車載雙屏顯控器翻轉機構設計

苗仲海，馬云飛，顧順祥

（蘇州長風航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151）

某型特種車輛需要在副駕駛儀表臺上設置兩臺顯控器，使用時，乘員操作主屏，輔屏為擴展顯示器，與主屏一樣，需要有合理的觀察視角。考慮到駕駛艙的空間有限，所以將主、輔屏設計成上下分布。使用時，輔屏可向上展開，在0～ e 區間內翻轉和懸停，達到最佳觀察角度時鎖定位置，可以承受垂直、縱向、軸向三個方向的振動而不發生位移。使用結束后輔屏可向下閉合，不影響乘員觀察車外環境。輔屏的展開、閉合操作應盡可能簡便，避免煩瑣的操作。因此，本文設計使用高強度扭矩鉸鏈實現輔屏翻轉和懸停，使用復位型分度銷來實現固定角度自動鎖死功能。使用三維設計軟件CATIA 進行翻轉運動仿真，設定鎖死角度為172°，試驗件按GJB150.16A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》第16 部分進行振動試驗。經測試，本文所設計的翻轉固定機構操作簡便，功能可靠，達到了預期的設計目標。

1 器件選型設計

基于對功能需求的分析，設計使用高強度扭矩鉸鏈和分度銷兩種核心部件。扭矩鉸鏈用于實現輔屏翻轉并隨意懸停的功能，分度銷配合固定座使用，用于實現輔屏位置自動鎖定。

1.1 扭矩鉸鏈選型

1.1.1 扭矩鉸鏈介紹

扭矩鉸鏈是鉸鏈的一種，由固定部件、安裝部件、彈簧部件等組成。原理是在鉸鏈的轉動副上施加一定的預緊力，轉動副所連接的兩個主體發生相對位移時，產生和預緊力成正比的摩擦力。

扭矩鉸鏈的分類，按材質，主要有不銹鋼、塑料扭矩鉸鏈；按鉸鏈安裝方式，可以分為因定式，脫卸式；按功能分為：一段力、二段力、阻尼緩沖；按扭矩大小是否可調，分為可調和不可調扭矩鉸鏈。

1.1.2 扭矩鉸鏈選型原則

扭矩鉸鏈選型要兼顧功能需求、安裝方式、使用環境等。該項目所使用的雙屏顯示器，輔屏重量約為7kg，翻轉角度從豎直方向 e ～ e ，扭矩鉸鏈要承擔輔屏重力。要求所使用的扭矩鉸鏈具有較大的扭矩值，在翻轉過程中，產生的摩擦力能承受輔屏的重力，且安裝臂要有一定的強度。產品使用環境為車內，溫、濕度波動范圍較大，因此，核心部件扭力彈性部件應避免使用鐵質等易腐蝕材料。因此，選用主體材質為不銹鋼，彈性材質為磷青銅等耐蝕性、耐磨性較好的產品。

1.1.3 扭矩計算

扭矩鉸鏈的扭矩值在輔屏翻轉過程中影響較大，扭矩過小，輔屏在翻轉時過于靈活，且無法隨意懸停；扭矩過大，翻轉時比較費力，使用體驗較差。所以，所選用的扭矩鉸鏈扭矩值應略大于輔屏的扭矩值。

輔屏扭矩的計算方法按以下公式（示意見圖1）：

注：該公式中選取的輔屏重心為輔屏幾何中心，實際重心與幾何中心可能不重合。

圖1 輔屏扭矩計算示意

本設計中，輔屏的寬度為300mm，重量約為7kg。經計算，輔屏的扭矩值為10.29N·M，考慮到扭矩鉸鏈實際扭矩值與額定扭矩的偏差為±20%，故預選用兩對4.5N·M 的扭矩鉸鏈。配合使用后額定扭矩值為18N·M。經過驗證，所選用鉸鏈實際使用效果良好。翻轉時，力度均勻適中，可以實現隨意懸停。

1.2 分度銷選型

1.2.1 分度銷介紹

分度銷，或稱旋鈕柱塞。簡單可理解為應用于類似分度盤結構定位的銷子。分度銷的結構由銷體、銷頭、把手，以及內置彈簧組合而成。分度銷家族龐大，種類繁多。類型按照材料分主要有碳鋼（黑色氧化）、不銹鋼；按照使用特點分為復位型、自鎖型；按拉手型類型分，有拉環型、把手型；按銷頭形狀分有球頭、錐度、平頭等。

1.2.2 分度銷選型原則

分度銷的選擇首先考慮強度因素。分度頭的剪切強度直接關系到輔屏定位的可靠性。如選用不當，分度銷使用時可能會變形、失效。在極端條件下可能造成分度銷折斷，輔屏繞扭矩鉸鏈軸心旋轉，嚴重時可能造成乘員受傷。

