塞轨道车辆塞拉门传动及携门装置设计说明书

全套设计图纸加11970985或197216396 毕业设计说明书(论文)作 者：系 部： 专 业：题 目： 轨道车辆塞拉门传动及携门装置设计 指导者： 评阅者： 毕业设计说明书（论文）中文摘要 本项目涉及的是一种轨道车辆的塞拉门的传动及塞拉门的携门装置。由于我国高速铁路事业的迅速发展，机车对高速车的门系统的可靠性、安全性提出了较高的要求，因此开发出更新换代的新产品已经成为了必然。本文首先对国内外塞拉门的发展状况作了简要的介绍；然后对塞拉门的工作方式，工作原理，及主要部件做了详细说明；在第三章，对塞拉门的结构进行了重新设计，采用塞拉门齿带双轴导杆槽型凸轮组合空间机构。该装置主要利用步进电动机通过齿轮带动同步齿形带，在同步齿形带上装有上下齿夹，从而带动门板运动，通过双轴导杆槽型凸轮组合空间机构实现门的塞拉和直线运动。在第四章，主要对塞拉门承载装置进行了分析和计算。最后进行的是塞拉门系统的运动仿真。关键词 塞拉门 导轨 齿形带 双轴导杆63毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Rail vehicle plug door in Sierra gate drive to bring the gate device design AbstractThis project involves is a rail vehicle plug door design and plug door of Tooth belt transmission. Because Chinas 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 simulationKeywords sliding plug door guide Synchronous belt four-bar 目 录前 言1第一章 塞拉门概述21.1国内外塞拉门现状21.1.1国内塞拉门现状21.1.2国外塞拉门现状21.1.3国内外对比总结31.2塞拉门相关知识简介41.2.1基本知识41.2.2构造41.2.3关键部件51.2.4塞拉门基本功能71.2.5塞拉门基本操作8第二章 国内外三种主要塞拉门结构性能分析102.1 IFE塞拉门102.1.1 门板112.1.2 驱动装置112.1.3 导向装置112.1.4 锁闭装置112.2康尼塞拉门112.3博得塞拉门12第三章 新型塞拉门结构设计143.1设计要求143.2传动装置设计143.2.1两种传动装置方案143.2.2 齿带与螺杆传动的主要特点153.2.3 齿带与螺杆传动的比较163.3门板183.3.1门板的结构183.3.2门窗的结构193.4限位导向槽203.5电机223.5.1电机的介绍223.5.2电机的选择法案论证233.5.3步进电机的介绍243.5.4步进电机的计算243.5.5步进电机的选择26第四章 承载装置设计284.1承载装置概述284.1.1 国内外承载装置对比284.1.2 承载运动原理284.1.3 承载机构特点304.2携门装置314.3 承载轴的设计324.3.1承载轴尺寸。324.3.2承载轴材料的选择334.3.3承载轴强度与刚度校核34第五章UG建模与运动学仿真375.1 使用软件简介375.2 设计思路与建模方法375.2.1设计思路375.2.2 建模方法375.3仿真思路与方法425.3.1仿真思路425.3.2工作原理425.3.3仿真方法42第六章 结论46致 谢47参考文献48前 言随着铁路客车技术的不断发展,塞拉门的技术水平有了很大的提高。塞拉门是客车车体的重要组成部分,其安全性、密封性、隔热性能、隔声性能等均是设计的关键。特别是随着列车运行速度的提高,安全性及密封性显得尤为重要。目前,国内塞拉门的制造、安装、工艺等方面的技术水平与日本及欧洲各发达国家相比有一定的差距,相关的技术标准、技术规范不够完善,设计水平相对较低。因此,结合我国的国情,学习国际国外的标准,制定适合我国铁路制造行业的相关标准;同时吸收国外的先进技术,借鉴国外的成功经验,提高我国铁路客车产品的整体设计和制造水平,是今后工作的方向。在欧洲铁路各种类型客车上,塞拉门已经被广泛采用。近年来,随着客车的高速化和现代化,要求车门:关门时车体外观平滑美观;能降低车辆运行时受到的空气阻力及其产生的噪声;要求提高室内隔声性及气密性,以满足舒适要求。为此,塞拉门受到人们的高度重视。本文着重对塞拉门的设计，采用全新的塞拉门传动方式及携门机构，使其总质量最轻，且能够满足运动承载能力，实现塞拉门的塞拉动作，保证门扇的密封性，安全性。第一章 塞拉门概述1.1国内外塞拉门现状1.1.1国内塞拉门现状自20世纪90年代中期我国引进塞拉门以来,经过几年的消化吸收,现国产塞拉门已大量应用于铁路客车上。