楊釗，嚴(yán)鵬鵬，付才

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043）

前言

目前，自卸車后門啟閉機(jī)構(gòu)存在拉桿式、鏈條式、搖桿式以及液壓式等多種形式。其中，鏈條式啟閉機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修方便而被廣泛應(yīng)用。但該啟閉機(jī)構(gòu)只有在貨箱舉升角大于等于其完全開啟角（一般為5°～8°）時(shí)后門方可完全開啟，而在貨箱舉升、后門尚未完全開啟時(shí)（后門與后鎖鉤搭接尚未完全脫離），貨物傾卸擠壓后門，啟閉機(jī)構(gòu)受力過大；此外，啟閉機(jī)構(gòu)在完全開啟的瞬間，貨物快速涌出，后鎖鉤來不及完全落下將受到極強(qiáng)的沖擊力。長此以往，將導(dǎo)致啟閉機(jī)構(gòu)形變甚至損壞，維修頻次較高，并且導(dǎo)致后門存在間隙而閉合不嚴(yán)，造成運(yùn)輸途中道路拋灑現(xiàn)象嚴(yán)重。

針對上述情況，特此設(shè)計(jì)一種自卸車氣囊鏈條式后門啟閉機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)剛性后門啟閉機(jī)構(gòu)相比有較大區(qū)別，該機(jī)構(gòu)以特制的橡膠氣囊替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的緩沖件（多為橡膠墊塊或彈簧，如圖1），借用底盤氣源控制后門啟閉。有效避免了原機(jī)構(gòu)“晚開”的弊病，并兼?zhèn)渥詣友a(bǔ)償間隙的作用。

圖1 傳統(tǒng)啟閉機(jī)構(gòu)

1 機(jī)構(gòu)組成及其工作原理

該后門啟閉機(jī)構(gòu)可分為控制部分、調(diào)距部分和鎖緊部分。主要由行程開關(guān)1、蓄氣瓶2、單向閥3、兩位三通電磁閥4、調(diào)整螺桿5、調(diào)整螺母6、橡膠氣囊7、鎖緊下支座8、鏈條9、鎖緊上支座10、翻轉(zhuǎn)銷11及后鎖鉤12等部件連接而成，如圖2所示。

控制部分包括布置在副車架兩側(cè)腹板上的行程開關(guān)、底盤蓄氣瓶、單向閥和兩位三通電磁閥。行程開關(guān)接收箱體舉升、下降的控制信號并將其傳遞給電磁閥，電磁閥一端通過氣管路分別與單向閥及蓄氣瓶相連，另一端與橡膠氣囊相連。通過行程開關(guān)的控制信號可對橡膠氣囊的充放氣狀態(tài)進(jìn)行切換。如圖3所示，行程開關(guān)布置于副車架腹板，距翻轉(zhuǎn)軸水平間隔為 A（A與行程開關(guān)的行程及后門完全開啟角度相關(guān)）。

圖2 鎖緊狀態(tài)示意圖

圖3 開啟狀態(tài)示意圖

調(diào)距部分包括鎖緊下支座、調(diào)整螺桿、橡膠氣囊及調(diào)整螺母。橡膠氣囊的充氣行程大于調(diào)整螺桿的螺紋長度，橡膠氣囊充氣時(shí)該啟閉機(jī)構(gòu)處于鎖緊狀態(tài)，放氣時(shí)處于開啟狀態(tài)。

鎖緊部分包括鎖緊上支座、翻轉(zhuǎn)銷、后鎖鉤及鏈條。鏈條的張緊與松弛控制后鎖鉤相對于后門的鎖緊與開啟。

在駐車狀態(tài)卸貨時(shí)，貨箱舉升，行程開關(guān)自動感應(yīng)并控制電磁閥使得在貨箱舉升至完全開啟角度之前橡膠氣囊便處于放氣狀態(tài)。此時(shí)鏈條處于松弛狀態(tài)，后鎖鉤相對于貨廂后門的壓緊力消除，后鎖鉤此時(shí)為自由下垂?fàn)顟B(tài)，其相對于銷軸的旋轉(zhuǎn)方向不受力。使得啟閉機(jī)構(gòu)提前于完全開啟角打開，有效避免了后門啟閉機(jī)構(gòu)在卸貨時(shí)受到的沖擊力。

