以空氣為動力，推動無桿風(fēng)缸并帶動門扇形成開關(guān)門動作，其風(fēng)源來自雙管供風(fēng)列車的總風(fēng)管，氣壓為0.45-0.6Mpa。
1.2.2構(gòu)造
1．基礎(chǔ)部件：（1）上、下滑道、密封件由門框前壓條，后壓條，上壓條，下防護(hù)罩和膠條等組成（在車門關(guān)閉是實(shí)現(xiàn)門頁與車體的密封），導(dǎo)向件由上下導(dǎo)軌組成，門頁導(dǎo)向輪在導(dǎo)軌內(nèi)實(shí)現(xiàn)車門的擺塞運(yùn)動。定位緩沖通過橡膠緩沖頭克服車門在開關(guān)終了位置的沖擊。門扇由門頁（含橡膠密封膠條），鎖扣，隔離鎖，攜門架和下支架組成。翻轉(zhuǎn)腳蹬傳動桿：下拉桿，接桿，套，氣缸支架及氣缸組成。翻轉(zhuǎn)腳蹬：翻轉(zhuǎn)腳蹬由轉(zhuǎn)軸箱，支撐架和翻轉(zhuǎn)板組成，翻轉(zhuǎn)踏板在車門關(guān)閉時收起，車門打開是落下。
2．承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)：承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)由支架，長導(dǎo)柱，短導(dǎo)柱，直線軸承和驅(qū)動氣缸等組成。承載機(jī)構(gòu)承受門扇的所有垂直重量，門扇在驅(qū)動氣缸的作用下通過直線軸承在長，短導(dǎo)柱上的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)車門的擺塞運(yùn)動。
3．操縱裝置：由內(nèi)操作裝置，外操作裝置，連動機(jī)構(gòu)和手控開關(guān)裝置（緊急解鎖）組成。
4.氣路系統(tǒng)：由無桿氣缸，氣路組成，過濾減壓閥組件，球閥（作氣閥開關(guān)用），氣排氣閥，節(jié)流閥，氣管等組成。
如圖1.1
圖1.1 氣路系統(tǒng)原理圖
5.門控系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的核心，是由門控器，電源保護(hù)，電源轉(zhuǎn)換，接線端子等元件組成，每節(jié)車箱分別在一位端，二位端各設(shè)一套控制系統(tǒng)，每個控制單元分別控制箱的輸入，輸出信號端子排上門控系統(tǒng)系統(tǒng)具有：1）通訊；2）內(nèi)，外操作裝置電控開/關(guān)門；3）緊急解鎖裝置切斷控制電源實(shí)現(xiàn)解鎖后手動開/關(guān)門；4）防擠壓；5）隔離鎖隔離車門，屏蔽控制信號；6）車速≥5km/h字的關(guān)門；7）自診斷；8）腳蹬翻版位置檢測；9）集中控制等功能。
1.2.3關(guān)鍵部件
1.內(nèi)操作裝置（車內(nèi)電控鎖）：
①內(nèi)操作裝置為電控開關(guān)，沒有手動開門的功能。
②有電有氣，無集控信號或集控開門狀態(tài)時，內(nèi)操作裝置可實(shí)現(xiàn)正常電控開/關(guān)門。
③有電有氣，集控關(guān)門狀態(tài)時，操作內(nèi)操作裝置無效。
2．外操作裝置（車外手動，電控雙功能鎖）：
①有電有氣，無集控信號或集控開門狀態(tài)時，外操作裝置可實(shí)現(xiàn)正常電控開/關(guān)門。
②有電有氣，集控關(guān)門狀態(tài)時，操作外操作裝置無效。
3.保險鎖（隔離鎖）：
保險鎖采用行程開關(guān)，當(dāng)關(guān)閉此門開關(guān)時，門保持關(guān)門狀態(tài)，控制信號被隔離，所有手動，自動，緊急解鎖集中控制功能失效，狀態(tài)指示燈滅。系統(tǒng)處于開門狀態(tài)時，壓下保險鎖開關(guān)時間大于0.5秒，門扇執(zhí)行關(guān)門動作，系統(tǒng)切換為關(guān)門狀態(tài)；壓下保險鎖開關(guān)時間小于0.5秒，門扇不動作。如圖1.2所示。
圖1.2 保險鎖結(jié)構(gòu)示意圖
4．緊急解鎖裝置（車內(nèi)手動鎖）：
除非保險鎖被鎖閉，其他任何情況下緊急解鎖裝置都能手動解鎖，解鎖后開、關(guān)電磁閥斷電，蜂鳴器長音報警。
5.門鎖（二級鎖）：
門鎖采用氣動鎖閉/氣動解鎖裝置和手動解鎖裝置，門鎖可在任何情況下解鎖，安全可靠。在有電有氣的情況下，開鎖氣缸動作實(shí)現(xiàn)門鎖解鎖。在有電有氣的情況下，閉鎖氣缸動作實(shí)現(xiàn)門鎖二級鎖閉。無氣源時，手動關(guān)門，應(yīng)使鎖叉處在二級嚙合位置，通過操作緊急解鎖裝置（手動鎖）、外操作裝置（手動、電控雙功能鎖）都應(yīng)能把門打開。
6.防擠壓壓力開關(guān)：
防擠壓壓力開關(guān)采用壓力檢測開關(guān)，檢測開關(guān)時無桿氣缸關(guān)門端的壓力。關(guān)門時，工作壓力大于設(shè)定值時，壓力開關(guān)輸出防擠壓信號。當(dāng)車速<5km/h時，正常關(guān)門過程中，若車門遇有100-150N的阻力時，門能自動打開，延時10秒后，門重新自動關(guān)閉；當(dāng)車速≥5km/h時，關(guān)門遇到障礙，門停在原處，5秒后門繼續(xù)關(guān)閉。
7.防擠壓壓力波開關(guān)：
壓力波開關(guān)所起的作用與壓力開關(guān)的作用一樣，它檢測門板膠條氣囊內(nèi)壓力。關(guān)門時如遇障礙物，門板膠條受到擠壓，氣囊內(nèi)產(chǎn)生一突變壓力，使壓力波開關(guān)動作，輸出防擠壓信號。