其次，考慮到乘員操作使用方便，選擇帶把手復位型分度銷，復位型分度銷前端通常處于突出狀態，拉出把手時，前端銷頭收回。如果釋放把手，前端則會通過內置彈簧力的作用而恢復突出狀態。這樣，當輔屏翻轉達到設定角度時，分度銷銷頭彈出，鎖定位置。使用結束后，乘員只需單手輕拉滾花手柄，即可解除輔屏鎖定，另一只手完成輔屏關閉。

考慮到使用效果，為使銷頭能順滑彈出，同時保證銷頭定位精度，使連接堅固緊密，最終選用不銹鋼復位型帶把手球頭分度銷。

1.2.3 剪切力計算

輔屏在車輛啟停或加減速時，有繞扭矩鉸鏈軸線轉動的趨勢，分度銷則阻礙這種轉動。運用力矩的定義：力矩M 是力（F）與力臂（L）的乘積。輔屏重心到扭矩鉸鏈中心軸的距離為動力臂，分度銷中心軸到扭矩鉸鏈軸線的距離為阻力臂。按照GJB150.16A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》，選取最大沖擊振動量級20g 計算：

分度銷銷頭剪切應力計算如下：

式中，m 為輔屏重量（kg）；a 為最大加速度，取沖擊時最大量級20g（運輸環境振動最大量級為2.2g）；18N·m為扭矩鉸鏈總額定扭矩；L（動）為動力臂；L（阻）為阻力臂；

304 不銹鋼材質的抗拉應力為515MPa，抗剪切應力一般取抗拉應力的0.6 ～0.8，選取安全系數為1.3。圓柱銷抗剪切力計算公式為F（剪）=τ（材料抗剪切應力）×S（圓柱截面面積）。經計算，分度銷銷頭直徑最小應為4.28mm。本文選用的分度銷銷頭直徑為φ8，滿足需求。

2 自動鎖定機構設計

扭矩鉸鏈和分度銷選型完成后，需要設計鎖定機構。

2.1 工作模式分析

為了乘員能有較好的使用體驗，避免多余操作，要求乘員可以直接向上翻轉輔屏到特定角度，分度銷銷頭即自動彈出，鎖定輔屏角度。使用結束后，單手提拉分度銷手柄，即解除鎖定，另一只手完成輔屏閉合。

基于以上工作模式，翻轉鎖定機構優先采用單側鎖死的設計（如雙側使用，需選用自鎖型分度銷，操作較煩瑣）。另外，固定座的設計要能在打開輔屏時自動壓縮分度銷銷頭，而非乘員主動拉出。輔屏閉合和打開狀態見圖2。

2.2 分度銷固定座設計

分度銷固定座，安裝于主屏背面。當輔屏打開至特定角度后鎖定分度銷銷頭。固定座上設計有與分度銷銷頭直徑相當的孔，孔口倒圓，便于銷頭滑入。為實現輔屏打開時無需乘員操作，銷頭自動壓縮，在固定座上設計有一光滑斜面，輔屏翻轉時，銷頭由斜面一端滑向固定座中心。在此過程中，受斜面擠壓，銷頭由自然突出狀態被擠壓收回。到達固定座中心孔時，銷頭釋放，彈入孔內，實現輔屏位置鎖定。固定座材料要求具有一定的硬度，使光滑斜面能承受銷頭反復滑動而不發生磨損，斜面的粗糙度應高于Ra1.6。上述分度銷固定座經過試驗驗證，滿足輔屏自動鎖定功能，有較為不錯的使用體驗。

圖2 輔屏閉合、打開狀態

3 試驗方案

對于車載裝備，裝備與運輸車輛是作為一個柔性系統進行振動的。這種情況下，可用實際運輸車輛跑車來模擬運輸條件。將本方案所使用試驗件按裝備實際安裝方式固定在試驗臺上。按GJB150.16A-2009 附錄A 中A.2.2.2 條的卡車任務/外場運輸中組合輪式車輛的規定進行功能振動試驗。振動量級按輪式車輛振動環境（如圖3）垂向最大2.20g，橫向1.62g，縱向2.05g，振動試驗時間為每軸向60min，三軸向共計180min。試驗中及試驗后翻轉固定機構均未出現變形及損傷等缺陷。

圖3 組合輪式車輛振動環境（選自GJB150A）

4 結語

本文設計的車載雙屏顯控器翻轉與固定機構，經過試驗驗證，能夠實現輔屏翻轉懸停和固定角度鎖定功能，操作方便，可靠性高，獲得了客戶的認可。該機構也可應用于其他顯控設備、健身器材、醫療器械等等。

不足的是，受空間限制，只能在1 ～2 個特定角度下鎖定，而不能在任意角度鎖定；另外，受分度銷質量可靠性影響，經過長時間重載使用后，分度銷的銷頭與銷體配合可能不再緊密，影響使用體驗。