扭桿彈簧在行李箱蓋系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用

徐璐

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

扭桿彈簧在行李箱蓋系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用

徐璐

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

扭桿彈簧即為一端固定而另一端與工作部件連接的桿形彈簧，主要依靠扭轉(zhuǎn)彈簧力來吸收震動能量。扭桿彈簧在汽車制造業(yè)已經(jīng)有非常廣泛的應(yīng)用。重點介紹扭桿彈簧匹配鵝頸式鉸鏈作為汽車行李箱蓋開啟助力機構(gòu)，在汽車開發(fā)中的設(shè)計方法與應(yīng)用。

扭桿彈簧；鵝頸式鉸鏈；行李箱蓋保持限位系統(tǒng)

1 行李箱蓋扭桿彈簧概述

一般行李箱蓋開啟助力機構(gòu)包括氣彈簧、扭桿彈簧、螺旋彈簧和電控驅(qū)動機構(gòu)四種形式，對于經(jīng)濟型三廂車來說，廣泛使用前三種。

1.1 行李箱蓋扭桿彈簧定義

行李箱蓋扭桿彈簧（下文簡稱扭桿彈簧或扭桿）是一種彈性元件，通過安裝在行李箱蓋鉸鏈上，利用在行李箱蓋開啟與關(guān)閉運動過程中其扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的彈性勢能，克服行李箱蓋重力，減輕舉升操作力與減緩關(guān)閉的沖擊力，并保持開啟功能，構(gòu)成行李箱蓋開啟助力機構(gòu)。

1.2 扭桿彈簧在汽車開發(fā)中的應(yīng)用優(yōu)點

（1）扭桿彈簧匹配鵝頸式行李箱蓋鉸鏈結(jié)構(gòu)，安裝在行李箱艙衣帽架下方，為內(nèi)藏式結(jié)構(gòu)，節(jié)省布置空間，利于實現(xiàn)三廂汽車尾部造型；

（2）且此結(jié)構(gòu)可增大行李箱開口尺寸，優(yōu)化人機操作性能，提升客戶感受；

（3）扭桿彈簧材料為鋼絲材質(zhì)，生產(chǎn)工藝簡單，只需折彎機成型處理即可，材料利用率基本為100%，成本低廉；

(4）扭桿彈簧作為助力機構(gòu)，使行李箱蓋操作力狀態(tài)穩(wěn)定，而其性能受溫度影響小，不存在高低溫環(huán)境操作力差異大情況。

2 扭桿彈簧典型結(jié)構(gòu)、制造工藝及材料

2.1 典型結(jié)構(gòu)

扭桿彈簧一端固定在鉸鏈座上，另外一端安裝在鉸鏈臂上，通過鉸鏈臂的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩，如圖1所示。

圖1 扭桿彈簧典型結(jié)構(gòu)

2.2典型成型工藝

扭桿彈簧的成型工藝步驟如下：開料—成型—回火—檢測—表面處理—打標識—檢測—包裝。

2.3 材料介紹

行李箱蓋扭桿彈簧為彈性桿件，一般采用碳素彈簧鋼絲材料?？刹捎脟鴥?nèi)材料55CrSi（油淬火-回火彈簧鋼絲GB/T 18983）[1]，也可采用日本牌號材料SWOSC-B（彈簧用油淬回火鋼絲JIS G 3560）[2]。SWOSC-V（閥門用油淬回火鋼絲JIS G 3561）[3]。

扭桿彈簧最大允許剪切強度為抗拉強度的42%～50%（經(jīng)驗值），若最大允許剪切強度過低，接近甚至小于扭桿彈簧的實際剪切強度，易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)斷裂，導(dǎo)致功能失效，故抗拉強度越高，剪切強度越高，性能越好，越安全。但性能好的材料，成本也會很高。有些材料抗拉強度、剪切強度均符合設(shè)計要求，但在耐久試驗過程中，耐久后的扭矩衰減較大，容易引起功能失效，不符合試驗要求，為減少設(shè)計風(fēng)險，需確認材料耐久性能。選擇合適的扭桿彈簧材料，既要滿足設(shè)計要求，試驗性能要求，又要避免性能過剩，控制成本。