8.98%位置開關(guān)：
98%位置開關(guān)安裝在無桿氣缸上，當(dāng)門關(guān)閉到全行程的98%的位置是，98%開關(guān)發(fā)出信號，此信號用來屏蔽防擠壓信號。因此在門關(guān)閉到98%開關(guān)位置以后，沒有防擠壓功能。如圖1.3所示。
圖1.3 位置開關(guān)示意圖
9.“關(guān)門到位”開關(guān)：
“關(guān)門到位”開關(guān)采用行程開關(guān)，常開—常閉觸點(diǎn)。“關(guān)門到位”開關(guān)安裝在門鎖鎖體上部塑料防護(hù)罩內(nèi)，調(diào)整時取下塑料防護(hù)罩，關(guān)上車門，使開關(guān)處于完全松開狀態(tài)，打開車門使開關(guān)的常開觸點(diǎn)可靠接觸。
10.腳蹬位置開關(guān)：
采用微動開關(guān)，用于檢測腳蹬位置。壓下此開關(guān)，腳蹬位置指示燈熄滅，表示腳蹬已收起。調(diào)整此開關(guān)時，應(yīng)注意腳蹬翻版收起時，微動開關(guān)應(yīng)可靠壓下；腳蹬翻版落下，微動開關(guān)應(yīng)處于自然狀態(tài)。
1.2.4塞拉門基本功能
塞拉門在關(guān)閉時，門相對于車體起著塞緊的功能。驅(qū)動機(jī)構(gòu)使用氣缸和上、下導(dǎo)軌產(chǎn)生塞入動作。塞拉門基本功能包括:
1.車門的開關(guān)
門的開關(guān)在正常情況下可以由車上的開關(guān)按鈕控制，同時設(shè)置緊急開關(guān)，緊急開關(guān)在車輛行駛中不起作用。
2.車門的鎖閉門的鎖閉依靠鎖閉裝置實(shí)現(xiàn)，包括:鎖鉤、閉鎖凸輪、控制風(fēng)缸和閉鎖氣缸等零部件。關(guān)門時，安裝在門板上的鎖銷將逐漸進(jìn)入鎖鉤槽中，當(dāng)門完全關(guān)閉后，控制氣缸驅(qū)動鎖鉤將鎖銷緊緊鉤住，閉鎖凸輪在閉鎖氣缸內(nèi)的彈簧作用下轉(zhuǎn)動，與鎖鉤形成棘輪機(jī)構(gòu)，防止列車失風(fēng)時車門自動解鎖而打開。當(dāng)開門時，閉鎖氣缸先動作，驅(qū)動閉鎖凸輪轉(zhuǎn)動，使鎖閉機(jī)構(gòu)先解鎖，然后控制風(fēng)缸使鎖鉤銷脫離，在驅(qū)動裝置驅(qū)動下將車門打開。緊急情況時，可扳動緊急開關(guān)，與緊急開關(guān)相連接的手動解鎖鋼絲驅(qū)動閉鎖凸輪，使鎖閉裝置解鎖。
3.車門的手動鎖門在門上安裝手動鑰匙鎖，乘務(wù)員用鑰匙從門內(nèi)或門外均可將門鎖住。門鎖住后再不受其它控制信號控制，處于關(guān)閉狀態(tài)，直到乘務(wù)員用鑰匙將其打開。
4，自動關(guān)門功能當(dāng)列車速度低于設(shè)定速度時，車門的開門信號才有效;當(dāng)速度超過設(shè)定時，將自動關(guān)閉所有未關(guān)的車門。
5.密封及防擠壓裝置車門上安裝的密封件抗壓強(qiáng)度應(yīng)保證空氣動力學(xué)作用下的密封效果;防擠壓裝置在低于設(shè)定速度時的車門關(guān)閉過程中具有防擠壓功能。
1.2.5塞拉門基本操作
1.手動開關(guān)門（沒電沒氣、有電有氣、沒電有氣）
（1）開門：用專用三角鑰匙按緊急解鎖裝置（或外操作裝置），標(biāo)記上箭頭所指方向（順時針）轉(zhuǎn)動裝置上的三角頭轉(zhuǎn)軸約45度，實(shí)現(xiàn)解鎖后，用手動拉門扇即可實(shí)現(xiàn)開門。
注意：手動開關(guān)轉(zhuǎn)軸經(jīng)緊急解鎖后應(yīng)及時復(fù)位。注：操作者雖進(jìn)行了解鎖操作，但如遇到非正常情況松開鑰匙后扔不能拉動門扇，此時操作者可一手進(jìn)行解鎖操作，同時另一手拉動門扇即可將門打開。
（2）開門：用手拉動門扇直至關(guān)閉位，當(dāng)聽到鎖的二級閉鎖動作發(fā)出聲響，即認(rèn)定門已經(jīng)被可靠關(guān)閉并鎖定，若只聽到一級閉鎖動作聲響則應(yīng)開門重新關(guān)門，直到實(shí)現(xiàn)二級鎖閉。手動關(guān)上車門至二級鎖閉裝置，用三角鑰匙操作隔離鎖，將長插銷舌端穩(wěn)妥地插入鎖檔。
2.電控氣動開關(guān)門（有電有氣）
3.集控開關(guān)門
4.車門隔離：車門再現(xiàn)故障，鎖閉隔離鎖，將車門隔離，該車門的狀態(tài)不影響集控“門未關(guān)到位”指示燈的正常指示。隔離鎖鎖閉后，集控操作信號，單門操作信號均被屏蔽，隔離鎖鎖閉后，門控系統(tǒng)保持關(guān)閉狀態(tài)。
5.正常狀態(tài)
（1）控制系統(tǒng)上電，門控器上的5VDC指示燈亮，門系統(tǒng)自動執(zhí)行關(guān)門一次，保持關(guān)門狀態(tài)。
（2）用三角鑰匙操作內(nèi)操作裝置或外操作裝置，原來關(guān)閉的門應(yīng)打開，再次動作后，開著的門應(yīng)關(guān)閉。
（3）門在關(guān)閉過程中，施加100-150N的阻力，門應(yīng)自動返回，延時10秒后，門重新自動關(guān)閉。
（4）門鎖到位且腳蹬收到位后，狀態(tài)指示燈滅，保險鎖鎖閉，狀態(tài)指示燈閃爍。
（5）鎖閉保險鎖，狀態(tài)指示燈滅，此時不能開關(guān)門，所有控制開關(guān)不起作用。