在卸貨完畢貨箱回落后，行程開關(guān)感應(yīng)并自動控制電磁閥使橡膠氣囊處于充氣狀態(tài)，啟閉機(jī)構(gòu)鎖緊。并具有針對整個后門啟閉機(jī)構(gòu)補(bǔ)償鎖緊的作用，杜絕了后門閉合不嚴(yán)的隱患。

2 可行性分析

下面針對該氣囊鏈條式后門啟閉機(jī)構(gòu)的可行性進(jìn)行說明?，F(xiàn)有一自卸車貨箱內(nèi)部尺寸為5400×2300×1200（mm），運(yùn)輸介質(zhì)為沙土，密度 ρ≈1.15t/m3，橡膠氣囊設(shè)計(jì)內(nèi)徑Φ130mm，氣囊與底盤氣瓶連通，氣壓按0.8MPa，則單側(cè)氣囊的拉力為N氣=πD2P/4=10.61kN，氣囊拉力到翻轉(zhuǎn)銷軸心的力臂L氣=95mm，后鎖鉤與后門接觸點(diǎn)到翻轉(zhuǎn)銷軸心的力臂L后=185mm。由力矩方程：N氣?L氣=N后?L后，可知該啟閉機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)下對貨箱后門施加的水平分力N后=5.45kN，車輛左右兩側(cè)均裝備該機(jī)構(gòu)，故后鎖鉤相對后門水平方向上的鎖緊合力 N合=10.9kN，對后門鉸鏈座處的轉(zhuǎn)矩 M氣=N合×1.32=14.388kN·m。

如圖4所示，在箱內(nèi)深度為x的平面上選取一段微元體進(jìn)行研究，該微元體高度為dx，則其體積dv為：

dv=LDdx （1）

式中，貨箱內(nèi)長為L，貨箱內(nèi)寬為D。

圖4 貨物受力分析圖

該微元體的質(zhì)量dm為：

針對該微元體進(jìn)行受力分析可知，在其上部所受貨物垂直壓強(qiáng)假設(shè)為PV，則該微元體上表面所承載壓力為LDPV。

在其下截面所承載的貨物垂直壓強(qiáng)為PV+dPV，下截面整體所承載的壓力為LD（PV+dPV）。

貨物自重引起的垂直壓強(qiáng)為PV，從而導(dǎo)致相應(yīng)的水平壓強(qiáng)作用于貨箱，大小為Ph，若二者間相對關(guān)系恒定，則有：

其中，Ψ為松散貨物內(nèi)摩擦角最小值。

水平壓強(qiáng) Ph垂直擠壓貨箱后門從而導(dǎo)致了沿其內(nèi)壁的壓強(qiáng)Pf為：

該微元體相對貨箱內(nèi)壁的摩擦力為：

其中，μ為貨物相對貨箱內(nèi)壁的摩擦系數(shù)。

經(jīng)過針對此微元體的受力分析能夠?qū)懗銎淞W(xué)平衡方程如下：

由此可知：

由于裝載貨物為松散沙土的運(yùn)輸狀況，暫不考慮貨物與貨箱內(nèi)壁間的摩擦情況，即μ≈0，則有：

則垂直壓強(qiáng)Pv的積分方程為：

則深度為x處的垂直壓強(qiáng)Pv為：

Pv=ρgx （11）

將式（11）帶入式（3）可得，深度為 x處的水平壓強(qiáng)Ph為：

Ph=kPv=kρgx （12）

故可知，貨物對貨箱內(nèi)壁的水平壓力與其相對深度是呈線性遞增關(guān)系的，取x為貨箱深度時(shí)，貨物對貨箱內(nèi)壁的水平合力為：

如圖5所示，貨物對于后鉸鏈軸的扭矩為：

圖5 后鉸鏈軸受力分析圖

由松散貨物（沙土）內(nèi)摩擦角最小值等于貨物安息角，取Ψ=30°，將其帶入式（4）則k=0.3。貨物深度按實(shí)際箱高，則x=1200mm，帶入式（14）則M料=4.84kN·m。

