某輕卡駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董勇峰 王博 郭浩

摘 要：文章主要介紹了單扭桿駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)，文章以某輕型卡車為例，設(shè)計(jì)一款單扭桿駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，包括方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)配接、扭桿計(jì)算和校核并通過有限元分析分析翻轉(zhuǎn)支座強(qiáng)度，最后，此翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過臺(tái)架耐久和整車路試耐久測試，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：輕卡;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);扭桿計(jì)算;單扭桿

中圖分類號(hào)：U463.8 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-49-03

Abstract： The article mainly introduces the working principle and structure of the single torsion bar cab turning system. The article takes a light truck as an example to design a single torsion bar cab turning system， including scheme design， structural matching， torsion bar calculation and verification. The strength of the overturning support is analyzed through finite element analysis. Finally， the overturning system passed the endurance test of the bench and the road test of the vehicle to meet the design requirements.

Keywords： Light truck; Turnover mechanism; Torsion bar calculation; Single torsion bar

CLC NO.： U463.8 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-49-03

前言

單扭桿駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，借助扭桿的預(yù)扭力，使檢修人員更輕便地翻轉(zhuǎn)駕駛室，簡化了對(duì)車輛進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)的過程[1]。目前，除了部分雙排駕駛室通過地板開孔進(jìn)行檢修維護(hù)外，幾乎所有平頭駕駛室輕卡都配有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)[2]。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成、撐桿機(jī)構(gòu)總成、后懸機(jī)構(gòu)總成及鎖止機(jī)構(gòu)總成等4 部分。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)通過螺栓分別與駕駛室縱梁和車架總成連接，后懸機(jī)構(gòu)通過螺栓固定在車架總成上，鎖止機(jī)構(gòu)總成裝配在駕駛室后橫梁上，并與后懸機(jī)構(gòu)總成中的鎖扣配接。撐桿機(jī)構(gòu)總成在駕駛室翻轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)位置起限位支撐作用，并處于受拉狀態(tài)，以防止駕駛室回落。

翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)是利用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)扭桿提供的扭轉(zhuǎn)力矩克服駕駛室的重力矩，從而實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的，所以翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成在駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中是最重要的結(jié)構(gòu)。某輕卡單扭桿駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成如圖 2 所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成主要包括軸管、左支座總成、右支座總成、左支撐臂、右支撐臂、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和扭桿等組件。左右支座總成分別穿設(shè)于翻轉(zhuǎn)軸管的左右兩端，并螺接固定在車架縱梁上，左支撐臂與右支撐臂分別穿設(shè)在翻轉(zhuǎn)軸管的左右兩端，并固定在翻轉(zhuǎn)軸管上，同時(shí)通過螺栓與地板縱梁連接，翻轉(zhuǎn)軸管及扭桿之間均通過花鍵聯(lián)接。翻轉(zhuǎn)軸管和左支座總成、右支座總成間裝有膠墊，，因此駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不僅具有翻轉(zhuǎn)功能，還具有支撐、減震的功能。

2 翻轉(zhuǎn)原理

翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)利用扭桿的高儲(chǔ)能性，通過扭桿提供的扭轉(zhuǎn)力，克服重力，使檢修人員更輕便地翻轉(zhuǎn)駕駛室。

當(dāng)駕駛室鎖止時(shí)，即駕駛室翻轉(zhuǎn)角度為0°的時(shí)候，扭桿的扭轉(zhuǎn)角與扭矩最大，駕駛室的重力矩也最大，但扭桿的扭矩大于駕駛室的重力矩;當(dāng)鎖止機(jī)構(gòu)總成解鎖后，在扭桿的扭矩作用下，駕駛室自動(dòng)向上翻轉(zhuǎn)到平衡位置，此時(shí)扭矩重力矩相等; 當(dāng)人繼續(xù)在鎖止機(jī)構(gòu)總成的把手上施加向上的較小推力時(shí)，駕駛室繼續(xù)，扭桿的能量緩慢釋放，扭矩和駕駛室的重力矩不斷減小;當(dāng)翻轉(zhuǎn)到設(shè)定位置時(shí)，駕駛室通過撐桿機(jī)構(gòu)總成進(jìn)行限位，此時(shí)撐桿機(jī)構(gòu)總成處于受拉狀態(tài)，扭矩大于重力矩。

同理，當(dāng)復(fù)位駕駛室時(shí)，扭轉(zhuǎn)角逐漸增大，駕駛室的重力矩和扭矩均不斷增大，直至復(fù)位到平衡位置，此時(shí)略加外力，向下拉動(dòng)駕駛室，使鎖止機(jī)構(gòu)總成與后懸機(jī)構(gòu)的鎖鉤完成鎖住，使駕駛室處于鎖止?fàn)顟B(tài)。

