自動車門開啟系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　黃旭東

　　摘要： 為了改進(jìn)現(xiàn)有的移動車輛車門打開機(jī)制，我們首先應(yīng)用創(chuàng)新問題解決理論(TRIZ)的矛盾矩陣和理想化設(shè)計(jì)技術(shù)作為改進(jìn)自動車門關(guān)閉系統(tǒng)的參考，并在設(shè)計(jì)中找到配套要求。接下來，基于齒輪系運(yùn)動的分析和設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)電機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)。最后，在車門自動打開(關(guān)閉)設(shè)計(jì)的限制下設(shè)計(jì)了一種具有工程設(shè)計(jì)的自動車門開啟(關(guān)閉)系統(tǒng)。隨著創(chuàng)新型自動車門開啟(關(guān)閉)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化方案發(fā)展成為本研究的一個原型，研究可以作為行業(yè)自動車門開啟(關(guān)閉)系統(tǒng)開發(fā)的模式。

　　關(guān)鍵詞：TRIZ;自動車門關(guān)閉系統(tǒng);齒輪系運(yùn)動

　　1. TRIZ理論及應(yīng)用

　　TRIZ意思是“發(fā)明問題的解決理論”，工程系統(tǒng)的創(chuàng)新或發(fā)明不是隨機(jī)事件，因?yàn)橐粋�人的發(fā)明和創(chuàng)造能力是可以訓(xùn)練的。根據(jù)TRIZ理論的論據(jù)，技術(shù)系統(tǒng)可用的一般演進(jìn)理論可以發(fā)展成為解決原創(chuàng)性的方法或工具。

　　1.1 矛盾矩陣

　　文章通過引入39個工程參數(shù)和40個創(chuàng)造原則，將矛盾矩陣作為解決技術(shù)矛盾的工具之一�；�于TRIZ理論，現(xiàn)有制度總是存在矛盾，創(chuàng)新體現(xiàn)在這些矛盾被排斥在一個問題之外。 為了找到可行的解決方案，我們將39個工程參數(shù)安排在矩陣的兩個軸上，其中垂直軸包含待改進(jìn)的參數(shù)，水平軸包括避免惡化的參數(shù)。兩個矛盾參數(shù)相交的相應(yīng)網(wǎng)格是推薦的解決方案。

　　由于車門開啟系統(tǒng)的成本和運(yùn)行原機(jī)制的便利性預(yù)計(jì)分別下降和提高，參數(shù)要提高的是固定會員區(qū)域(6)，電力(21)和設(shè)備復(fù)雜度(36)和避免惡化的參數(shù)是固定構(gòu)件的長度(4)，強(qiáng)度(14)和可靠性(27)。如表1所示的矛盾矩陣，最常見的解決原則是原則26，簡化和廉價的對象用于替代高的價格。為了降低成本，將車架打開的方式改變?yōu)橛呻妱訖C(jī)和連桿驅(qū)動的機(jī)構(gòu)。如圖1所示。汽車框架自動打開方案是：馬達(dá)(5)將連接轎廂門(1)和連接接頭(3)的連桿(4)連接起來，側(cè)車門(2)形成一個與車門(1)的角度為90度。電動機(jī)(5)的激活能夠驅(qū)動驅(qū)動轎門(1)的連桿組件(4)打開側(cè)車門(2)。

　　表1 矛盾矩陣

　　圖1 自動開門車的方案

　　1.2 理想設(shè)計(jì)理論

　　理想化設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)，任何技術(shù)系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)始終都將發(fā)展成為簡化、有效、理想化的系統(tǒng)。提供系統(tǒng)的方法來幫助設(shè)計(jì)師糾正定義問題，理想化的設(shè)計(jì)理論可以為理想化的目標(biāo)產(chǎn)生創(chuàng)新的概念。由于定義和分析問題的六個步驟來發(fā)現(xiàn)理想化設(shè)計(jì)中的解決方案，本研究中理想化設(shè)計(jì)的步驟是：

　　(1)一個設(shè)計(jì)的完成目標(biāo)：改進(jìn)打開車架，降低成本，提高行業(yè)實(shí)用性。

　　(2)理想的解決方案：開發(fā)可控的單面車門開啟(關(guān)閉)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)重量輕，成本低廉，車身開啟時無人身體的晃動。

　　(3)理想解決方案的障礙：由于液壓開啟系統(tǒng)的復(fù)雜性，需要定期維護(hù)液壓缸，液壓泵和管道，不可避免地出現(xiàn)漏油。液壓設(shè)備需要符合車輛的尺寸，成本和重量很高。缺少自鎖功能，沒有增加額外安全裝置的車門可能會逐漸向下滑倒，造成危險。