（6）系統(tǒng)有電時，緊急解鎖裝置實(shí)行解鎖后，開關(guān)門電磁閥斷，這時可手動開/關(guān)門，同時，蜂鳴器一直長音報警，直至緊急解鎖裝置復(fù)位，復(fù)位后自動執(zhí)行關(guān)門一次。
（7）開/關(guān)門時，蜂鳴器以短促音提示。
第二章 國內(nèi)外三種主要塞拉門結(jié)構(gòu)性能分析
2.1 IFE塞拉門
1998年,我國提速客車首次安裝了IFE公司生產(chǎn)的外擺電控氣動式塞拉門,它由門板、門框、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向裝置、鎖閉裝置、車內(nèi)外操縱裝置、防擠壓裝置、氣路系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等組成。此門沒有活動腳蹬裝置,通過應(yīng)用實(shí)踐證明,沒有活動腳蹬不便于旅客的上下車。
圖2.1 IFE塞拉門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖
2.1.1 門板
門板采用鋁合金結(jié)構(gòu),厚43 mm。門板空心部分填加具有阻燃防水性能的蜂窩填充材料,以保證其足夠的平面抗壓強(qiáng)度。門板與門體骨架四周做卷邊處理。門板周邊采用連續(xù)的EPDM膠條與門框角型材密封,前端邊緣處安裝防擠壓空心橡膠條。
2.1.2 驅(qū)動裝置
塞拉門由驅(qū)動裝置提供運(yùn)動動力,安裝在車廂門口上部車頂內(nèi),主要由無桿風(fēng)缸、輥式滑車、承重支架等組成。
車門開、關(guān)時間單程為3 s--6 s。車門運(yùn)動速度可通過無桿風(fēng)缸兩端的單向節(jié)流閥調(diào)整,開關(guān)門時有緩沖,以使運(yùn)動平穩(wěn)。導(dǎo)輪嵌入導(dǎo)軌引導(dǎo)支架縱向移動,使門板進(jìn)行“塞”動作。同樣,門板底邊導(dǎo)軌使門板與車體平行。
2.1.3 導(dǎo)向裝置
車門的導(dǎo)向由上下導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn),導(dǎo)向裝置在門關(guān)閉后不外露
2.1.4 鎖閉裝置
鎖閉裝置主要由安裝在側(cè)門框上的閉鎖風(fēng)缸、解鎖風(fēng)缸、旋轉(zhuǎn)鎖舌、固定鎖舌、鎖定凸輪等組成的旋轉(zhuǎn)鎖機(jī)構(gòu)組成。鎖閉裝置產(chǎn)生機(jī)械閉鎖力,防止車門電器、壓縮空氣發(fā)生故障時車門自動開啟。車門設(shè)雙重鎖閉裝置,門鎖閉時車門受力均勻。正常情況通過電控解鎖,緊急情況下,可通過手動三角鑰匙解鎖。
2.2康尼塞拉門
此門系統(tǒng)是由江蘇康尼機(jī)電新技術(shù)公司生產(chǎn)的,于1999年首次運(yùn)用在各廠生產(chǎn)的提速客車上?？的崛T的組成與結(jié)構(gòu)基本與IFE塞拉門相同,但又有以下幾點(diǎn)不同:
(1)驅(qū)動裝置中的無桿風(fēng)缸、輥式滑車的形式不同,導(dǎo)致了車體鋼結(jié)構(gòu)的吊裝結(jié)構(gòu)不同。
(2)將所有氣動元件組成一個氣路控制板,使安裝、維護(hù)保養(yǎng)及門開閉時間的調(diào)整非常方便。
(3)將DCU門控器與接線端子組成一個電氣箱安裝在走廊通過臺的內(nèi)端墻上,這樣,當(dāng)門發(fā)生故障時便于檢查和維護(hù)。
(4)隔離鎖在門板上的位置及隔離鎖形式不同,使乘務(wù)員便于操作,隔離鎖性能可靠。結(jié)構(gòu)圖如圖2.2。
圖2.2 康尼塞拉門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖
2.3博得塞拉門
此門系統(tǒng)是由北京博得交通設(shè)備有限公司生產(chǎn)的,于2000年運(yùn)用在各廠生產(chǎn)的提速客車上。其形式也為外擺式電控塞拉門,單個門系統(tǒng)由基礎(chǔ)安裝部分、驅(qū)動裝置、門板、門板附件、鎖閉裝置、活動腳蹬、氣路系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成。
博得門與IFE和康尼門相比,雖然組成門的幾大系統(tǒng)及其功能相同,但零件結(jié)構(gòu)形式完全不同。此外,此系統(tǒng)在門板上設(shè)置了內(nèi)解鎖把手、外解鎖扣手、中央鎖機(jī)構(gòu)、解鎖撥桿,它的下導(dǎo)軌設(shè)置在門板上,通過安裝在門框上的下擺臂來引導(dǎo)門板的運(yùn)動,同時驅(qū)動腳踏板風(fēng)缸的活塞拉桿帶動下擺臂繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,固定轉(zhuǎn)軸再通過傳動裝置帶動腳踏板繞腳踏板轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,從而實(shí)現(xiàn)腳踏板的打開和收起。這種機(jī)構(gòu)決定了不管是手動開門還是自動開門,腳踏板都隨著門的開閉而打開和收起,因此,手動開門時開啟力較大。在門板前端的下部還裝有滾輪碰座,并在門框上裝有碰接座,這樣,門在關(guān)閉狀態(tài)下,滾輪碰座始終受碰接座拉向車內(nèi)的力,使門板牢牢的壓在門框和前端膠條上,提高了車門的密封性。結(jié)構(gòu)圖如圖2.3。
