行李箱間接式扭桿彈簧設(shè)計(jì)

周志龍

阿爾特（中國(guó)）汽車技術(shù)有限公司，北京 100000

行李箱間接式扭桿彈簧設(shè)計(jì)

周志龍

阿爾特（中國(guó)）汽車技術(shù)有限公司，北京 100000

本文通過對(duì)轎車行李箱間接式扭桿彈簧結(jié)構(gòu)和受分析的研究，闡述了行李箱間接式扭桿彈簧設(shè)計(jì)和校核的方法，由此總結(jié)了行李箱間接式扭桿彈簧設(shè)計(jì)思路與流程。以某項(xiàng)目為行李設(shè)計(jì)例，應(yīng)用了該設(shè)計(jì)方法，并且該車型成功量產(chǎn)，實(shí)際狀態(tài)基本符合設(shè)計(jì)理論。

行李箱；扭桿彈簧；設(shè)計(jì)方法

前言

在三廂轎車車身的開發(fā)過程中，行李箱鉸鏈設(shè)計(jì)是難點(diǎn)之一。行李箱的鉸鏈經(jīng)常使用的有3種形式：一是4連桿鉸鏈加氣彈簧的形式；二是鵝頸式鉸鏈加扭桿彈簧的形式；三是鵝頸式鉸鏈加伸縮彈簧形式。這三種形式中的各類彈簧是為行李箱提供開啟力和關(guān)閉力。研究各種行李箱鉸鏈系統(tǒng)的受力分析，是成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

其中第2種鵝頸式鉸鏈加扭桿彈簧的形式在A級(jí)車型中比較常用，這種鉸鏈分為2種情形一種是鉸鏈臂與扭簧直接安裝在一起，叫做直接式；另一種是鉸鏈臂與連桿一端安裝在一起，扭簧與連桿的另一端安裝到一起，叫做間接式，即在鉸鏈臂與扭桿彈簧直間有一連桿連接。本文主要針對(duì)采用鵝頸式鉸鏈加間接式扭桿彈簧的行李箱進(jìn)行分析說明的。見圖1。

圖1

圖2

1 行李箱受力分析

行李箱總成在自重的作用下，有使行李箱關(guān)閉向下的力矩Mw；扭桿彈簧使行李箱有向上開啟力矩MS；在鉸鏈安裝等處有摩擦力距，匯總為Mf；行李箱在開啟最大位置進(jìn)行關(guān)閉的時(shí)，手提供關(guān)閉力矩MC。行李箱在關(guān)閉位置進(jìn)行開啟的時(shí)，手提供開啟力矩MO。力矩分析圖如圖2。

從上圖行李箱的受力分析可以看出：

在行李箱從關(guān)閉到開啟的瞬間，力矩平衡公式如下：

Ms+Mo-Mf=Mw

在行李箱從開啟到關(guān)閉的瞬間，力矩平衡公式如下：

Ms-Mc+Mf=Mw

1.1 行李箱自重力矩Mw計(jì)算公式

在車身傾斜角度a1情況下，行李箱關(guān)閉狀態(tài)上往上開啟θ角度之后，自重慣性矩Mw 的計(jì)算公式如下：

W :行李箱理論總重量，包括行李箱鈑金件及裝飾件，及附件重量；

L : 從鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心到行李箱重心的距離；

a: 在行李箱關(guān)閉狀態(tài)下，從鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心連接到行李箱重心的連線和車身坐標(biāo)系Z軸之間的角度。

1.2 在軟件中，讓?duì)冉嵌让?度變化，測(cè)量L值 ，并計(jì)算出相應(yīng)的Mw，并使用描點(diǎn)法繪制出Mw變化曲線，如圖3。

圖3

圖4

1.3 扭桿彈簧機(jī)構(gòu)力學(xué)模型簡(jiǎn)化，圖4是行李箱鉸鏈設(shè)計(jì)3D數(shù)據(jù)狀態(tài)，圖5是對(duì)鉸鏈系統(tǒng)進(jìn)行的力學(xué)簡(jiǎn)化模型。