现有国产塞拉门有以下几种:(1)用于25T型客车及160 km/h速度级各动车组上的电控气动塞拉门。此类塞拉门基本为仿制第1批进口塞拉门,结构形式及基本性能与原进口产品近似。(2)用于200 km/h动车组的电控气动塞拉门。此类塞拉门主要针对200 km/h动车组设计,相对上述电控气动塞拉门,其断面形式进行了重新调整,增加了锁闭点,脚蹬踏板结构根据相应站台高度情况进行了重新设计。(3)手动塞拉门。此类塞拉门主要应用于25G型客车,它在电控气动塞拉门的基础上取消了电控气动装置及翻板脚踏装置并加装了锁闭定位装置。(4)充气密封塞拉门。此类塞拉门是针对270km/h动车组项目研制的,借鉴了法国TGV车门密封形式,采用充气密封胶条密封及门前三点定位、门后三点锁闭的锁闭形式,同时在门板的结构形式上做了改进。试验证明,此门在密封、强度、隔热、隔声等性能上都有很大提高,但充气密封胶条的寿命仅为15年,未装车运用。综上所述,我国160 km/h速度级客车用电控气动塞拉门与国外相应塞拉门为同类产品,经多年装车运用技术已基本成熟,但在密封性能、电控系统可靠性等方面还有待完善。而200 km/h及以上速度级客车用塞拉门目前尚无成熟可靠的产品。1.1.2国外塞拉门现状国外高速车用塞拉门按密封形式分为双唇胶条密封、充气密封及压紧密封3类。(1)双唇胶条密封。以德国ICE车用BODE公司为代表的塞拉门采用双唇胶条密封,即采用双唇胶条,保证在车内外有正负压差时均能压紧胶条,实现门的密封,同时,对门体多点锁闭定位,以保证门的强度及列车交会时的密封。我国270 km/h动车组曾采用过该种车门。(2)充气密封。以法国TGV车用FAIVELY公司为代表的塞拉门采用充气密封,即在门边采用双层胶条,外层为普通的初级密封条,内层为可充气密封胶条。车门关闭后,向可充气密封胶条充气,车速超过10 km/h后,充气压力达到150 kPa,此时胶条胀开,实现与门框的压力密封。门体锁闭形式为后门框两点锁闭。传动形式为气动马达齿轮齿条传动。(3)压紧密封。日本新干线采用的NABTESCO公司的塞拉门均采用压紧密封,即门周边采用O形胶条,在门关闭时,压紧装置通过压门板使胶条与门框压紧,实现密封;在门关闭后,压紧装置保持压力。此种密封形式结构简单,密封补偿量大,安全可靠。国外客车塞拉门已经过数十年的运用考验,技术成熟可靠,尤其是高速车塞拉门,值得我国学习、借鉴。1.1.3国内外对比总结国内劣势与优势：第一，国内地铁塞拉门宽约为1.5m左右，而整个塞拉门系统尺寸过大，甚至达到2m以上，结构较国外松散，空间利用率远远低于国外塞拉门系统。第二，由于尺寸过大，直接导致国产塞拉门的重量过大，整体重量一般约为75kg，无形当中需要更大的电机带动，消耗远远大于国外塞拉门系统。第三，国内塞拉门的运动噪声大于国际标准的60分呗，大约为75分贝。第四，国内塞拉门价格相对便宜，适用于发展中国家的现阶段发展。国外劣势与优势：第一，在保证塞拉门宽为1.5m左右的同时，整个塞拉门系统总体尺寸保持在1.7m内，合理利用空间，结构紧凑。第二，采用合理的复合材料和精简的零件，在提高强度刚度和可靠性的同时，重量相对较轻，系统总仅为48kg左右，大大减少了驱动力的要求，节约了能量。第三，门系统运行过程中的噪音低于国际标准的60分呗。第四，由于多处零件采用复合材料，且对各个零件的精度要求高，造价远高于我国自主生产的塞拉门系统，从而直接导致在大大提高技术竞争力的同时，也大大削弱了价格竞争力。1.2塞拉门相关知识简介1.2.1基本知识塞拉门是高速旅客列车使用的系列化外摆塞拉门，门扇为直型，有左右之分。驱动方式为气动，控制方式为电控，因此称之为电控气动塞拉门，厂家有康尼，博德，欧特美等等。广泛用于25K、25T型客车双管供风的车辆，以空气为动力，推动无杆风缸并带动门扇形成开关门动作，其风源来自双管供风列车的总风管，气压为0.45-0.6Mpa。1.2.2构造1基础部件：（1）上、下滑道、密封件由门框前压条，后压条，上压条，下防护罩和胶条等组成（在车门关闭是实现门页与车体的密封），导向件由上下导轨组成，门页导向轮在导轨内实现车门的摆塞运动。定位缓冲通过橡胶缓冲头克服车门在开关终了位置的冲击。门扇由门页（含橡胶密封胶条），锁扣，隔离锁，携门架和下支架组成。翻转脚蹬传动杆：下拉杆，接杆，套，气缸支架及气缸组成。翻转脚蹬：翻转脚蹬由转轴箱，支撑架和翻转板组成，翻转踏板在车门关闭时收起，车门打开是落下。2承载驱动机构：承载驱动机构由支架，长导柱，短导柱，直线轴承和驱动气缸等组成。承载机构承受门扇的所有垂直重量，门扇在驱动气缸的作用下通过直线轴承在长，短导柱上的运动实现车门的摆塞运动。3操纵装置：由内操作装置，外操作装置，连动机构和手控开关装置（紧急解锁）组成。