圖2.3 北京博得塞拉門系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖
第三章 新型塞拉門結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1設(shè)計要求
第一，由于高速列車所承受的工況遠(yuǎn)比普通低速列車惡劣，車門在滿足乘客上下通道這一基本功能外，還應(yīng)該盡量提高車輛的密封性能。因此僅從結(jié)構(gòu)方面考慮就要求車門結(jié)構(gòu)滿足以下要求：
1.可靠，使用壽命長。機(jī)構(gòu)的使用壽命一般應(yīng)能滿足正常啟、閉150000次的要求，密封膠條應(yīng)能滿足2年內(nèi)啟、閉20000次的正常運(yùn)行要求。
2.密封性能好。在正負(fù)壓力下均能保持良好的密封效果，泄漏時間大于設(shè)定空間。
第二，針對列車可靠性和實(shí)用性要求，響應(yīng)國家低碳經(jīng)濟(jì)的要求，列車的傳動系統(tǒng)設(shè)計要求：
1.針對列車的能耗需要，要求整個門系統(tǒng)的重量盡可能輕，占有空間小。
2.列車傳動系統(tǒng)的噪音分貝需要降低。
3.2傳動裝置設(shè)計
3.2.1兩種傳動裝置方案
目前塞拉門主要有兩種傳動方式：一種是齒帶傳動，一種是螺桿傳動
方案一：齒帶傳動
圖 3.1 齒帶傳動原理圖
齒帶傳動是指自動門系統(tǒng)的左、右兩扇門頁分別通過齒帶夾板與齒帶兩側(cè)相連，齒帶兩端有齒帶輪架，使得齒帶形成一個閉環(huán)；通過驅(qū)動元件的驅(qū)動，使齒帶繞著齒帶輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時帶動兩扇門頁做相反方向的運(yùn)動，達(dá)到兩扇門頁同步運(yùn)動的狀態(tài)。
方案二：螺桿傳動
圖 3.2 螺桿傳動原理圖
螺桿傳動是指自動門系統(tǒng)的左、右兩扇門頁分別通過螺母組件與螺桿相連，螺桿為左旋和右旋對稱結(jié)構(gòu)通過驅(qū)動元件的驅(qū)動,使螺桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,同時帶動兩扇 門頁的螺母組件做相反方向的運(yùn)動達(dá)到兩扇門頁同步運(yùn)動的狀態(tài)
3.2.2 齒帶與螺桿傳動的主要特點(diǎn)
1、齒帶傳動特點(diǎn)
齒帶傳動主要的部件為齒形同步帶—同步帶背襯鋼絲。其傳動綜合了齒輪傳動、鏈傳動和帶傳動的優(yōu)點(diǎn),克服了其它各種帶打滑和伸長等缺點(diǎn),構(gòu)成一種獨(dú)特的傳動形式。同步帶具有傳動準(zhǔn)確、平衡、噪聲少、無滑差又節(jié)能、承載能力高、壽命長、傳動噪聲低、帶齒受力均勻合理、具有最小膨脹系數(shù)和最大可靠性等特點(diǎn)。同步齒帶可獲得恒定的速比,且速比范圍大,一般可達(dá)10；允許的線速度高,可達(dá)50m/s，其傳遞功率可從幾瓦到數(shù)百千瓦,傳動效率可達(dá)0.98（三角帶傳動最高為0.95）,并且結(jié)構(gòu)緊湊,具有耐油、耐潮、不需 潤滑 等優(yōu)點(diǎn),可在有污染和環(huán)境較為惡劣的場合下工作
2、螺桿傳動特點(diǎn)
螺桿傳動主要的部件是螺桿和螺母組件。螺桿一般為金屬材質(zhì),螺母組件采用金屬材質(zhì)或復(fù)合非金屬材質(zhì),有自潤滑和人工潤滑兩種潤滑方式。螺桿傳動具有傳動準(zhǔn)確、平衡,扭矩大的特點(diǎn)。
3.2.3 齒帶與螺桿傳動的比較
1）尺寸精度要求螺桿傳動系統(tǒng)必須控制門傳動系統(tǒng)的確切尺寸。為了成功地完成車門的裝置,必須要有更精確的車輛制造精度和門系統(tǒng)制造精度,同時加工螺桿與螺母組件也需要很高的精度。這必然導(dǎo)致一些附加費(fèi),導(dǎo)致車輛和門系統(tǒng)成本的
上升。齒帶傳動系統(tǒng)由于是柔性的傳動系統(tǒng),故不需要過高的精度即可以達(dá)到滿足要求的功能。
2）傳動力矩的要求螺桿傳動需要強(qiáng)大的力矩和強(qiáng)大的傳動系統(tǒng)才能完成預(yù)定的動作,因此螺桿傳動必須占用更多的空間、采用更重的重量和更高代價的結(jié)構(gòu)設(shè)計以達(dá)到目標(biāo)。齒帶系統(tǒng)則不需要特殊的力矩要求即可驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)動，從而減少了空間占用,減輕了結(jié)構(gòu)重量。從能量消耗的角度看,更小的驅(qū)動力矩意味著對于車輛較小的能量需求，從而減輕了車輛的負(fù)擔(dān)。
3）維修間隔的要求螺桿傳動系統(tǒng)每隔幾個月需要定期清洗、潤滑,每隔年整個系統(tǒng)必須全面檢查甚至更換。即螺桿傳動系統(tǒng)需要頻繁的維護(hù)。在日常維護(hù)過程中,車輛的最終用戶分配在車輛維護(hù)上的時間間隔已趨向于年,這就給螺桿傳動系統(tǒng)提 出了極高的、難以達(dá)到的要求。因?yàn)槁輻U傳動的密封一旦有所磨損,灰塵會進(jìn)人到相對運(yùn)動的高精度配合的螺母與螺桿之間,即使是自潤滑系統(tǒng),也會導(dǎo)致螺母與螺桿的相互摩擦損耗。如果沒有足夠的維護(hù),整個螺桿系統(tǒng)將趨向于不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致噪聲加大、門系統(tǒng)運(yùn)動不平穩(wěn)等故障。齒形帶則相反,從原理上齒帶就像汽車輪胎一樣,污垢被齒帶輪推到一邊,它是一個自然的污垢處理系統(tǒng)。齒帶傳動系統(tǒng)已經(jīng)證明在巧年的維護(hù)中總的維修間隔沒有任何的顯著要求。而維護(hù)工作的增加也意味著車輛運(yùn)營商成本的增加。表1給出了某車輛不同車門傳動方式的維修比較。