圖5

其中：

Mr 扭桿彈簧作用到連桿上的力矩；

Mh 連桿傳遞到鉸鏈臂上的力矩；

L1 扭簧安裝點(diǎn)到連桿的距離；

L2 連桿到鉸鏈臂轉(zhuǎn)軸的距離；

α L1與連桿夾角；

β L2與連桿中心線延長(zhǎng)線夾角；

1.4 扭桿彈簧扭作用到連桿上的力矩Mr公式如下：

其中Kt是扭桿剛度；θ扭桿轉(zhuǎn)角；d扭桿直徑；G切變彈性模量

從而得到了Mr與Mh關(guān)系公式。

在3D數(shù)據(jù)軟件中，將行李箱每開啟5°，測(cè)量行李箱蓋開啟時(shí)候的各個(gè)位置的α,β,θ值并輸入到公式（7），并計(jì)算出Mr，Mh值，并繪制出Mh圖表，如圖6。

圖6

Mw與Mh比較。

圖7

在'A' 區(qū)域即使Mh比Mw大很多，但是實(shí)車上出現(xiàn)情況(在某一個(gè)開啟角度上停止)是因?yàn)殂q鏈臂和連接板之間的摩擦力以及鉸鏈軸部位和鉸鏈支架之間的摩擦力的影響Mh- Mf=Mw，行李箱蓋還需要有開門力。

在'B' 區(qū)域Mh+ Mf比Mw 大，行李箱蓋需要有關(guān)閉力

在A和B中間區(qū)域，基本上是Mh±Mf=Mw，這是理想的開閉情況：行李箱蓋開啟之后的某一個(gè)位置停止的區(qū)域可以持續(xù)到最大開啟角度約10～20度之前，下一個(gè)區(qū)域開始為Mh- Mf≥Mw，自動(dòng)開啟到最大開啟角度。

2 設(shè)計(jì)過程中參數(shù)調(diào)整

以上是扭簧的受力分析過程，是論理狀態(tài)下計(jì)算。在設(shè)計(jì)階段，需要將行李箱自重力矩Mw與Mh的設(shè)定基本符合圖8狀態(tài)，行李箱自重力矩Mw理論值受車身造型影響和自身強(qiáng)度和剛度的要求，是基本固定的參數(shù)。無法調(diào)整，也無需調(diào)整，作為行李箱鉸鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的輸入條件。

從Mr與Mh關(guān)系公式中可以看出，可以調(diào)整的參數(shù)是L1（ 扭簧安裝點(diǎn)到連桿的距離），L2（連桿到鉸鏈臂轉(zhuǎn)軸的距離），α（L1與連桿夾角），β（L2與連桿中心線延長(zhǎng)線夾角），d（扭桿直徑）。在設(shè)計(jì)中，為調(diào)整Mh大小，調(diào)整A點(diǎn)（見圖4）位置，效率更高，其次是調(diào)整L1長(zhǎng)度，也有較高的效率。

3 結(jié)語

由于摩擦力Mf無法加入到計(jì)算中，需要在試制的過程中對(duì)以上的計(jì)算加以驗(yàn)證，一般情況下摩擦力是無法有意的進(jìn)行控制，并且實(shí)物行李箱總成的重量基本穩(wěn)定，這時(shí)需要調(diào)整扭桿彈簧的參數(shù)，比如扭桿的直徑，扭簧的初始安裝角度，連接板的連接位置及長(zhǎng)度。使用該計(jì)算方法設(shè)計(jì)出的行李箱扭桿彈簧鉸鏈系統(tǒng)，應(yīng)用到量產(chǎn)車型上，獲得成功，節(jié)約了開發(fā)周期。

[1] 郭竹亭.汽車車身設(shè)計(jì)[M]. 長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社.

[2] 單輝祖.材料力學(xué)教程.高等教育出版社.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.073