4.气路系统：由无杆气缸，气路组成，过滤减压阀组件，球阀（作气阀开关用），气排气阀，节流阀，气管等组成。如图1.1图1.1 气路系统原理图5.门控系统：控制系统的核心，是由门控器，电源保护，电源转换，接线端子等元件组成，每节车箱分别在一位端，二位端各设一套控制系统，每个控制单元分别控制箱的输入，输出信号端子排上门控系统系统具有：1）通讯；2）内，外操作装置电控开/关门；3）紧急解锁装置切断控制电源实现解锁后手动开/关门；4）防挤压；5）隔离锁隔离车门，屏蔽控制信号；6）车速5km/h字的关门；7）自诊断；8）脚蹬翻版位置检测；9）集中控制等功能。1.2.3关键部件1.内操作装置（车内电控锁）：内操作装置为电控开关，没有手动开门的功能。有电有气，无集控信号或集控开门状态时，内操作装置可实现正常电控开/关门。有电有气，集控关门状态时，操作内操作装置无效。2外操作装置（车外手动，电控双功能锁）：有电有气，无集控信号或集控开门状态时，外操作装置可实现正常电控开/关门。有电有气，集控关门状态时，操作外操作装置无效。3.保险锁（隔离锁）：保险锁采用行程开关，当关闭此门开关时，门保持关门状态，控制信号被隔离，所有手动，自动，紧急解锁集中控制功能失效，状态指示灯灭。系统处于开门状态时，压下保险锁开关时间大于0.5秒，门扇执行关门动作，系统切换为关门状态；压下保险锁开关时间小于0.5秒，门扇不动作。如图1.2所示。图1.2 保险锁结构示意图4紧急解锁装置（车内手动锁）：除非保险锁被锁闭，其他任何情况下紧急解锁装置都能手动解锁，解锁后开、关电磁阀断电，蜂鸣器长音报警。5.门锁（二级锁）：门锁采用气动锁闭/气动解锁装置和手动解锁装置，门锁可在任何情况下解锁，安全可靠。在有电有气的情况下，开锁气缸动作实现门锁解锁。在有电有气的情况下，闭锁气缸动作实现门锁二级锁闭。无气源时，手动关门，应使锁叉处在二级啮合位置，通过操作紧急解锁装置（手动锁）、外操作装置（手动、电控双功能锁）都应能把门打开。6.防挤压压力开关：防挤压压力开关采用压力检测开关，检测开关时无杆气缸关门端的压力。关门时，工作压力大于设定值时，压力开关输出防挤压信号。当车速5km/h时，正常关门过程中，若车门遇有100-150N的阻力时，门能自动打开，延时10秒后，门重新自动关闭；当车速5km/h时，关门遇到障碍，门停在原处，5秒后门继续关闭。7.防挤压压力波开关：压力波开关所起的作用与压力开关的作用一样，它检测门板胶条气囊内压力。关门时如遇障碍物，门板胶条受到挤压，气囊内产生一突变压力，使压力波开关动作，输出防挤压信号。8.98%位置开关：98%位置开关安装在无杆气缸上，当门关闭到全行程的98%的位置是，98%开关发出信号，此信号用来屏蔽防挤压信号。因此在门关闭到98%开关位置以后，没有防挤压功能。如图1.3所示。 图1.3 位置开关示意图9.“关门到位”开关：“关门到位”开关采用行程开关，常开常闭触点。“关门到位”开关安装在门锁锁体上部塑料防护罩内，调整时取下塑料防护罩，关上车门，使开关处于完全松开状态，打开车门使开关的常开触点可靠接触。10.脚蹬位置开关：采用微动开关，用于检测脚蹬位置。压下此开关，脚蹬位置指示灯熄灭，表示脚蹬已收起。调整此开关时，应注意脚蹬翻版收起时，微动开关应可靠压下；脚蹬翻版落下，微动开关应处于自然状态。1.2.4塞拉门基本功能塞拉门在关闭时，门相对于车体起着塞紧的功能。驱动机构使用气缸和上、下导轨产生塞入动作。塞拉门基本功能包括:1.车门的开关门的开关在正常情况下可以由车上的开关按钮控制，同时设置紧急开关，紧急开关在车辆行驶中不起作用。2.车门的锁闭门的锁闭依靠锁闭装置实现，包括:锁钩、闭锁凸轮、控制风缸和闭锁气缸等零部件。关门时，安装在门板上的锁销将逐渐进入锁钩槽中，当门完全关闭后，控制气缸驱动锁钩将锁销紧紧钩住，闭锁凸轮在闭锁气缸内的弹簧作用下转动，与锁钩形成棘轮机构，防止列车失风时车门自动解锁而打开。当开门时，闭锁气缸先动作，驱动闭锁凸轮转动，使锁闭机构先解锁，然后控制风缸使锁钩销脱离，在驱动装置驱动下将车门打开。紧急情况时，可扳动紧急开关，与紧急开关相连接的手动解锁钢丝驱动闭锁凸轮，使锁闭装置解锁。3.车门的手动锁门在门上安装手动钥匙锁，乘务员用钥匙从门内或门外均可将门锁住。门锁住后再不受其它控制信号控制，处于关闭状态，直到乘务员用钥匙将其打开。4，自动关门功能当列车速度低于设定速度时，车门的开门信号才有效;当速度超过设定时，将自动关闭所有未关的车门。5.密封及防挤压装置车门上安装的密封件抗压强度应保证空气动力学作用下的密封效果;防挤压装置在低于设定速度时的车门关闭过程中具有防挤压功能。1.2.5塞拉门基本操作1.