表 3.1 某齒帶傳動與螺桿傳動車門維修對比表
綜上所述，為了克服許多現(xiàn)有城軌自動門系統(tǒng)傳動裝置存在的環(huán)境適應(yīng)性差，可靠性不高，車輛運(yùn)行時門系統(tǒng)的維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，目前,北京城鐵13號線、北京地鐵國產(chǎn)化新造車、天津輕軌濱海線、長春輕軌以及大連輕軌車輛均采用了齒帶傳動的門系統(tǒng)。在國外齒帶傳動門系統(tǒng)更是占據(jù)了軌道車輛的主要市場。因此,齒帶傳動更適應(yīng)未來市場的需要,是軌道車輛自動門系統(tǒng)傳動方式的發(fā)展趨勢。
本次設(shè)計傳動方式采用齒帶傳動。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3.3 齒帶傳動結(jié)構(gòu)圖
圖中1、主動齒輪 2、齒形帶 3、左門扇連板 4、十字槽螺釘 5、左被動齒6、齒夾7、從動輪 8、右被動齒9、齒夾
3.3門板
3.3.1門板的結(jié)構(gòu)
門板采用鋁合金復(fù)合結(jié)構(gòu);由一個由鋁型材焊接而成的框架，內(nèi)、外側(cè)鋁合金蒙板和中填充的有孔鋁蜂窩組成。門板使用結(jié)構(gòu)膠粘接成一體，采用熱固化工藝制造而成。塞拉門門板用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和型材骨架使門板自身特點(diǎn)突出，具有很高的比剛度和比強(qiáng)度。同時鋁蜂窩層合板結(jié)構(gòu)是一種在航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料，具有比剛度和比強(qiáng)度高，振動性能、保溫性能和阻燃性好，隔音效果好等優(yōu)點(diǎn)。如圖3.4。門板結(jié)構(gòu)如圖3.5。
圖 3.4 蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖
圖3.5 門板結(jié)構(gòu)圖
3.3.2門窗的結(jié)構(gòu)
固定車窗的基本結(jié)構(gòu)為采用復(fù)合中空玻璃，鑲嵌在鋁框內(nèi)組為一體，安裝時自車內(nèi)安裝，采用結(jié)構(gòu)膠粘接實(shí)現(xiàn)彈性安裝，以利于在車內(nèi)外壓差下車體變形時，保持車窗的相對穩(wěn)定，同時采用鋁壓條與預(yù)先固定在車體上的鋁框用螺釘固定壓緊.安裝時窗框與車體外墻板貼緊.四角圓補(bǔ)角為6mm厚減震材料.自車外用聚硫膠密封.玻璃采用4(吸熱玻璃)+0.3(薄膜)+3(平板玻璃)+9(中空層)+5(鋼化玻璃)。
對于此窗玻璃所能承受的車體內(nèi)外壓力差的強(qiáng)度計算，可以用以下方法得出結(jié)論。以車體內(nèi)外壓力差820 mmAq(=8 000 Pa)計算產(chǎn)生的最大應(yīng)力?；诓ＡУ陌惭b結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為用4個邊簡單支撐、均等分布載荷，因此用以下公式計算：
產(chǎn)生的最大應(yīng)力：σmax=β×q×a2×t2
β：根據(jù)縱橫比計算出來的系數(shù)=482mm/875mm=0.551
q ： 載荷重量=0.008 MPa(820 mmAq)由內(nèi)外玻璃來負(fù)擔(dān)該載荷
t ：玻璃厚度=6 mm.
a ：玻璃短邊長=482 mm
當(dāng)玻璃為雙層玻璃時，如果外層玻璃與內(nèi)層玻璃的厚度相同，則內(nèi)外層玻璃平均分擔(dān)載荷。由上面公式可得σmax=18.281 N/mm2。
我們已知鋼化玻璃的短期許用應(yīng)力=88.3 N/mm2 (計算值)，下面以單層6 mm厚的玻璃、雙層6mm厚的玻璃及單層5 mm厚的玻璃計算出的結(jié)果與許用應(yīng)力做比較
1.雙層6mm厚
β=0.551
q=0.004Mpa
t=6mm
a=482mm
σmax=18.281 N/mm2
2.單層6mm厚
同理，σmax=36.4 N/mm2
3.單層5mm厚
同理，σmax=12.695 N/mm2
綜上所述，對于門窗的設(shè)計，可以采用單層玻璃，無需再用雙層鋼化玻璃。
圖3.6 門窗設(shè)計
門板是承受外面載荷的主要受力件，由于它是移動的，這要求車門要承受列車在會車，過隧道時產(chǎn)生的壓力。門的開關(guān)在正常情況下可以由車上的開關(guān)按鈕控制，同時設(shè)置緊急開關(guān)，緊急開關(guān)在車輛行駛中不起作用。本設(shè)計中，車門高2046.4mm，寬700mm，厚度32mm，中間由蜂窩結(jié)構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)參見CAD附圖.
