自动车门开启系统的创新设计

　　黄旭东

　　摘要： 为了改进现有的移动车辆车门打开机制，我们首先应用创新问题解决理论(TRIZ)的矛盾矩阵和理想化设计技术作为改进自动车门关闭系统的参考，并在设计中找到配套要求。接下来，基于齿轮系运动的分析和设计理论设计电机齿轮传动系统。最后，在车门自动打开(关闭)设计的限制下设计了一种具有工程设计的自动车门开启(关闭)系统。随着创新型自动车门开启(关闭)设计的系统化方案发展成为本研究的一个原型，研究可以作为行业自动车门开启(关闭)系统开发的模式。

　　关键词：TRIZ;自动车门关闭系统;齿轮系运动

　　1. TRIZ理论及应用

　　TRIZ意思是“发明问题的解决理论”，工程系统的创新或发明不是随机事件，因为一个人的发明和创造能力是可以训练的。根据TRIZ理论的论据，技术系统可用的一般演进理论可以发展成为解决原创性的方法或工具。

　　1.1 矛盾矩阵

　　文章通过引入39个工程参数和40个创造原则，将矛盾矩阵作为解决技术矛盾的工具之一。基于TRIZ理论，现有制度总是存在矛盾，创新体现在这些矛盾被排斥在一个问题之外。 为了找到可行的解决方案，我们将39个工程参数安排在矩阵的两个轴上，其中垂直轴包含待改进的参数，水平轴包括避免恶化的参数。两个矛盾参数相交的相应网格是推荐的解决方案。

　　由于车门开启系统的成本和运行原机制的便利性预计分别下降和提高，参数要提高的是固定会员区域(6)，电力(21)和设备复杂度(36)和避免恶化的参数是固定构件的长度(4)，强度(14)和可靠性(27)。如表1所示的矛盾矩阵，最常见的解决原则是原则26，简化和廉价的对象用于替代高的价格。为了降低成本，将车架打开的方式改变为由电动机和连杆驱动的机构。如图1所示。汽车框架自动打开方案是：马达(5)将连接轿厢门(1)和连接接头(3)的连杆(4)连接起来，侧车门(2)形成一个与车门(1)的角度为90度。电动机(5)的激活能够驱动驱动轿门(1)的连杆组件(4)打开侧车门(2)。

　　表1 矛盾矩阵

　　图1 自动开门车的方案

　　1.2 理想设计理论

　　理想化设计理念强调，任何技术系统在其生命周期内始终都将发展成为简化、有效、理想化的系统。提供系统的方法来帮助设计师纠正定义问题，理想化的设计理论可以为理想化的目标产生创新的概念。由于定义和分析问题的六个步骤来发现理想化设计中的解决方案，本研究中理想化设计的步骤是：

　　(1)一个设计的完成目标：改进打开车架，降低成本，提高行业实用性。

　　(2)理想的解决方案：开发可控的单面车门开启(关闭)系统，实现重量轻，成本低廉，车身开启时无人身体的晃动。

　　(3)理想解决方案的障碍：由于液压开启系统的复杂性，需要定期维护液压缸，液压泵和管道，不可避免地出现漏油。液压设备需要符合车辆的尺寸，成本和重量很高。缺少自锁功能，没有增加额外安全装置的车门可能会逐渐向下滑倒，造成危险。

　　(4)发生障碍的结果：采用液压开放系统。

　　(5)没有障碍的条件发生：替代液压开启系统的另一个开放系统。

　　(6)创建这些条件的可用资源：车架、车门、电机和导螺杆。

　　基于排水系统使用的理想化解决方案和运行原理的变化方案：

　　(1)位移系统：使用电机和齿轮驱动的开启系统将原始机构中的液压驱动开启系统置换。

　　(2)运行原理的改变：为了改善创新设计方案(图1)的开放系统的缺点，例如由于暴露在车身外部容易腐蚀，污染和占据大容量的成员，并实现成本降低并且简化打开操作，在该设计方案中开启系统的位置随着放置在车架上的电机，涡杆和齿轮以及连接件变成电动马达--齿轮缸而变化，通过激活电机，涡杆和涡轮来驱动电动机--齿轮缸以打开车门。

　　2. 创新方案设计

　　本研究的目的是探索自动门开启系统的主要规格和功能，并提出新的设计理念作为设计该系统的参考。自动车门开启系统包括电动齿轮缸和自动车门开启系统的体积，并增加了操作的便利性。电动齿轮缸由电机、涡轮涡杆减速机、螺丝对组成。自动车门开启系统的设计描述如下：

　　2.1. 电动齿轮缸

　　2.1.1. 涡轮涡杆减速机的设计

　　根据齿轮系的特点，设计符合自动车门开启系统速度要求的涡轮涡杆减速机。图2显示出了包括直流电机，涡轮涡杆减速器和螺丝对的电动机齿轮缸。 涡杆(=1)是与直流电机相邻的输入端子，涡轮(=36)是与单螺纹相邻的输出端子。因此，为了控制涡杆的转速，传动比达到36的高值。

　　图2 电动马达气缸

　　涡轮和涡轮系统的运动方程是：

=3600rpm，涡杆=1，涡轮=36，代入式(1)，得到：(2)

　根据式(2)，输出端涡杆的转速为齿轮螺杆。

　　2.1.2. 螺丝和滑块(螺母)的设计

　　螺丝对由螺钉和滑块组成。螺丝的旋转运动可以改变为滑块(螺母)的直线运动。它符合自动车门开启系统的运动要求。图3是齿轮箱的横截面视图。

　　图3 齿轮箱横截面图

　　螺丝和滑块的运动方程为：

　　螺杆L = 4 mm，涡轮转速(=螺杆转速)rpm齿轮螺杆ω=ω= 100，代入式(3)，得到：

　　因此，滑块的速度为6.667mm / sec，即提升速度。

　　基于上述结果，电动齿轮缸的主要规格和功能如表2所示。

　　表2 电动机齿轮气缸的规格

　　2.2. 车门开启机构设计

　　在设计电机齿轮传动系统后，下一步就是设计车门机构。自动车门开启系统的要求和规格如下：

　　(1)车门系统必须具有自动开启功能。

　　(2)采用电动齿轮缸作为自动车门开启系统的动力装置，实现更高的可靠性。

　　(3)增加一个电动控制器，同时控制两个电动齿轮缸，用户可以打开各个侧门。

　　(4) 直流电机转速为3600rpm，涡轮减速机齿轮比为36，输出轴(涡轮)转速为100rpm。

　　(5)滑块的升程为250mm。

　　(6)船员领先4mm。

　　根据自动车门开启系统的设计约束，自动车门开启机构可以通过滑块曲柄反转的四杆联动(RRPR)进行设计。图4显示了RRPR 4连杆的结构骨架。连杆3和连杆4形成棱柱对，可以用图2所示的电机传动系统代替。

　　图4 车门打开机构(RRPR 4杆连杆)

　　按下单侧手控装置，由于电动马达齿轮缸安装在车门和车架之间，所启动的马达将驱动电动齿轮缸工作，最后打开车门。车门开启系统中的所有构件的旋转方向如图6所示。

　　图5 车门开启系统的旋转方向

　　3. 结论

　　本研究得出的成果：

　　(1)提供自动车门开启(关闭)系统的创新过程和方法，作为该机制的系统设计参考。

　　(2)汽车门自动开启的驱动系统设计，作为开发自动车门开启系统的参考，具有结构简单，制造成本低，运行平稳的特点。

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