　　(4)發(fā)生障礙的結(jié)果：采用液壓開放系統(tǒng)。

　　(5)沒有障礙的條件發(fā)生：替代液壓開啟系統(tǒng)的另一個開放系統(tǒng)。

　　(6)創(chuàng)建這些條件的可用資源：車架、車門、電機(jī)和導(dǎo)螺桿。

　　基于排水系統(tǒng)使用的理想化解決方案和運(yùn)行原理的變化方案：

　　(1)位移系統(tǒng)：使用電機(jī)和齒輪驅(qū)動的開啟系統(tǒng)將原始機(jī)構(gòu)中的液壓驅(qū)動開啟系統(tǒng)置換。

　　(2)運(yùn)行原理的改變：為了改善創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案(圖1)的開放系統(tǒng)的缺點(diǎn)，例如由于暴露在車身外部容易腐蝕，污染和占據(jù)大容量的成員，并實(shí)現(xiàn)成本降低并且簡化打開操作，在該設(shè)計(jì)方案中開啟系統(tǒng)的位置隨著放置在車架上的電機(jī)，渦桿和齒輪以及連接件變成電動馬達(dá)--齒輪缸而變化，通過激活電機(jī)，渦桿和渦輪來驅(qū)動電動機(jī)--齒輪缸以打開車門。

　　2. 創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

　　本研究的目的是探索自動門開啟系統(tǒng)的主要規(guī)格和功能，并提出新的設(shè)計(jì)理念作為設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的參考。自動車門開啟系統(tǒng)包括電動齒輪缸和自動車門開啟系統(tǒng)的體積，并增加了操作的便利性。電動齒輪缸由電機(jī)、渦輪渦桿減速機(jī)、螺絲對組成。自動車門開啟系統(tǒng)的設(shè)計(jì)描述如下：

　　2.1. 電動齒輪缸

　　2.1.1. 渦輪渦桿減速機(jī)的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)齒輪系的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合自動車門開啟系統(tǒng)速度要求的渦輪渦桿減速機(jī)。圖2顯示出了包括直流電機(jī)，渦輪渦桿減速器和螺絲對的電動機(jī)齒輪缸。 渦桿(=1)是與直流電機(jī)相鄰的輸入端子，渦輪(=36)是與單螺紋相鄰的輸出端子。因此，為了控制渦桿的轉(zhuǎn)速，傳動比達(dá)到36的高值。

　　圖2 電動馬達(dá)氣缸

　　渦輪和渦輪系統(tǒng)的運(yùn)動方程是：

=3600rpm，渦桿=1，渦輪=36，代入式(1)，得到：(2)

　根據(jù)式(2)，輸出端渦桿的轉(zhuǎn)速為齒輪螺桿。

　　2.1.2. 螺絲和滑塊(螺母)的設(shè)計(jì)

　　螺絲對由螺釘和滑塊組成。螺絲的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可以改變?yōu)榛瑝K(螺母)的直線運(yùn)動。它符合自動車門開啟系統(tǒng)的運(yùn)動要求。圖3是齒輪箱的橫截面視圖。

　　圖3 齒輪箱橫截面圖

　　螺絲和滑塊的運(yùn)動方程為：

　　螺桿L = 4 mm，渦輪轉(zhuǎn)速(=螺桿轉(zhuǎn)速)rpm齒輪螺桿ω=ω= 100，代入式(3)，得到：

　　因此，滑塊的速度為6.667mm / sec，即提升速度。

　　基于上述結(jié)果，電動齒輪缸的主要規(guī)格和功能如表2所示。

　　表2 電動機(jī)齒輪氣缸的規(guī)格

　　2.2. 車門開啟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)電機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)后，下一步就是設(shè)計(jì)車門機(jī)構(gòu)。自動車門開啟系統(tǒng)的要求和規(guī)格如下：

　　(1)車門系統(tǒng)必須具有自動開啟功能。

　　(2)采用電動齒輪缸作為自動車門開啟系統(tǒng)的動力裝置，實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。

　　(3)增加一個電動控制器，同時控制兩個電動齒輪缸，用戶可以打開各個側(cè)門。

　　(4) 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為3600rpm，渦輪減速機(jī)齒輪比為36，輸出軸(渦輪)轉(zhuǎn)速為100rpm。

　　(5)滑塊的升程為250mm。

　　(6)船員領(lǐng)先4mm。

　　根據(jù)自動車門開啟系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束，自動車門開啟機(jī)構(gòu)可以通過滑塊曲柄反轉(zhuǎn)的四桿聯(lián)動(RRPR)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖4顯示了RRPR 4連桿的結(jié)構(gòu)骨架。連桿3和連桿4形成棱柱對，可以用圖2所示的電機(jī)傳動系統(tǒng)代替。

　　圖4 車門打開機(jī)構(gòu)(RRPR 4桿連桿)

　　按下單側(cè)手控裝置，由于電動馬達(dá)齒輪缸安裝在車門和車架之間，所啟動的馬達(dá)將驅(qū)動電動齒輪缸工作，最后打開車門。車門開啟系統(tǒng)中的所有構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)方向如圖6所示。

　　圖5 車門開啟系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方向

　　3. 結(jié)論

　　本研究得出的成果：

　　(1)提供自動車門開啟(關(guān)閉)系統(tǒng)的創(chuàng)新過程和方法，作為該機(jī)制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。

　　(2)汽車門自動開啟的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，作為開發(fā)自動車門開啟系統(tǒng)的參考，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。

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