3.4限位導(dǎo)向槽
限位導(dǎo)向槽的作用是限制導(dǎo)向輪的移動，從而帶動門扇作直線運(yùn)動。
限位導(dǎo)向槽的設(shè)計可以分成三種。
第一種：全部為直線部分。這種設(shè)計能快速實(shí)現(xiàn)門扇的運(yùn)動，使其關(guān)閉。但其缺點(diǎn)是無塞拉動作，無法實(shí)現(xiàn)門扇的密封，無法抗擊車輛會車，出入隧道時產(chǎn)生的強(qiáng)壓，進(jìn)而無法保護(hù)車內(nèi)的乘客。
圖3.7 直線導(dǎo)向槽
第二種：直線部分和塞拉部分有很小的過渡圓角。該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)門扇的塞拉運(yùn)動，但由于過渡圓角過于小，使運(yùn)動的方向改變的時間過短，會導(dǎo)致門扇的動載荷過大，產(chǎn)生一定的噪音和振動，增大磨損，降低門扇的壽命，嚴(yán)重時會使倒槽斷裂，造成人員傷亡。
圖3.8 小圓角導(dǎo)向槽
第三種：直線部分和塞拉部分有較大的過渡圓角。該設(shè)計不但能保證門扇的塞拉作用，而且還綜合了上述兩種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，能快速平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)門扇的開關(guān)動作，而且還能克服第二種設(shè)計產(chǎn)生的噪音，減少動載荷的產(chǎn)生，保證列車內(nèi)人員安全，在車輛運(yùn)動中更加平穩(wěn)。
圖3.9 大圓角導(dǎo)向槽
因此我們選用第三種設(shè)計方案。
3.5電機(jī)
3.5.1電機(jī)的介紹
1．按工作電源種類劃分：可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。直流電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動機(jī)和有刷直流電動機(jī)。有刷直流電動機(jī)可劃分：永磁直流電動機(jī)和電磁直流電動機(jī)。電磁直流電動機(jī)劃分：串勵直流電動機(jī)、并勵直流電動機(jī)、他勵直流電動機(jī)和復(fù)勵直流電動機(jī)。永磁直流電動機(jī)劃分：稀土永磁直流電動機(jī)、鐵氧體永磁直流電動機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動機(jī)。其中交流電機(jī)還可分：單相電機(jī)和三相電機(jī)。
2．按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：可分為直流電動機(jī)、異步電動機(jī)、同步電動機(jī)。 同步電機(jī)可劃分：永磁同步電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和磁滯同步電動機(jī)。異步電機(jī)可劃分：感應(yīng)電動機(jī)和交流換向器電動機(jī)。感應(yīng)電動機(jī)可劃分：三相異步電動機(jī)、單相異步電動機(jī)和罩極異步電動機(jī)等。交流換向器電動機(jī)可劃分：單相串勵電動機(jī)、交直流兩用電動機(jī)和推斥電動機(jī)。
3．按起動與運(yùn)行方式劃分：電容起動式單相異步電動機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動機(jī)、電容起動運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動機(jī)和分相式單相異步電動機(jī)。
4．按用途劃分：驅(qū)動用電動機(jī)和控制用電動機(jī)。驅(qū)動用電動機(jī)劃分：電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴(kuò)孔等工具）用電動機(jī)、家電（包括洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、吸塵器、照相機(jī)、電吹風(fēng)、電動剃須刀等）用電動機(jī)及其它通用小型機(jī)械設(shè)備（包括各種小型機(jī)床、小型機(jī)械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動機(jī)。控制用電動機(jī)又劃分：步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)等。
5．按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分：籠型感應(yīng)電動機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電動機(jī)）和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電動機(jī)）。
6．按運(yùn)轉(zhuǎn)速度劃分：高速電動機(jī)、低速電動機(jī)、恒速電動機(jī)、調(diào)速電動機(jī)。低速電動機(jī)又分為齒輪減速電動機(jī)、電磁減速電動機(jī)、力矩電動機(jī)和爪極同步電動機(jī)等。調(diào)速電動機(jī)除可分為有級恒速電動機(jī)、無級恒速電動機(jī)、有級變速電動機(jī)和無級變速電動機(jī)外，還可分為電磁調(diào)速電動機(jī)、直流調(diào)速電動機(jī)、PWM變頻調(diào)速電動機(jī)和開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速
3.5.2電機(jī)的選擇法案論證
按照現(xiàn)行的常用電機(jī)，有以下幾種選擇方案
方案一：采用伺服電機(jī)。伺服電機(jī)具有反饋功能，可以對塞拉門的即時運(yùn)動位置進(jìn)行反饋，可以保證運(yùn)動的精度，但是伺服電機(jī)造價昂貴，一般運(yùn)用于數(shù)控加工機(jī)床或者對運(yùn)動精度要求高的場合下，此處無需保證過高的精度，此處使用經(jīng)濟(jì)型差。
方案二：采用鼠籠式三項(xiàng)異步電機(jī)，此種電機(jī)型號繁多，鄭磊齊全，價格最低，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都有很大的可供選擇性，但是此類電機(jī)最大的缺點(diǎn)便是重量過大，占地空間大，不符合塞拉門傳動系統(tǒng)質(zhì)量輕的需求。
方案三：采用步進(jìn)電機(jī)，此種型號的電機(jī)，雖然一般不具有反饋的功能，但是能夠完全滿足塞拉門傳動系統(tǒng)的需求，質(zhì)量較輕，價格適中，性價比最高。
根據(jù)要求，在滿足承載能力的同時，要保持良好的同步性，又由于步進(jìn)電機(jī)具有效率高，能耗少、噪聲低、振動小、重量輕、體積小、性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，我們最終選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動源。
