三廂轎車行李箱蓋扭桿彈簧平衡系統(tǒng)分析及其設計應用

盧偉 陳宏海 韋婷婷

摘???要：為滿足行李箱蓋在開關過程中的彈起加速度、平衡范圍等性能要求，通過對使用扭桿彈簧的三廂轎車行李箱蓋開關過程的受力分析，確定行李箱蓋的重力矩曲線，然后將其與扭桿彈簧扭矩曲線進行匹配分析，設計合適的扭桿彈簧線徑和旋轉角度。文章以某二連桿鉸鏈系統(tǒng)為例，計算確定二連桿鉸鏈的線徑為6.16mm，扭桿的自由角度為112°，扭桿的最大工作角度為192°。

關鍵詞：行李箱蓋;扭桿彈簧;平衡分析

扭桿彈簧作為一種彈性元件，因其結構簡單、成本低廉、耐久性能好，被廣泛應用于三廂轎車行李箱蓋開閉系統(tǒng)。其工作原理是通過扭桿彈簧扭轉產生彈性變形，儲存扭矩，克服行李箱蓋的重力矩和鉸鏈摩擦力矩，從而達到開啟行李箱蓋的功能。對于使用扭桿彈簧的轎車性能要求，行李箱蓋解鎖后以小于某一加速度值彈起到一定高度后靜止，在一定角度范圍達到平衡狀態(tài)，以免落下傷人，而在最大開啟位置又能保持靜止并可抵抗一定的迎風力矩。文章通過對行李箱蓋開關過程中重力矩曲線的分析，同時將扭桿彈簧扭矩曲線與重力矩曲線相匹配，設計扭桿的線徑和旋轉角度。

1?行李箱蓋重力矩分析

假設轎車行李箱蓋系統(tǒng)的總重量為，因為行李箱蓋左右對稱，所以可以將行李箱蓋系統(tǒng)簡化在XZ平面中進行研究。行李箱蓋繞鉸鏈軸中心轉動，假設其中心坐標為（Xa?，Za），當行李箱蓋處于關閉狀態(tài)時，其重心坐標為（Xb，?Zb）。圖1所示為行李箱蓋開關狀態(tài)示意圖。假設行李箱蓋重心到鉸鏈軸中心的距離為，行李箱蓋關閉時重心軸線與水平面的夾角為δ，行李箱蓋重力矩力臂為X、開啟與關閉位置旋轉角度α。

因為行李箱蓋重心在開關過程中是繞著鉸鏈軸線做圓周運動的，設定以行李箱蓋關閉狀態(tài)為起點，行李箱蓋開啟角度為θ，θ∈[0，?α]，因此以θ為變量的行李箱蓋重力矩函數為：

對于行李箱蓋系統(tǒng)而言，參數、、δ和α已給定，通過帶入式（1），其中θ以10為間隔取值，可得行李箱蓋重力矩函數曲線，如圖2所示。根據圖1和圖2可以確定行李箱蓋在開關過程中三個臨界點，分別是圖1中的行李箱蓋關閉位置a、行李箱蓋重心與鉸鏈軸中心處于同一水平線上的位置b和行李箱蓋全開位置c，與之對應的分別是圖2中的始點、力矩最大點和末點。由圖1和圖2中可以看出，行李箱蓋從a到b的過程是重力矩增大的過程，而從b到c的過程是重力矩減小的過程。如何選擇合適的扭桿線徑和旋轉角度，使行李箱蓋在開關過程中達到系統(tǒng)要求的平衡狀態(tài)是扭桿設計的關建。

2?行李箱開關過程平衡系統(tǒng)分析及扭桿設計

如圖3所示，扭桿彈簧作為儲能元件安裝在行李箱兩鉸鏈之間，行李箱開關過程中，設單根鉸鏈自身摩擦力矩為，單根扭桿扭矩為，在行李箱蓋開關過程中，如果在中間位置能夠達到平衡狀態(tài)，則要滿足如下條件：

當不滿足以上條件時，行李箱蓋處于上升或下降過程。

2.1?鉸鏈摩擦力矩

目前常用的鉸鏈有二連桿鉸鏈和四連桿鉸鏈兩種，文章主要以二連桿鉸鏈系統(tǒng)進行分析說明。

圖4為一個典型的二連桿鉸鏈系統(tǒng)，其中為鉸鏈旋轉角度，即行李箱蓋開啟角度;為對應鉸鏈旋轉時扭桿旋轉的角度。當行李箱蓋處于關閉狀態(tài)，扭桿承受最大扭矩，扭桿的扭轉角度最大，設該處扭轉角為j關;在行李箱蓋開啟的過程中，設扭桿的扭轉角度為j開，由于扭桿與鉸鏈接觸端是剛性接觸，由結構運動學可知，j=j關-j開。

在行李箱蓋工作過程中，摩擦力主要由鉸鏈與支架之間的連接軸銷產生，扭桿與鉸鏈接觸間的摩擦力可以忽略不計。鉸鏈摩擦力矩是有方向的，即式（2）中有正負之分，當行李箱蓋呈上升趨勢時，它阻礙其上升，其方向與重力矩方向相同;當行李箱蓋呈下降趨勢時，它阻礙其下降，其方向與重力矩方向相反;取值要合理，如果取值過大，行李箱蓋解鎖后彈起力不足;如果過小，行李箱蓋解鎖后平衡區(qū)間小且經多次震顫后才能達到平衡狀態(tài)。根據經驗，取值一般為2.216～3.284[1]?，具體數值要在調試后才能確定。

2.2?扭桿平衡設計

由于扭桿是在行李箱蓋參數已經確定的條件下設計的，即上式中、、δ、L和為已知條件，上式轉化為選取合適的d和j關，在某一角度θ處達到平衡狀態(tài)。

2.3?行李箱蓋開閉系統(tǒng)的性能要求分析

對于轎車行李箱蓋開閉系統(tǒng)來說，在開啟、關閉過程所受的力的要求，一般都是轉換在鎖扣位置。圖5所示為行李箱蓋關閉狀態(tài)時受力點分析示意圖。行李箱蓋受力點到鉸鏈軸中心的距離為，行李箱蓋關閉時與水平面的夾角為，關閉力的大小為。因此轉換為相對應的關閉狀態(tài)的扭矩要求為：

3?扭桿設計應用實例

由于通過公式（5）無法直接算出扭桿的直徑d、j關以及，可通過經驗分析法計算，具體過程通過以下應用實例解釋。假設已知某行李箱蓋總重量=15kg，δ=22°，=400mm，?L=1040mm，取2.75，關閉狀態(tài)時扭桿兩端面的相對角度γ=56°，α=90°，受力點位置到旋轉軸長度=1m，剪切模量G=78500N/mm2。將已知條件帶入公式（1），θ以10°為間隔取值，得到該行李箱蓋的重力曲線圖，如圖6所示：