3 扭桿彈簧的裝配工藝

3.1 扭桿彈簧與行李箱蓋鉸鏈的匹配

為方便安裝，減小行李箱蓋開啟時鉸鏈與車身骨架之間的撞擊，首先需確保安裝減震墊與扭桿彈簧固定卡夾，然后安裝扭桿彈簧，最后將扭桿彈簧卡入固定卡夾，即裝配完畢，如圖2所示。

圖2 扭桿彈簧的固定

3.2 扭桿彈簧的整車裝配工序

扭桿彈簧裝配工序策略直接影響到扭桿彈簧的設(shè)計計算及制造工藝，一般有三種形式：在整車焊裝工藝完成裝配；扭桿彈簧隨整車涂裝、在總裝工藝完成裝配；扭桿彈簧供應(yīng)商完成表面處理、在總裝工藝完成裝配。需根據(jù)各汽車制造廠生產(chǎn)工藝而定。

4 扭桿彈簧設(shè)計技術(shù)目標參數(shù)

扭桿彈簧技術(shù)目標一般包括以下內(nèi)容。

（1）能夠利用行李箱蓋運動過程中扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的彈力克服行李箱蓋重力，減緩舉升操作力和關(guān)閉的沖擊力。

（2）須能滿足行李箱蓋20000次疲勞耐久使用要求。

（3）需滿足行李箱蓋開啟要求：①啟動開啟裝置后，能使行李箱蓋自動彈起一定高度并保持靜止，便于人手操作；②能使在半開（一定的打開角度）狀態(tài)下的行李箱蓋可以保持靜止不動；③能使行李箱蓋在全開位置可以保持停住狀態(tài)。

（4）需滿足操作力使用要求，使行李箱蓋關(guān)閉與開啟操作力維持在一個顧客感受舒適的力度，其中關(guān)閉操作力為30～50 N，開啟操作力為10～20 N。

（5）需滿足風(fēng)阻要求：使行李箱蓋在最大打開位置時具有足夠的保持力，以免在風(fēng)力作用下行李箱蓋自行落下關(guān)閉引起事故。

（6）需滿足駐坡功能：當(dāng)整車停在10%（5.75°）的上坡路面（車頭朝上）行李箱蓋打開時，能使行李箱蓋仍能保持開啟不下落。

（7）需滿足空間布置要求：當(dāng)行李箱蓋在開啟或關(guān)閉運動過程中（包括過開或過關(guān)情況），應(yīng)與周邊車身結(jié)構(gòu)件保持一定安全間隙，不發(fā)生干涉。

5 扭桿彈簧在汽車工程的設(shè)計應(yīng)用

關(guān)于扭桿彈簧在汽車開發(fā)中的設(shè)計過程，以某車型扭桿彈簧隨整車涂裝、在總裝工藝完成裝配為例，詳細說明設(shè)計計算與分析過程與方法。

5.1 輸入條件

首先需獲得扭桿彈簧設(shè)計輸入信息，相關(guān)參數(shù)詳見表1所示。

如圖3，扭桿彈簧的運動受鉸鏈支架和連桿約束，只能繞安裝卡口旋轉(zhuǎn)。支架、鉸鏈方管、連桿和扭桿構(gòu)成了一個四連桿機構(gòu)。

據(jù)扭桿與鉸鏈方管運動關(guān)系，可知圖4所示，行李箱蓋從“關(guān)閉”位置到“打開”位置，鉸鏈方管轉(zhuǎn)角：86°，而扭桿旋轉(zhuǎn)92.1°。

行李箱蓋在“開啟”位置，扭桿旋轉(zhuǎn)角度為：j1；行李箱蓋在“關(guān)閉”位置，扭桿旋轉(zhuǎn)角度為：j2=j1+92.1°；全關(guān)時重心-轉(zhuǎn)軸連線與水平面夾角：12.9°（根據(jù)已知坐標測量結(jié)果）；扭桿扭轉(zhuǎn)的有效長度：1 102.6 mm；平衡范圍（預(yù)估）：20°～60°；風(fēng)力矩：5.69 N·m（經(jīng)驗值）；關(guān)閉狀態(tài)時扭桿兩端面的夾角j3=55°（扭桿數(shù)據(jù)測量）。