3.5.3步進(jìn)電機(jī)的介紹
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。
步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。
選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時，首先要計算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。
選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。
選擇功率步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的需要。
3.5.4步進(jìn)電機(jī)的計算
已知的參數(shù)：
兩扇門總質(zhì)量80kg，其余零件總質(zhì)量75kg，門的開合速度為0.72m/s，大致取齒輪直徑為75mm。
【1】.計算電機(jī)的輸出功率
G1=800N，G2=750N，G總=1550N
其中80％都在承載光桿上
G3=1550×0.8=1240N
軸采用45鋼
查表得鋼在潤滑情況下的摩擦系數(shù)可取0.1~0.12（靜）0.05~0.1（動），取0.12來計算。
f=G3×0.12=148.8N
P=f×V=148.8×0.72m/s=107.136w
取安全系數(shù)為3
P輸出=107.136×3=321.408w
【2】.計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速
齒輪直徑為75mm
2πR×n=0.72m
n=3r/s=180r/min
【3】.計算電機(jī)輸出的總轉(zhuǎn)矩
由于是同步齒帶，所以齒輪的減速比為i=1；
1).計算齒輪折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩
m=7.85×103kg/m3×3.14×(0.0752-0.022)×0.0203=2.62kg
Jt=m(R12+R22)/2=2.62×(7.52+22)/2=79.1kg·cm2
2).計算導(dǎo)軌摩擦力折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩
傳動效率去0.7
T=148.8×0.02/0.7
=4.25N·m
3).總的轉(zhuǎn)矩
一般情況下所選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為所算轉(zhuǎn)矩的2到3倍，這里取2倍
3.5.5步進(jìn)電機(jī)的選擇
電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、0.6度/1.2度（三相電機(jī)）等。
根據(jù)要求步進(jìn)角不宜過大和過小，過大則傳動不平穩(wěn)，過小則傳動過慢，本設(shè)計選用三相混合式步進(jìn)電機(jī)，因此步進(jìn)角為0.6度/1.2度。
選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax 大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。
選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。
選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的需要。
運(yùn)行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負(fù)載，并留有足夠的余量。
查表3.2選用110BYG350DH-0501型電機(jī)，步距角0.6，最大靜轉(zhuǎn)矩16N·m，慣量17.4kg·cm2，電壓220V，重11.1kg。
表3.2 三相混合式步進(jìn)電機(jī)
第四章 承載裝置設(shè)計
4.1承載裝置概述
4.1.1 國內(nèi)外承載裝置對比
塞拉門的承載裝置主要為承載軸，承受了塞拉門80%-90%的重量，另外，齒帶也承受了一部分重量，大概為10%-20%。為了滿足塞拉門的運(yùn)動承載能力，必須要保證承載軸的承載能力。
在設(shè)計承載軸的結(jié)構(gòu)中，必要要綜合考慮到承載軸的形狀，材料，尺寸等，達(dá)到最優(yōu)化，質(zhì)量最輕，承載能力最好。
在國內(nèi)的塞拉門中，承載裝置設(shè)計的很不合理：承載部件多,切復(fù)雜，重量大，而且承載軸移動，這樣就導(dǎo)致塞拉門在移動過程中，定位不準(zhǔn)確，慣性力較大，無法承受會車，進(jìn)出隧道時產(chǎn)生的超高壓力。
在國外的塞拉門中，承載軸是固定住的，而且進(jìn)行了輕量化處理，是總體質(zhì)量大大降低，而且承載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，但承載能力好，運(yùn)動不太復(fù)雜。能夠承受門板移動產(chǎn)生的動載荷，并且變形小，能夠保證門扇的精確定位與閉合。
本課題所設(shè)計的承載驅(qū)動裝置經(jīng)過研究對比，決定選用劉極峰、楊小蘭老師的專利—一種塞拉門齒帶雙軸導(dǎo)桿槽型凸輪組合空間機(jī)構(gòu)。
4.1.2 承載運(yùn)動原理
該機(jī)構(gòu)其特征在于包括門架、電機(jī)、主動輪、齒帶、輔助承載軸、帶夾緊裝置、軸承座、從動輪、輔軸套、聯(lián)桿A、主軸套、主承載軸、聯(lián)桿B、聯(lián)桿C、導(dǎo)桿套、滾輪、導(dǎo)向槽、攜門導(dǎo)桿、槽型凸輪和門頁，其中主動輪、齒帶、下帶夾、張緊裝置、軸承座、從動輪組成齒帶傳動機(jī)構(gòu)；聯(lián)桿A、主軸套、聯(lián)桿B、聯(lián)桿C、導(dǎo)桿套固結(jié)為一體，與主承載軸、輔軸、門架等組成雙軸導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；主軸套、主軸、聯(lián)桿C又與滾輪、導(dǎo)向槽、攜門導(dǎo)桿、槽型凸輪、門頁及門架組成雙軸導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，所述齒帶傳動機(jī)構(gòu)、雙軸導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和槽型凸輪機(jī)構(gòu)相互連接構(gòu)成塞拉門齒帶雙軸導(dǎo)桿槽型凸輪組合空間機(jī)構(gòu)。空間機(jī)構(gòu)簡圖如下圖所示。
圖4.1 單扇門雙軸導(dǎo)桿槽型凸輪組合空間機(jī)構(gòu)
