行李艙門開啟高度的設(shè)計與應(yīng)用

厲鵬　林人建　張思君　周駿　孔嬌龍　謝偉強

摘 要：本文介紹了市場上行李艙門運動裝置的幾種結(jié)構(gòu)，重點闡述了“鵝頸式鉸鏈+扭簧”結(jié)構(gòu)的行李艙門開啟高度的設(shè)計方法及應(yīng)用。通過簡化行李艙門受力模型，分析計算受力平衡模式，得出行李艙門重力力矩、扭簧轉(zhuǎn)動力矩和鉸鏈摩擦力矩對行李艙門開啟高度的影響。通過實例分析應(yīng)用，總結(jié)行李艙門開啟高度設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：行李艙門;鵝頸式鉸鏈;扭簧;設(shè)計方法

1 行李艙門運動裝置概述

目前，市場上大部分三廂轎車行李艙門采用三種運動裝置：一是“四連桿鉸鏈+氣彈簧”結(jié)構(gòu);二是“鵝頸式鉸鏈+伸縮彈簧”結(jié)構(gòu);三是“鵝頸式鉸鏈+扭簧”結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是開閉運動過程穩(wěn)定;缺點是布置空間要求高，成本高。第二種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是開閉運動過程較穩(wěn)定，伸縮彈簧不易衰減，性能穩(wěn)定;缺點是犧牲行李艙部分空間，空間利用率低，成本較高。第三種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是空間利用率高，成本低;缺點是扭簧容易衰減，裝配工藝一致性控制困難。市場占有率最高的中低端A級轎車基本采用的是第三種結(jié)構(gòu)“鵝頸式鉸鏈+扭簧”，本文將重點闡述該結(jié)構(gòu)的工作原理及設(shè)計方法。

1.1 “鵝頸式鉸鏈+扭簧”結(jié)構(gòu)工作原理

“鵝頸式鉸鏈+扭簧”結(jié)構(gòu)利用鵝頸式鉸鏈作為傳動機構(gòu)，扭簧作為能量源，實現(xiàn)行李艙門的開啟與閉合。結(jié)構(gòu)如圖1所示，鉸鏈固定座通過螺接形式固定在車身上。鉸鏈搖臂一端鉚接在鉸鏈固定座上，二者形成一個旋轉(zhuǎn)副，鉸鏈搖臂的另一端螺接固定在行李艙門內(nèi)板上。鉸鏈連接板的一端鉚接在鉸鏈搖臂上，二者形成一個旋轉(zhuǎn)副，鉸鏈連接板的另一端通過卡槽與扭簧進行連接。扭簧與鉸鏈形成兩個四連桿結(jié)構(gòu)[1]，在行李艙門開啟的過程中，扭簧通過扭轉(zhuǎn)提供驅(qū)動力，阻力來源于行李艙門自身重力和機構(gòu)間的摩擦力。在行李艙門關(guān)閉的過程中，人施加的外力和行李艙門自身的重力作為驅(qū)動力，扭簧的扭轉(zhuǎn)力和機構(gòu)間的摩擦力則變成阻力。最終完成行李艙門的開閉運動。

1.2 行李艙門開啟方式

“鵝頸式鉸鏈+扭簧”結(jié)構(gòu)的行李艙門一般有兩種開啟方式：全開啟方式和半開啟方式。全開啟方式是指在開啟行李艙門的時候，不借助外力，行李艙門開啟后自動彈開至最大角度。全開啟方式優(yōu)點是開啟時無需借助外力，自動打開至最大角度，省去人為操作;缺點是開啟時初始彈力較大，彈起速度較快，有磕碰附近人員的風險，并且由于慣性作用，行李艙門羊角處有撞擊后擋風玻璃的風險。半開啟方式是指打開行李艙門后，行李艙門自動開啟至一定角度，人員需要手扶開啟至最大角度。半開啟方式優(yōu)點是在一定開啟角度范圍內(nèi)，行李艙門可以保持懸停;缺點是需要人為操作，二次開啟。

2 行李艙門裝置受力分析

在行李艙門開啟過程中，行李艙門的自身重力向下，存在向下關(guān)閉的重力力矩MG，扭簧輸出扭力向上，提供開啟行李艙門的的扭轉(zhuǎn)力矩MT，鉸鏈摩擦力向下，提供摩擦力矩Mf。當MG-Mf≤MT≤MG+Mf時，行李艙門受力平衡，處于靜止狀態(tài);當MT>MG+Mf時，行李艙門開啟動力大于阻力，處于上升開啟狀態(tài);當MT

2.1 行李艙門重力力矩計算

行李艙門重力力矩主要由行李艙門的總質(zhì)量和力臂決定，由圖2可知：

M′G=mg·LG·cos（α-θ） ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：M′G——行李艙門重力力矩，N·m;

m——行李艙門總重量，kg;

g——重力加速度9.8，N/kg;

LG——行李艙門重心與鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心的距離，m;

α——行李艙門開啟角度，°;

θ——關(guān)閉狀態(tài)重心連線與X軸線的夾角，°。

將鉸鏈與扭簧結(jié)構(gòu)看作為四連桿機構(gòu)，行李艙門重力力矩經(jīng)過四連桿機構(gòu)傳遞后得到有效重力力矩：

MG=M′G· ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：MG——行李艙門有效重力力矩，N·m;

LAB——四連桿AB長度，m;

LCD——四連桿CD長度，m;