手动开关门（没电没气、有电有气、没电有气）（1）开门：用专用三角钥匙按紧急解锁装置（或外操作装置），标记上箭头所指方向（顺时针）转动装置上的三角头转轴约45度，实现解锁后，用手动拉门扇即可实现开门。注意：手动开关转轴经紧急解锁后应及时复位。注：操作者虽进行了解锁操作，但如遇到非正常情况松开钥匙后扔不能拉动门扇，此时操作者可一手进行解锁操作，同时另一手拉动门扇即可将门打开。（2）开门：用手拉动门扇直至关闭位，当听到锁的二级闭锁动作发出声响，即认定门已经被可靠关闭并锁定，若只听到一级闭锁动作声响则应开门重新关门，直到实现二级锁闭。手动关上车门至二级锁闭装置，用三角钥匙操作隔离锁，将长插销舌端稳妥地插入锁档。2.电控气动开关门（有电有气）3.集控开关门4.车门隔离：车门再现故障，锁闭隔离锁，将车门隔离，该车门的状态不影响集控“门未关到位”指示灯的正常指示。隔离锁锁闭后，集控操作信号，单门操作信号均被屏蔽，隔离锁锁闭后，门控系统保持关闭状态。5.正常状态（1）控制系统上电，门控器上的5VDC指示灯亮，门系统自动执行关门一次，保持关门状态。（2）用三角钥匙操作内操作装置或外操作装置，原来关闭的门应打开，再次动作后，开着的门应关闭。（3）门在关闭过程中，施加100-150N的阻力，门应自动返回，延时10秒后，门重新自动关闭。（4）门锁到位且脚蹬收到位后，状态指示灯灭，保险锁锁闭，状态指示灯闪烁。（5）锁闭保险锁，状态指示灯灭，此时不能开关门，所有控制开关不起作用。（6）系统有电时，紧急解锁装置实行解锁后，开关门电磁阀断，这时可手动开/关门，同时，蜂鸣器一直长音报警，直至紧急解锁装置复位，复位后自动执行关门一次。（7）开/关门时，蜂鸣器以短促音提示。第二章 国内外三种主要塞拉门结构性能分析2.1 IFE塞拉门1998年,我国提速客车首次安装了IFE公司生产的外摆电控气动式塞拉门,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、防挤压装置、气路系统及电控系统等组成。此门没有活动脚蹬装置,通过应用实践证明,没有活动脚蹬不便于旅客的上下车。图2.1 IFE塞拉门系统结构组成示意图 2.1.1 门板门板采用铝合金结构,厚43 mm。门板空心部分填加具有阻燃防水性能的蜂窝填充材料,以保证其足够的平面抗压强度。门板与门体骨架四周做卷边处理。门板周边采用连续的EPDM胶条与门框角型材密封,前端边缘处安装防挤压空心橡胶条。2.1.2 驱动装置塞拉门由驱动装置提供运动动力,安装在车厢门口上部车顶内,主要由无杆风缸、辊式滑车、承重支架等组成。车门开、关时间单程为3 s-6 s。车门运动速度可通过无杆风缸两端的单向节流阀调整,开关门时有缓冲,以使运动平稳。导轮嵌入导轨引导支架纵向移动,使门板进行“塞”动作。同样,门板底边导轨使门板与车体平行。2.1.3 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2.1.4 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。车门设双重锁闭装置,门锁闭时车门受力均匀。正常情况通过电控解锁,紧急情况下,可通过手动三角钥匙解锁。2.2康尼塞拉门此门系统是由江苏康尼机电新技术公司生产的,于1999年首次运用在各厂生产的提速客车上。康尼塞拉门的组成与结构基本与IFE塞拉门相同,但又有以下几点不同:(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门控器与接线端子组成一个电气箱安装在走廊通过台的内端墙上,这样,当门发生故障时便于检查和维护。(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,隔离锁性能可靠。结构图如图2.2。图2.2 康尼塞拉门系统结构组成示意图2.3博得塞拉门此门系统是由北京博得交通设备有限公司生产的,于2000年运用在各厂生产的提速客车上。其形式也为外摆式电控塞拉门,单个门系统由基础安装部分、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。博得门与IFE和康尼门相比,虽然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、解锁拨杆,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板绕脚踏板转轴转动,从而实现脚踏板的打开和收起。这种机构决定了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,手动开门时开启力较大。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,使门板牢牢的压在门框和前端胶条上,提高了车门的密封性。