對后鉸鏈軸而言，比較該鎖緊裝置與貨物分別對其轉(zhuǎn)矩可知，安全系數(shù)η=M氣/M料=2.97。即該氣囊鏈條式后門啟閉機(jī)構(gòu)安全系數(shù)η=2.97＞1，可知該機(jī)構(gòu)滿足相關(guān)使用要求。

3 產(chǎn)品特點(diǎn)

通過安裝于副車架的行程開關(guān)可自動控制啟閉機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)后門啟閉的智能化控制。該機(jī)構(gòu)通過行程開關(guān)及電磁閥可以對鏈條的張緊與松弛進(jìn)行控制。當(dāng)自卸車行駛狀態(tài)或貨箱未舉升時(shí)，行程開關(guān)未接通，電磁換向閥不工作，橡膠氣囊處于充氣狀態(tài)，鏈條張緊而啟閉機(jī)構(gòu)處于鎖緊狀態(tài)。當(dāng)舉升卸貨時(shí)（此處設(shè)定角度=3°＜完全開啟角），行程開關(guān)通路，兩位三通電磁閥換向使得橡膠氣囊處于放氣狀態(tài)，此時(shí)鏈條處于松弛狀態(tài)，后鎖鉤相對于貨廂后門的壓緊力消除，后鎖鉤此時(shí)為自然下垂?fàn)顟B(tài)。有效避免了貨廂舉升、后門尚未完全開啟時(shí)，貨物對后門擠壓導(dǎo)致后門啟閉機(jī)構(gòu)承載過大的情況，防止了后門啟閉機(jī)構(gòu)形變甚至損壞；避免了后門在完全打開的時(shí)候，貨物傾瀉而出，后門啟閉機(jī)構(gòu)因此而受到的較強(qiáng)沖擊力。

由于橡膠氣囊的設(shè)計(jì)充氣行程大于調(diào)整螺桿的長度，該機(jī)構(gòu)可針對整個后門啟閉機(jī)構(gòu)拉伸形變自動補(bǔ)償，起到補(bǔ)償間隙的作用，使得箱體后門一直保持最佳閉合狀態(tài)。針對傳統(tǒng)剛性啟閉機(jī)構(gòu)受力不均及磨損變形的情況，杜絕了后門閉合不嚴(yán)的隱患，避免了道路拋灑現(xiàn)象的發(fā)生。

對于行程開關(guān)與后翻轉(zhuǎn)軸的間距A值，適當(dāng)選取可有效操縱該機(jī)構(gòu)的啟閉。A值過小，設(shè)定開啟角度越大，機(jī)構(gòu)晚開依舊；A值過大，設(shè)定開啟角度越小，復(fù)雜路況時(shí)顛簸造成機(jī)構(gòu)意外開啟的幾率也越大。因此要根據(jù)不同車型合理選擇A值，方可在保障該機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的同時(shí)，兼顧行車安全。

4 結(jié)論

本文通過介紹一種氣囊鏈條式后門啟閉機(jī)構(gòu)，表明了該后門啟閉機(jī)構(gòu)在自卸車領(lǐng)域具有以下特點(diǎn)：

（1）智能化自動控制，無須駕駛員操縱，彈性鎖緊，自動補(bǔ)償形變。

（2）借用底盤氣源，以此為動力操縱整個機(jī)構(gòu)，無需單設(shè)動力源，成本低廉，功能可靠。

（3）該機(jī)構(gòu)作為一種工程機(jī)械的安全保護(hù)裝置，效果顯著，安裝、維修方便，適用性強(qiáng)。

[1] 郝建根.礦用自卸車貨箱后門啟閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)探析[J].商用汽車,2012(6).

[2] 徐達(dá).專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1998.12.

[3] 馮慶東220t礦用自卸車的設(shè)計(jì)計(jì)算及應(yīng)用研究[M].北京：中國水利水電出版社,2014.8.