φ3——四連桿AB與BC的夾角，°;

φ4——四連桿BC與CD的夾角，°。

2.2 扭簧扭轉(zhuǎn)力矩計算

扭簧作用在四連桿上的力主要來源于扭簧自身的扭力，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度不同，得到不同的扭轉(zhuǎn)力矩：

M′T= ? ? ? （3）

式中：M′T——單個扭簧的扭轉(zhuǎn)力矩，N·m;

G——扭簧材料切變模量，Pa;

d——扭簧直徑，m;

LT——扭簧有效長度，m;

——行李艙門關(guān)閉時扭簧扭轉(zhuǎn)角度，°;

φ2——四連桿AB與AD的夾角，°;

φ′2——行李艙門關(guān)閉φ2的初始角度，°。

整個系統(tǒng)中存在兩根扭簧，故總扭轉(zhuǎn)力矩為：

MT=2M′T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：MT——扭簧總扭轉(zhuǎn)力矩，N·m。

2.3 鉸鏈摩擦力矩計算

鉸鏈的摩擦力矩主要由四部分組成，四連桿A位置扭簧與鉸鏈固定座的滑動摩擦力矩MfA，四連桿B位置扭簧與鉸鏈連接板的滑動摩擦力矩MfB，四連桿C位置鉸鏈連接板的轉(zhuǎn)動力矩MfC，四連桿D位置鉸鏈固定座的轉(zhuǎn)動力矩MfD，經(jīng)過四連桿機構(gòu)傳遞后得到總摩擦力矩：

Mf=MfA+MfB +（MfC+MfD）·

-（MfB+MfC）··（cosφ3+sinφ3cosφ4） ? （5）

式中：Mf——鉸鏈總摩擦力矩，N·m;

LBC——四連桿BC長度，m。

2.4 運動角度計算

行李艙門在運動過程中，鉸鏈與扭簧組成的四連桿機構(gòu)隨著開啟角度的變化，四連桿機構(gòu)角度也隨之變化。假設(shè)行李艙門關(guān)閉狀態(tài)α=0°，則計算如下：

φ1=φ′1+α ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

φ2=180-2tan-1 ? ? ? ? ?（7）

φ4=180-φ1+2tan-1 ?（8）

φ3=360-φ1-φ2-φ4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

式中：φ1——四連桿AD與CD的夾角，°;

φ′1——行李艙門關(guān)閉狀態(tài)φ1初始角度;

LAD——四連桿AD長度，m;

A=2LABLCDsinφ1;

B=2LAB（LCDcosφ1??-LAD）;

C=L2BC-L2CD-L2AB-L2AD+2LCDLADcosφ1;

D=2LBCLCDsinφ1;

E=2LBC（LCDcosφ1??-LAD）;

F=L2BC+L2CD+L2AD-L2AB-2LCDLADcosφ1;

2.5 開啟高度與開啟角度關(guān)系計算

行李艙門開啟高度與與開啟角度相關(guān)參數(shù)關(guān)系如圖3所示，計算如下：

H=LH[sinβ-sin（β-α）] ? ? ? ? ? （10）

式中：H——開啟高度（行李艙門下邊緣與后保險杠上邊緣的距離），m;

LH——行李艙門外側(cè)邊緣與鉸鏈軸心的距離，mm;

β——行李艙門關(guān)閉狀態(tài)LH與X軸線的夾角，°，見圖3。

3 實例應(yīng)用

參考某車型布置方案，輸入相關(guān)設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

將表1中的參數(shù)代入到公式（1）～（10）中進行計算，得出行李艙門開啟角度α與開啟高度H、扭簧總扭轉(zhuǎn)力矩MT、行李艙門有效重力力矩與鉸鏈總摩擦力矩之和MG+Mf、行李艙門有效重力力矩與鉸鏈總摩擦力矩之差MG+Mf之間的關(guān)系，計算結(jié)果如表2所示：

根據(jù)表2的計算結(jié)果，繪制α、MT、MG+Mf和MG-Mf四個變量的關(guān)系圖，如圖4所示。繪制H、MT、MG+Mf和MG-Mf四個變量的關(guān)系圖，如圖5所示。

由圖4和圖5可知，該車型的行李艙門的開啟方式為半開啟方式，當行李艙門開啟后，自動彈起30°左右，行李艙門開啟高度為349mm左右，此時達到第一平衡點。人施加外力，開啟角度至70°左右，開啟高度為818mm左右，此時達到第二平衡點。在第一平衡點至第二平衡點的范圍內(nèi)，行李艙門可以懸停任意角度。越過第二平衡點后，行李艙門自動開啟至最大。

4 結(jié)語

本文介紹了“鵝頸式鉸鏈+扭簧”結(jié)構(gòu)行李艙門的工作原理及開啟方式，著重闡述了行李艙門開啟高度的設(shè)計方法及應(yīng)用實例。通過簡化受力模型，分析四連桿結(jié)構(gòu)，得出行李艙門重力力矩、扭簧轉(zhuǎn)動力矩、鉸鏈摩擦力矩的計算公式，并分析了三者對行李艙門開啟高度的影響。運用該設(shè)計方法可以為前期開發(fā)提供參考，同時對后期量產(chǎn)問題分析也具有指導意義。

參考文獻：

[1]馬履中.機械原理與設(shè)計：上冊[M].北京：機械工業(yè)初版社，2009：78-104.