结构图如图2.3。图2.3 北京博得塞拉门系统组成结构示意图第三章 新型塞拉门结构设计3.1设计要求 第一，由于高速列车所承受的工况远比普通低速列车恶劣，车门在满足乘客上下通道这一基本功能外，还应该尽量提高车辆的密封性能。因此仅从结构方面考虑就要求车门结构满足以下要求： 1.可靠，使用寿命长。机构的使用寿命一般应能满足正常启、闭150000次的要求，密封胶条应能满足2年内启、闭20000次的正常运行要求。2.密封性能好。在正负压力下均能保持良好的密封效果，泄漏时间大于设定空间。第二，针对列车可靠性和实用性要求，响应国家低碳经济的要求，列车的传动系统设计要求：1.针对列车的能耗需要，要求整个门系统的重量尽可能轻，占有空间小。2.列车传动系统的噪音分贝需要降低。3.2传动装置设计3.2.1两种传动装置方案 目前塞拉门主要有两种传动方式：一种是齿带传动，一种是螺杆传动方案一：齿带传动图 3.1 齿带传动原理图齿带传动是指自动门系统的左、右两扇门页分别通过齿带夹板与齿带两侧相连，齿带两端有齿带轮架，使得齿带形成一个闭环；通过驱动元件的驱动，使齿带绕着齿带轮作旋转运动，同时带动两扇门页做相反方向的运动，达到两扇门页同步运动的状态。方案二：螺杆传动图 3.2 螺杆传动原理图螺杆传动是指自动门系统的左、右两扇门页分别通过螺母组件与螺杆相连，螺杆为左旋和右旋对称结构通过驱动元件的驱动,使螺杆做旋转运动,同时带动两扇 门页的螺母组件做相反方向的运动达到两扇门页同步运动的状态3.2.2 齿带与螺杆传动的主要特点1、齿带传动特点齿带传动主要的部件为齿形同步带同步带背衬钢丝。其传动综合了齿轮传动、链传动和带传动的优点,克服了其它各种带打滑和伸长等缺点,构成一种独特的传动形式。同步带具有传动准确、平衡、噪声少、无滑差又节能、承载能力高、寿命长、传动噪声低、带齿受力均匀合理、具有最小膨胀系数和最大可靠性等特点。同步齿带可获得恒定的速比,且速比范围大,一般可达10；允许的线速度高,可达50m/s，其传递功率可从几瓦到数百千瓦,传动效率可达0.98（三角带传动最高为0.95）,并且结构紧凑,具有耐油、耐潮、不需 润滑 等优点,可在有污染和环境较为恶劣的场合下工作2、螺杆传动特点螺杆传动主要的部件是螺杆和螺母组件。螺杆一般为金属材质,螺母组件采用金属材质或复合非金属材质,有自润滑和人工润滑两种润滑方式。螺杆传动具有传动准确、平衡,扭矩大的特点。3.2.3 齿带与螺杆传动的比较1）尺寸精度要求螺杆传动系统必须控制门传动系统的确切尺寸。为了成功地完成车门的装置,必须要有更精确的车辆制造精度和门系统制造精度,同时加工螺杆与螺母组件也需要很高的精度。这必然导致一些附加费,导致车辆和门系统成本的上升。齿带传动系统由于是柔性的传动系统,故不需要过高的精度即可以达到满足要求的功能。2）传动力矩的要求螺杆传动需要强大的力矩和强大的传动系统才能完成预定的动作,因此螺杆传动必须占用更多的空间、采用更重的重量和更高代价的结构设计以达到目标。齿带系统则不需要特殊的力矩要求即可驱动系统运动，从而减少了空间占用,减轻了结构重量。从能量消耗的角度看,更小的驱动力矩意味着对于车辆较小的能量需求，从而减轻了车辆的负担。3）维修间隔的要求螺杆传动系统每隔几个月需要定期清洗、润滑,每隔年整个系统必须全面检查甚至更换。即螺杆传动系统需要频繁的维护。在日常维护过程中,车辆的最终用户分配在车辆维护上的时间间隔已趋向于年,这就给螺杆传动系统提 出了极高的、难以达到的要求。因为螺杆传动的密封一旦有所磨损,灰尘会进人到相对运动的高精度配合的螺母与螺杆之间,即使是自润滑系统,也会导致螺母与螺杆的相互摩擦损耗。如果没有足够的维护,整个螺杆系统将趋向于不稳定,从而导致噪声加大、门系统运动不平稳等故障。齿形带则相反,从原理上齿带就像汽车轮胎一样,污垢被齿带轮推到一边,它是一个自然的污垢处理系统。齿带传动系统已经证明在巧年的维护中总的维修间隔没有任何的显著要求。而维护工作的增加也意味着车辆运营商成本的增加。表1给出了某车辆不同车门传动方式的维修比较。表 3.1 某齿带传动与螺杆传动车门维修对比表综上所述，为了克服许多现有城轨自动门系统传动装置存在的环境适应性差，可靠性不高，车辆运行时门系统的维护工作量大等缺点，目前,北京城铁13号线、北京地铁国产化新造车、天津轻轨滨海线、长春轻轨以及大连轻轨车辆均采用了齿带传动的门系统。在国外齿带传动门系统更是占据了轨道车辆的主要市场。因此,齿带传动更适应未来市场的需要,是轨道车辆自动门系统传动方式的发展趋势。本次设计传动方式采用齿带传动。其结构如下图所示。 图3.3 齿带传动结构图图中1、主动齿轮 2、齿形带 3、左门扇连板 4、十字槽螺钉 5、左被动齿6、齿夹7、从动轮 8、右被动齿9、齿夹 3.3门板3.3.1门板的结构门板采用铝合金复合结构;由一个由铝型材焊接而成的框架，内、外侧铝合金蒙板和中填充的有孔铝蜂窝组成。