表1 行李箱蓋相關(guān)參數(shù)輸入

圖3 左側(cè)鉸鏈左側(cè)視圖

圖4 左側(cè)鉸鏈運動示意圖

5.2 線徑的選取、平衡角度的定義

由重心坐標以及旋轉(zhuǎn)中心坐標可以算出旋轉(zhuǎn)中心到重心的距離：

由此可以算出重力矩。按式（5.1）計算：T重= mg·L重；重力臂按式（5.2）計算：L重心=Lg·cosα，α為重心和轉(zhuǎn)重心連線與x軸夾角，如圖5所示。

圖5 行李箱蓋結(jié)構(gòu)簡圖

由此根據(jù)重力矩曲線與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系可知，當(dāng)扭桿在彈起后處于第一個平衡點時T扭=T重+ 2·T摩，其中摩擦阻力不變，扭桿在第一個平衡點往上移時扭矩不斷減小，只有在重力矩減小時才能實現(xiàn)，所以平衡位置會出現(xiàn)在重力矩開始變小以后（重力矩在13°時最大）。暫定平衡范圍為20°～60°，得出扭矩-摩擦力矩、扭矩、扭矩+摩擦力矩的示意圖，如圖6所示。

由此可算出K值（斜率）=0.23，按式（5.1）計算，得出d=6.59 mm，扭桿彈簧線徑規(guī)格(直徑)，根據(jù)線徑計算結(jié)果，查詢行業(yè)規(guī)格，選取近似值，取整數(shù)6.5 mm，代入5.1式，可以算出K= 0.218，選取合適的材料，查表得出化學(xué)成分及材料性能（抗拉性能），見表2。

圖6 行李箱蓋與扭桿彈簧的關(guān)系

表2 扭桿彈簧參數(shù)

5.3 設(shè)計計算

5.3.1 設(shè)計計算簡介

將行李箱蓋鉸鏈與扭桿彈簧的四連桿機構(gòu)看作一個平面四連桿機構(gòu)分析，如圖7所示。

圖7 行李箱蓋與扭桿彈簧的參數(shù)

如圖7，AD表示鉸鏈支架，AB為扭桿，BC為連桿，CD為鉸鏈。把扭桿的扭矩記為MT，鉸鏈所受重力為G，相對于D點的轉(zhuǎn)動扭矩記為MG，?1為AD與DC的夾角，?2為AD與AB的夾角，?3為AB與BC的夾角，?4為BC與DC的夾角；鉸鏈在關(guān)閉位置可得如下參數(shù)值：AB=115.2 mm；BC= 82.2 mm；CD=122.7 mm；AD=88.7 mm； ?1= 31°；?2=149°；?3=33°；?4=147°。

5.3.2 受力分析

存在摩擦力作用時，BC桿不能視作二力桿，在行李箱向上運動時，BC受力如下圖所示，其中摩擦力作用效果為一個摩擦力偶。把摩擦力偶MfB，MfC定義為有正負值。則可以推斷，BC受力分析，如圖8所示。

圖8 BC桿受力分析

AB、CD受力分析，如圖9所示。根據(jù)AB與CD列平衡方程：

圖9 AB、CD桿受力分析

將（5.3）、（5.4）和（5.5）式以及LAB，LBC，LCD代入，經(jīng)過轉(zhuǎn)化可得式（6）：

運動分析，需建立行李箱開啟角度于扭桿轉(zhuǎn)動角度之間的關(guān)系，如果以設(shè)θ為行李箱的開啟角度，則假設(shè)行李箱在關(guān)閉時θ=0可根據(jù)以下公式（7）得出扭桿變化角度與?1的關(guān)系：?1=30.8°+ θ。定義如下：

可得，式（8）：

式（）：

式（10）：

鉸鏈作用力分析，扭桿有效長度1 102.6 mm，遠大于扭桿直徑，且中間折彎較少，所以只考慮扭轉(zhuǎn)作用，其扭矩M為式（11）[4-5]：

扭桿直徑d=6.5 mm，j為扭桿的實際變化角度。

因扭桿彈簧定義在總裝裝配，設(shè)計計算時不存在力矩衰減，且行李箱蓋全關(guān)時扭桿扭轉(zhuǎn)角度定義為168°，則扭桿的實際轉(zhuǎn)動角度為：j= 168°-(149°-?2)=16°+?2，其中149°為?2的初始角度，因此兩根扭桿產(chǎn)生的扭矩為式（12）：