圖中：1門架、2電機(jī)、3主動輪、4齒帶、5輔助承載軸、6下帶夾、7張緊裝置、8軸承座、9從動輪、10輔軸套、11聯(lián)桿A、12主軸套、13主承載軸、14聯(lián)桿B、15聯(lián)桿C、16導(dǎo)桿套、17滾輪、18導(dǎo)向槽、19攜門導(dǎo)桿、20槽型凸輪、21門頁。
該機(jī)構(gòu)工作原理：塞拉門的啟閉塞拉密封運(yùn)動可按下述過程實(shí)現(xiàn)。電機(jī)得電通過主動輪驅(qū)動齒帶做上下往復(fù)直線運(yùn)動，同時帶動從動輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、帶動下帶夾沿X方向作往復(fù)直線運(yùn)動；由于帶夾與輔軸套固結(jié)為一體，且通過聯(lián)桿A、聯(lián)桿B、聯(lián)桿C與主軸套、導(dǎo)桿套相互固結(jié)，故使得導(dǎo)桿套帶動導(dǎo)桿一起沿X方向作直線運(yùn)動；又由于導(dǎo)桿上聯(lián)接有滾輪、導(dǎo)向槽、門頁，故同時通過帶動門頁沿X方向移動，實(shí)現(xiàn)門頁的開與關(guān)；由于導(dǎo)桿與門頁是被動運(yùn)動，其上滾輪受槽型凸輪的運(yùn)動限制，故導(dǎo)桿與門頁只能沿槽型凸輪運(yùn)動。
圖4.2 承載裝置側(cè)視圖
4.1.3 承載機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
該機(jī)構(gòu)與國內(nèi)外塞拉門機(jī)構(gòu)相比具有以下特點(diǎn)：
1）主副承載軸雙軸兩端均固定在門架上，與國產(chǎn)塞拉門承載軸整體參與運(yùn)動情況相比，不僅承載能力大幅提高，整體強(qiáng)度、剛度顯著增加，而且運(yùn)動部分零部件數(shù)量、重量明顯下降，可實(shí)現(xiàn)塞拉門機(jī)構(gòu)與傳動系統(tǒng)的輕量化。
2）與國外塞拉門相比，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)動構(gòu)件數(shù)大為減少，具有尺寸小、重量輕、成本低的明顯優(yōu)勢，且運(yùn)動時門頁沒有上下的擺動量，使得門頁快速開關(guān)時的動態(tài)穩(wěn)定性明顯提高，具有塞拉密封可靠與門頁啟閉迅速的特點(diǎn)。
3）與螺旋傳動相比，本發(fā)明的齒帶傳動與張緊機(jī)構(gòu)，具有耐油、耐潮、無需潤滑、壽命長、運(yùn)行可靠、自動張緊等優(yōu)點(diǎn)，且允許線速度提高，傳遞功率大，傳動效率可達(dá)0.98；塞拉門螺旋傳動噪聲約75dB，而齒帶傳動噪聲一般約為55dB，若采用螺旋角8°左右的斜齒帶傳動，可達(dá)45dB以下，真正實(shí)現(xiàn)塞拉門傳動系統(tǒng)的低噪聲。
4）因?yàn)閷?dǎo)桿與塞拉門門頁相固結(jié)，需通過導(dǎo)桿套作塞拉運(yùn)動，其所受彎扭應(yīng)力很大，因此機(jī)構(gòu)中巧妙地將主軸套、導(dǎo)桿套、輔軸套相互聯(lián)接，一方面增加了導(dǎo)桿長度，使其強(qiáng)度、剛度顯著增強(qiáng)；另一方面使主副承載軸手里更趨合理，大大提高了導(dǎo)桿套自身抗彎扭變形的承載能力。
5）為進(jìn)一步提高攜門導(dǎo)桿、導(dǎo)桿套的承載能力，可將其移動副選用花鍵連接，具有定心精度高、應(yīng)力集中小和相對運(yùn)動的穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
6）齒帶機(jī)構(gòu)張緊裝置，采用燕尾導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、彈簧張緊、雙螺母鎖緊與調(diào)節(jié)方式，利用彈簧的適當(dāng)推力，實(shí)現(xiàn)齒帶傳動的自動張緊。
4.2攜門裝置
本設(shè)計中塞拉門機(jī)構(gòu)攜門裝置包括攜門導(dǎo)桿、攜門導(dǎo)套和攜門導(dǎo)柱組成。
本設(shè)計中主要完成攜門機(jī)構(gòu)，如圖4.3所示
圖 4.3 攜門機(jī)構(gòu)裝配圖
4.3 承載軸的設(shè)計
4.3.1承載軸尺寸。
因本次設(shè)計采用的是雙軸承載，一個主承載軸，一個輔承載軸，故對小尺寸輔承載軸進(jìn)行校核。
方案一：實(shí)心承載軸：
承載軸長度為0.8m（只對桿長的一半進(jìn)行分析）
承載軸直徑為0.04m，如圖4.4
圖4.4 實(shí)心承載軸
方案二：空心承載軸：
承載軸長度為0.8m（只對桿長的一半進(jìn)行分析）
承載軸外徑為0.04m
承載軸內(nèi)徑為0.02m，如圖4.5。
圖4.5 空心承載軸
4.3.2承載軸材料的選擇
1.彈性模量
彈性模量（楊氏模量）是彈性材料的一種最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)，是物體彈性變形難易程度的表征。單位為E。彈性模量的定義是理想材料有小形變時應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比。E以單位面積上承受的力表示，單位為牛/米^2。
模量的性質(zhì)依賴于形變的性質(zhì)。剪切形變時的模量稱為剪切模量，用G表示；壓縮形變時的模量稱為壓縮模量，用K表示。模量的倒數(shù)稱為柔量，用J表示。
彈性模量描述材料的抗應(yīng)變或應(yīng)力形變后恢復(fù)原形的能力。
2. 切變模量
切變模量是剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值。是材料在剪切應(yīng)力作用下，在彈性變形比例極限范圍內(nèi)，切應(yīng)力與切應(yīng)變的比值。它表征材料抵抗切應(yīng)變的能力。模量大，則表示材料的剛性強(qiáng)。切變模量的倒數(shù)稱為剪切柔量，是單位剪切力作用下發(fā)生切應(yīng)變的量度，可表示材料剪切變形的難易程度。
3.泊松比
泊松比是材料在單向受拉或受壓時，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值的比值。它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。
材料的性能和彈性模量，切變模量，泊松比有很大的關(guān)系，下面是一些常見材料的彈性模量及切變模量，泊松比。
表4.1是有些材料的彈性模量，切變模量，?泊松比的對比：
表4.1 材料的比較
名稱
彈性模量E/GPa
?切變模量G/GPa
泊松比μ
灰、白口鑄鐵
115～160
45
0.23～0.27
球墨鑄鐵
151～160
61
0.25～0.29
45鋼
210
81
0.25～0.3
高強(qiáng)度鋁合金
206
83
0.26～0.32
鑄鋼
175
70-84
0.25～0.29
軋制磷青銅
115
42
0.32～0.35
鑄鋁青銅
105
42
0.25
硬鋁合金
71
27
0.3
冷拔黃銅
91～99
35-37
0.32～0.42
由上面的資料可得，我們選擇45鋼。
彈性模量E=210GPa? ??切變模量G=81GPa? ?泊松比μ=0.3