门板使用结构胶粘接成一体，采用热固化工艺制造而成。塞拉门门板用蜂窝夹层结构和型材骨架使门板自身特点突出，具有很高的比刚度和比强度。同时铝蜂窝层合板结构是一种在航空航天工业中得到广泛应用的复合材料，具有比刚度和比强度高，振动性能、保温性能和阻燃性好，隔音效果好等优点。如图3.4。门板结构如图3.5。图 3.4 蜂窝结构示意图图3.5 门板结构图3.3.2门窗的结构固定车窗的基本结构为采用复合中空玻璃，镶嵌在铝框内组为一体，安装时自车内安装，采用结构胶粘接实现弹性安装，以利于在车内外压差下车体变形时，保持车窗的相对稳定，同时采用铝压条与预先固定在车体上的铝框用螺钉固定压紧.安装时窗框与车体外墙板贴紧.四角圆补角为6mm厚减震材料.自车外用聚硫胶密封.玻璃采用4(吸热玻璃)+0.3(薄膜)+3(平板玻璃)+9(中空层)+5(钢化玻璃)。 对于此窗玻璃所能承受的车体内外压力差的强度计算，可以用以下方法得出结论。以车体内外压力差820 mmAq(=8 000 Pa)计算产生的最大应力。基于玻璃的安装结构，可以认为用4个边简单支撑、均等分布载荷，因此用以下公式计算：产生的最大应力：max=qa2t2：根据纵横比计算出来的系数=482mm/875mm=0.551 q ： 载荷重量=0.008 MPa(820 mmAq)由内外玻璃来负担该载荷 t ：玻璃厚度=6 mm.a ：玻璃短边长=482 mm当玻璃为双层玻璃时，如果外层玻璃与内层玻璃的厚度相同，则内外层玻璃平均分担载荷。由上面公式可得max=18.281 N/mm2。我们已知钢化玻璃的短期许用应力=88.3 N/mm2 (计算值)，下面以单层6 mm厚的玻璃、双层6mm厚的玻璃及单层5 mm厚的玻璃计算出的结果与许用应力做比较1.双层6mm厚=0.551q=0.004Mpat=6mma=482mmmax=18.281 N/mm22.单层6mm厚同理，max=36.4 N/mm23.单层5mm厚同理，max=12.695 N/mm2综上所述，对于门窗的设计，可以采用单层玻璃，无需再用双层钢化玻璃。 图3.6 门窗设计门板是承受外面载荷的主要受力件，由于它是移动的，这要求车门要承受列车在会车，过隧道时产生的压力。门的开关在正常情况下可以由车上的开关按钮控制，同时设置紧急开关，紧急开关在车辆行驶中不起作用。本设计中，车门高2046.4mm，宽700mm，厚度32mm，中间由蜂窝结构组成，具体结构参见CAD附图. 3.4限位导向槽 限位导向槽的作用是限制导向轮的移动，从而带动门扇作直线运动。限位导向槽的设计可以分成三种。第一种：全部为直线部分。这种设计能快速实现门扇的运动，使其关闭。但其缺点是无塞拉动作，无法实现门扇的密封，无法抗击车辆会车，出入隧道时产生的强压，进而无法保护车内的乘客。图3.7 直线导向槽第二种：直线部分和塞拉部分有很小的过渡圆角。该设计能够实现门扇的塞拉运动，但由于过渡圆角过于小，使运动的方向改变的时间过短，会导致门扇的动载荷过大，产生一定的噪音和振动，增大磨损，降低门扇的寿命，严重时会使倒槽断裂，造成人员伤亡。图3.8 小圆角导向槽第三种：直线部分和塞拉部分有较大的过渡圆角。该设计不但能保证门扇的塞拉作用，而且还综合了上述两种设计的优点，能快速平稳的实现门扇的开关动作，而且还能克服第二种设计产生的噪音，减少动载荷的产生，保证列车内人员安全，在车辆运动中更加平稳。图3.9 大圆角导向槽因此我们选用第三种设计方案。3.5电机3.5.1电机的介绍1按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。其中交流电机还可分：单相电机和三相电机。 2按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。 同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 3按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 4按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又划分：步进电动机和伺服电动机等。 5按转子的结构划分：笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 6按运转速度划分：高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速3.5.2电机的选择法案论证按照现行的常用电机，有以下几种选择方案方案一：采用伺服电机。