3 扭桿設(shè)計(jì)和應(yīng)力校核

按扭桿的斷面形狀，汽車上的扭桿彈簧可分為圓截面、空心圓、長方形截面等幾種，其中圓形斷面扭桿的單位質(zhì)量所能儲(chǔ)存的能量比其它斷面形狀的大，所以主流輕卡一般均采用此截面[3]。作為翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的核心部件，扭桿設(shè)計(jì)的好壞直接影響翻轉(zhuǎn)性能，本文重點(diǎn)介紹扭桿設(shè)計(jì)和校核。

3.1設(shè)計(jì)要求

考慮到扭桿頻繁承受靜、動(dòng)載荷及交變應(yīng)力，且長期處于受扭狀態(tài)，因此對(duì)扭桿抗疲勞性能和抗蠕變能力均有相當(dāng)高的要求，其疲勞壽命一般需104～105次。即扭桿在長時(shí)間處于受扭狀態(tài)且經(jīng)過上萬次疲勞試驗(yàn)后扭桿不得出現(xiàn)永久變形或斷裂，剛度衰減應(yīng)小于5%。

3.2 扭桿設(shè)計(jì)

（1）布置輸入。根據(jù)總布置和邊界條件，可確認(rèn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成翻轉(zhuǎn)中心（x1，y1，z1）、駕駛室質(zhì)心（x2，y2，z3）、駕駛室重量W，扭桿總長度Lz，并設(shè)定最大翻轉(zhuǎn)角為 40°。

為了駕駛室翻轉(zhuǎn)的輕便性和安全性，駕駛室在翻轉(zhuǎn)到最大角度時(shí)，扭桿還有適當(dāng)?shù)呐ちκ箵螚U機(jī)構(gòu)總成處于受拉狀態(tài)，確保駕駛室不會(huì)突然回落，一般規(guī)定扭桿的最大工作扭轉(zhuǎn)角θ大于駕駛室的最大翻轉(zhuǎn)角 8°左右。為防止駕駛室突然彈起，在鎖止機(jī)構(gòu)總成解鎖后，駕駛室彈起至平衡位置處，彈起的角度即起彈角γ，此時(shí)重力矩等于扭矩，一般取3°～8°。

（2）扭桿剛度計(jì)算

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)重力矩MG為：

扭桿的扭矩MT為：

當(dāng)翻轉(zhuǎn)角α等于起彈角γ時(shí)，此時(shí)駕駛室處于平衡位置，重力矩等于扭桿的扭矩，由式（1）和（2），可得：

本例中翻轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（-936，0，77）、駕駛室質(zhì)心坐標(biāo)（-330，-54，690），重量W為452kg，扭桿總長為910，兩端花鍵長度按照行業(yè)慣例暫定35.5mm，起彈角γ為5°，最大工作角度θ為48°。

經(jīng)計(jì)算，K=56.74 N.m/°。

（3）扭桿材料和扭桿直徑

本例扭桿斷面采用圓形斷面，根據(jù)材料力學(xué)，圓形截面扭桿的扭轉(zhuǎn)角φ為[4-5]：

式中MT為扭桿扭矩，N·m;d為扭桿直徑，m;G為剪切模量，MPa;K為扭桿剛度，（N·m）/°。

由式（5）可知，扭桿直徑d為：

根據(jù)扭桿的設(shè)計(jì)要求，扭桿材料常用材料為硅錳和鉻鎳鉬等合金鋼。實(shí)際生產(chǎn)工藝中，還需要對(duì)扭桿進(jìn)行熱處理和噴丸，以消除扭桿表面的細(xì)微裂紋，強(qiáng)化扭桿的表面強(qiáng)度和硬度，增加扭桿的彈性極限和韌性，提高扭桿的疲勞壽命。本例選用60Si2MnA，剪切模量G取為7.6×104MPa，[τ]= 1000 ～1250 MPa。

經(jīng)計(jì)算，扭桿直徑d=24.589mm，扭桿設(shè)計(jì)直徑取24.5 mm。

（4）扭桿設(shè)計(jì)校核

扭桿工作時(shí)最大表面應(yīng)力為：

由式（7）可知，扭桿工作時(shí)最大表面應(yīng)力為τ=929.65MPa <[τ]，滿足扭桿設(shè)計(jì)要求。

4 有限元分析

建立駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)計(jì)算模型，輸入載荷為ADAMS計(jì)算輸出的車身硬點(diǎn)處載荷，通過有限元分析得出應(yīng)力分布如下圖所示。提取圖中應(yīng)力較大位置的應(yīng)力值，前支座應(yīng)力最大值為205.304MPa，小于QT450的屈服極限310Mpa;后支座應(yīng)力最大值為75.48 MPa，小于Q235的屈服極限。經(jīng)分析，翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)前支座和后支座均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文通過介紹單扭桿駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理和設(shè)計(jì)方法，并以某輕卡為例，從安裝結(jié)構(gòu)方式、扭桿設(shè)計(jì)和校核、有限元分析，最終完成翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)符合人機(jī)操作要求。產(chǎn)品已完成試制，并通過翻轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)和整車耐久路試測試，均滿足駕駛室的翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)要求。

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