鉸鏈設(shè)計時，連桿與鉸鏈方管之間單側(cè)銷軸的摩擦力矩范圍為1～1.5 N·m，為簡化計算，取1.25 N·m。對于兩側(cè)鉸鏈合力則為雙倍，得到式（13）：

鉸鏈方管與鉸鏈支架之間摩擦力范圍定義為1.5～2.0 N·m，為簡化計算，取1.75 N·m。對于兩側(cè)鉸鏈合力則為雙倍，得到式（5.14）：MfD= 3.5 N·m；

扭桿與支架或連桿固定配合，因此存在摩擦力偶，估算式（15）：

如圖5.3所示，可知重心與水平面間的夾角為12.9°，則此設(shè)計中行李箱重力矩為式（16）：

將式（5.6）的右側(cè)記為Mf，，則代入式（13）、（14）和（15）后可變?yōu)槭剑?7）：

令MG’=MG×0.96×（sin?3/sin?4）

可簡化公式，為：MG’=MT-Mf

將式（7）、式（8）、式（9） 、式（10） 、式（11）和式（16）、式（17）結(jié)合，得到計算結(jié)果見表3。

表3 鉸鏈平衡計算結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算扭矩MT，重力矩MG’，MT以及MT-Mf，如圖10示。

可知箱蓋大約在20°～60°的打開范圍內(nèi)，MT與MG’的差值在±Mf范圍內(nèi)，即可實現(xiàn)行李箱蓋半開啟時保持靜止不動的狀態(tài)。在此角度范圍外，扭桿的作用扭矩均大于車身固有阻力扭矩，可實現(xiàn)行李箱蓋開啟時自動彈起，并且全開時有一定的保持力。

圖10 行李箱蓋與扭桿彈簧的平衡關(guān)系

5.4 設(shè)計校核

5.4.1 材料性能驗證

當(dāng)d=6.5 mm時，解得：K=217.8 N·mm，j= 168°；

扭矩應(yīng)不能超過抗拉強度（σb）的42%，即需滿足式（18）：τmax=σb×42%；

所以τ＜τmax，符合材料抗扭性能要求。

5.4.2 人機操作性驗證

（1）依據(jù)扭桿與鉸鏈的平衡，當(dāng)行李箱蓋由關(guān)閉位置開啟時，在扭桿彈簧彈力作用下，自動彈起到下平衡點，彈起到20°，用50%分位男性假人（身高1.77 m）校核，行李箱蓋彈起后，彈起高度小于245 mm，行李箱蓋彈起外侵距離約102 mm，不會因彈起高度或外侵空間過大而影響到操作者。

（2）當(dāng)行李箱蓋在外力作用下，由下平衡點，運動到上平衡點，行李箱蓋彈起角度約為57°，操作者可以并進行物品搬運操作；行李箱蓋彈起后，彈起高度為728.7 mm，行李箱蓋彈起內(nèi)侵距離約53 mm。

（3）當(dāng)行李箱蓋全開時，李箱蓋開啟最大角度為86°，離地空間為1.7 m，內(nèi)傾空間量約為190 mm，滿足使用要求。

5.4.3 風(fēng)阻要求驗證

因行李箱蓋在最大開啟時可會受風(fēng)力矩（約5.69 N·m）的影響，故還需滿足如下方程要求：扭桿力矩＞重力矩+風(fēng)力矩+摩擦力矩。設(shè)扭桿為滿足開啟狀態(tài)不受風(fēng)刮影響，摩擦力矩為-6 N·m，所以j5需滿足式（19）條件：

依據(jù)以上公式，將各參數(shù)值代入，

解得：MT＞17.4 N·m，由扭桿曲線圖可知因為MT最小值出現(xiàn)在行李箱蓋全開（86°），最小值為30 N·m，完全能夠避免風(fēng)刮影響。

5.4.4 駐坡功能驗證

汽車在上坡路面行李箱蓋打開，要求整車在10%的斜坡上（5.75°）時，行李箱蓋仍有保持開啟功能。此時，鉸鏈全開角度保持不變，仍為86°，但鉸鏈中心由之前的12.9°增大到約19°，其結(jié)構(gòu)簡圖如11所示。