伺服电机具有反馈功能，可以对塞拉门的即时运动位置进行反馈，可以保证运动的精度，但是伺服电机造价昂贵，一般运用于数控加工机床或者对运动精度要求高的场合下，此处无需保证过高的精度，此处使用经济型差。方案二：采用鼠笼式三项异步电机，此种电机型号繁多，郑磊齐全，价格最低，转速和转矩都有很大的可供选择性，但是此类电机最大的缺点便是重量过大，占地空间大，不符合塞拉门传动系统质量轻的需求。方案三：采用步进电机，此种型号的电机，虽然一般不具有反馈的功能，但是能够完全满足塞拉门传动系统的需求，质量较轻，价格适中，性价比最高。根据要求，在满足承载能力的同时，要保持良好的同步性，又由于步进电机具有效率高，能耗少、噪声低、振动小、重量轻、体积小、性能优良，运行可靠，维护方便等优点。综上所述，我们最终选择步进电机作为驱动源。3.5.3步进电机的介绍步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 3.5.4步进电机的计算已知的参数： 两扇门总质量80kg，其余零件总质量75kg，门的开合速度为0.72m/s，大致取齿轮直径为75mm。【1】.计算电机的输出功率 G1=800N，G2=750N，G总=1550N其中80都在承载光杆上 G3=15500.8=1240N轴采用45钢 查表得钢在润滑情况下的摩擦系数可取0.10.12（静）0.050.1（动），取0.12来计算。 f=G30.12=148.8N P=fV=148.80.72m/s=107.136w取安全系数为3 P输出=107.1363=321.408w【2】.计算电机的转速齿轮直径为75mm 2Rn=0.72m n=3r/s=180r/min【3】.计算电机输出的总转矩由于是同步齿带，所以齿轮的减速比为i=1； 1).计算齿轮折算到电机上的转矩 m=7.85103kg/m33.14(0.0752-0.022)0.0203=2.62kg Jt=m(R12+R22)/2=2.62(7.52+22)/2=79.1kgcm2 2).计算导轨摩擦力折算到电机上的转矩传动效率去0.7 T=148.80.02/0.7=4.25Nm 3).总的转矩 一般情况下所选电机的转矩为所算转矩的2到3倍，这里取2倍 3.5.5步进电机的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、0.6度/1.2度（三相电机）等。根据要求步进角不宜过大和过小，过大则传动不平稳，过小则传动过慢，本设计选用三相混合式步进电机，因此步进角为0.6度/1.2度。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax 大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。查表3.2选用110BYG350DH-0501型电机，步距角0.6，最大静转矩16Nm，惯量17.4kgcm2，电压220V，重11.1kg。表3.2 三相混合式步进电机第四章 承载装置设计4.1承载装置概述4.1.1 国内外承载装置对比塞拉门的承载装置主要为承载轴，承受了塞拉门80%-90%的重量，另外，齿带也承受了一部分重量，大概为10%-20%。为了满足塞拉门的运动承载能力，必须要保证承载轴的承载能力。在设计承载轴的结构中，必要要综合考虑到承载轴的形状，材料，尺寸等，达到最优化，质量最轻，承载能力最好。在国内的塞拉门中，承载装置设计的很不合理：承载部件多,切复杂，重量大，而且承载轴移动，这样就导致塞拉门在移动过程中，定位不准确，惯性力较大，无法承受会车，进出隧道时产生的超高压力。在国外的塞拉门中，承载轴是固定住的，而且进行了轻量化处理，是总体质量大大降低，而且承载机构的结构简单，但承载能力好，运动不太复杂。能够承受门板移动产生的动载荷，并且变形小，能够保证门扇的精确定位与闭合。本课题所设计的承载驱动装置经过研究对比，决定选用刘极峰、杨小兰老师的专利一种塞拉门齿带双轴导杆槽型凸轮组合空间机构。4.1.2 承载运动原理该机构其特征在于包括门架、电机、主动轮、齿带、辅助承载轴、带夹紧装置、轴承座、从动轮、辅轴套、联杆A、主轴套、主承载轴、联杆B、联杆C、导杆套、滚轮、导向槽、携门导杆、槽型凸轮和门页，其中主动轮、齿带、下带夹、张紧装置、轴承座、从动轮组成齿带传动机构；联杆A、主轴套、联杆B、联杆C、导杆套固结为一体，与主承载轴、辅轴、门架等组成双轴导杆机构；主轴套、主轴、联杆C又与滚轮、导向槽、携门导杆、槽型凸轮、门页及门架组成双轴导杆机构，所述齿带传动机构、双轴导杆机构和槽型凸轮机构相互连接构成塞拉门齿带双轴导杆槽型凸轮组合空间机构。空间机构简图如下图所示。 图4.1 单扇门双轴导杆槽型凸轮组合空间机构图中：1门架、2电机、3主动轮、4齿带、5辅助承载轴、6下带夹、7张紧装置、8轴承座、9从动轮、10辅轴套、11联杆A、12主轴套、13主承载轴、14联杆B、15联杆C、16导杆套、17滚轮、18导向槽、19携门导杆、20槽型凸轮、21门页。该机构工作原理：塞拉门的启闭塞拉密封运动可按下述过程实现。电机得电通过主动轮驱动齿带做上下往复直线运动，同时带动从动轮做旋转运动、带动下带夹沿X方向作往复直线运动；由于带夹与辅轴套固结为一体，且通过联杆A、联杆B、联杆C与主轴套、导杆套相互固结，故使得导杆套带动导杆一起沿X方向作直线运动；又由于导杆上联接有滚轮、导向槽、门页，故同时通过带动门页沿X方向移动，实现门页的开与关；由于导杆与门页是被动运动，其上滚轮受槽型凸轮的运动限制，故导杆与门页只能沿槽型凸轮运动。 图4.2 承载装置侧视图4.1.3 承载机构特点该机构与国内外塞拉门机构相比具有以下特点：1）主副承载轴双轴两端均固定在门架上，与国产塞拉门承载轴整体参与运动情况相比，不仅承载能力大幅提高，整体强度、刚度显著增加，而且运动部分零部件数量、重量明显下降，可实现塞拉门机构与传动系统的轻量化。2）与国外塞拉门相比，结构简单紧凑，运动构件数大为减少，具有尺寸小、重量轻、成本低的明显优势，且运动时门页没有上下的摆动量，使得门页快速开关时的动态稳定性明显提高，具有塞拉密封可靠与门页启闭迅速的特点。3）与螺旋传动相比，本发明的齿带传动与张紧机构，具有耐油、耐潮、无需润滑、寿命长、运行可靠、自动张紧等优点，且允许线速度提高，传递功率大，传动效率可达0.98；塞拉门螺旋传动噪声约75dB，而齿带传动噪声一般约为55dB，若采用螺旋角8左右的斜齿带传动，可达45dB以下，真正实现塞拉门传动系统的低噪声。4）因为导杆与塞拉门门页相固结，需通过导杆套作塞拉运动，其所受弯扭应力很大，因此机构中巧妙地将主轴套、导杆套、辅轴套相互联接，一方面增加了导杆长度，使其强度、刚度显著增强；另一方面使主副承载轴手里更趋合理，大大提高了导杆套自身抗弯扭变形的承载能力。5）为进一步提高携门导杆、导杆套的承载能力，可将其移动副选用花键连接，具有定心精度高、应力集中小和相对运动的稳定性好等特点。6）齿带机构张紧装置，采用燕尾导轨结构、弹簧张紧、双螺母锁紧与调节方式，利用弹簧的适当推力，实现齿带传动的自动张紧。4.2携门装置 本设计中塞拉门机构携门装置包括携门导杆、携门导套和携门导柱组成。本设计中主要完成携门机构，如图4.3所示图 4.3 携门机构装配图4.3 承载轴的设计4.3.1承载轴尺寸。因本次设计采用的是双轴承载，一个主承载轴，一个辅承载轴，故对小尺寸辅承载轴进行校核。方案一：实心承载轴： 承载轴长度为0.8m（只对杆长的一半进行分析）承载轴直径为0.04m，如图4.4图4.4 实心承载轴方案二：空心承载轴：承载轴长度为0.8m（只对杆长的一半进行分析）承载轴外径为0.04m承载轴内径为0.02m，如图4.5。图4.5 空心承载轴4.3.2承载轴材料的选择1.弹性模量弹性模量（杨氏模量）是弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质，是物体弹性变形难易程度的表征。单位为E。弹性模量的定义是理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。E以单位面积上承受的力表示，单位为牛/米2。模量的性质依赖于形变的性质。剪切形变时的模量称为剪切模量，用G表示；压缩形变时的模量称为压缩模量，用K表示。模量的倒数称为柔量，用J表示。弹性模量描述材料的抗应变或应力形变后恢复原形的能力。2. 切变模量切变模量是剪切应力与应变的比值。是材料在剪切应力作用下，在弹性变形比例极限范围内，切应力与切应变的比值。它表征材料抵抗切应变的能力。模量大，则表示材料的刚性强。切变模量的倒数称为剪切柔量，是单位剪切力作用下发生切应变的量度，可表示材料剪切变形的难易程度。3.泊松比泊松比是材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。它是反映材料横向变形的弹性常数。材料的性能和弹性模量，切变模量，泊松比有很大的关系，下面是一些常见材料的弹性模量及切变模量，泊松比。表4.1是有些材料的弹性模量，切变模量，泊松比的对比： 表4.1 材料的比较名称弹性模量E/GPa切变模量G/GPa泊松比灰、白口铸铁115160450.230.27球墨铸铁151160610.250.2945钢210810.250.3高强度铝合金206830.260.32铸钢17570-840.250.29轧制磷青铜115420.320.35铸铝青铜105420.25硬铝合金71270.3冷拔黄铜919935-370.320.42由上面的资料可得，我们选择45钢。弹性模量E=210GPa 切变模量