圖11 行李箱蓋結(jié)構(gòu)簡圖

由此根據(jù)重力矩曲線與旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系，重新計算扭矩MT，重力矩MG’，MT以及MT-Mf，，得到關(guān)系曲線如圖12所示。

圖12 行李箱蓋與扭桿彈簧的平衡關(guān)系

可知MT始終大于MG’，不會出現(xiàn)行李箱蓋突然掉落的現(xiàn)象，具有足夠保持力；同時其在10%斜坡時的平衡角度由上圖可知為18°～70°，滿足設(shè)計定義的駐坡功能要求。

5.4.5 行李箱蓋操作力驗證

根據(jù)定義的單個鉸鏈摩擦力矩Tf為3 N·m，行李箱鎖止關(guān)閉所需操作力的計算如式（20）：

可解得：F＝25.7 N；

而行李箱最大開啟狀態(tài)，關(guān)閉所需操作力的計算如式（21）：

可得到，行李箱最大開啟狀態(tài)下，關(guān)閉所需最大操作力：Fmax＝33 N；行李箱最大開啟狀態(tài)下，關(guān)閉所需最小操作力：Fmin＝30 N。因此行李箱最大開啟狀態(tài)下，關(guān)閉所需操作力為：33N＞F＞30 N。滿足行李箱最大開啟狀態(tài)下，所需操作力30±5（N）（參考）要求。

根據(jù)鉸鏈摩擦力矩，行李箱開啟到20°～60°時，所需操作力的計算如下（取開啟20°、60°兩個位置），行李箱開啟20°所需操作力的計算式（22）：

得出Fmax＝13.7 N，F(xiàn)min＝11.1 N，因此行李箱開啟到20°時所需操作力的大小為13.7N＞F＞11.1N；

行李箱開啟60°所需操作力的計算式（23）：

F=（TG60+2×Tf-T60×2）÷Lh得出Fmax=14.45 N， Fmin＝11.8 N，因此行李箱開啟到60°時所需操作力的大小為14.45 N＞F＞11.8 N；所以行李箱在20°～60°之間操作力為13.7 N＞F＞11.8 N，滿足技術(shù)目標要求。

6 結(jié)束語

本文著重介紹了扭桿彈簧與鵝頸式鉸鏈匹配，所形成的四連桿運動機構(gòu)形式，在汽車工程開發(fā)行李箱蓋運動系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用方法，扭桿的設(shè)計大致分為建立設(shè)計技術(shù)目標、確定設(shè)計輸入、設(shè)計計算分析（包括受力分析與運動分析）、設(shè)計校核分析。本文只是扭桿彈簧應(yīng)用眾多形式中的一個案例，在行李箱蓋實際開發(fā)中，扭桿彈簧作為行李箱蓋開啟助力機構(gòu)，還有更多其他的連接匹配形式、以及裝配工序，這樣就會帶來多樣的扭桿彈簧設(shè)計分析，為開發(fā)者帶來不同的設(shè)計方案選擇，實際項目開發(fā)中，應(yīng)結(jié)合顧客與企業(yè)共同的利益考慮，選擇最合適的設(shè)計方案。成本與技術(shù)對于需要盈利的汽車制造商來說永遠是一個需要平衡的話題。

［1］GB/T 18983.油淬火-回火彈簧鋼絲［S］.

［2］JIS G 3560.彈簧用油淬回火鋼絲［S］.

［3］JIS G 3561.閥門用油淬回火鋼絲［S］.

［4］GB/T 1239.6.圓柱螺旋彈簧設(shè)計計算［S］.

Application of Torsion-Bar Spring in the Auto Design Engineering

XU Lu
（GAC Automotive Engineering Institue，Guangzhou510640，China）

Torsion-Bar Spring is a kind of spring with its one end fixed while the other end attaching to a working part,using torsion spring force to absorb vibration energy.The Torsion-Bar Spring is now widely utilized in the automobile industry.This article emphasizes on introducing how to match Torsion-Bar Spring with gooseneck hinge,also focuses on the design method and application condition as the assistance mechanism of opening the trunk lid in the development of automobile.

torsion-bar spring；gooseneck hinge；stay link of trunk lid assembly

U463.33+4

A

1009－9492(2014)05－0169－07

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.043

徐 璐，女，1986年生，湖北宜昌人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：汽車工程。

(編輯：王智圣)

2013－10－15