汽車交叉臂式升降器的平衡彈簧設計
2008-12-31 00:00:00莫建偉韋樂俠
現代商貿工業 2008年12期
摘 要：闡述了汽車交叉臂式玻璃升降器平衡扭簧相關設計計算。
關鍵詞：交叉臂玻璃升降器；平衡扭簧；設計計算
中圖分類號：TB文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）12-0369-02
1 平衡扭簧的結構以及其特性：
平衡扭簧一般是由厚度2.0～3.5寬5.0～9.0彈簧鋼卷制4～7圈的螺旋狀卷簧，它的工作原理跟鐘表的發條比較類似，除了起到升降器上升、下降時緩沖外，還是玻璃上升、下降過程蓄能裝置：在玻璃下降時，平衡彈簧旋緊而張力增大，使玻璃下降比較平穩，而玻璃上升時，彈簧的張開彈力又可助一臂之力，這樣它就減輕升降器的主動驅動部分很大部分負擔。
我們可用如圖1的測試方法：在升降器驅動部分分離之后，固定升降器的安裝板后測量的平衡彈簧在主臂頂點產生測量沿切線方向的反彈力與轉角大小之間的對應關系，可以得出它的產生的扭矩與它被壓縮的角度成正比的線性關系，得到曲線得到特性曲線如圖2，利用圖2，我們可以算出平衡彈簧的倔強系數K的值：
K=5.4-2.275.5-30=0.0703（N.M/°）
圖1 平衡彈簧扭矩-轉角測量簡圖
從圖2我們也可以得出：平衡彈簧的工作轉角范圍關系一般只有0～140度，比鐘表的發條有效轉角少得多。當被壓縮倒110度左右由彈簧各圈之間開始接觸我們稱之為并圈，這時它是各圈都受力不再均勻，局部產生干涉應力，扭矩不再與扭轉角成正比，而是陡然上升，若繼續壓縮太多，彈簧將局部發生不可恢復的永久變形而損壞。在上止點平衡彈簧對玻璃的支撐力最小，為了讓平衡彈簧在上止點就可以產生一定的扭矩，在上止點就應該讓平衡彈簧預壓縮旋轉了一定的角度，這個角度我們把它稱作預緊角。預緊角越大，平衡彈簧對升降器助力好，但是太大了會將上止點的轉角過大，彈簧損壞，大的反彈力也會讓升降器驅動部分受到過大的應力而損壞。因此一般來說平衡彈簧的實際工作范圍是在20°～140°之間，既工作區間角的寬度在60～95°。
2 升降器受力特點以及對平衡扭簧的特性要求：
2.1 如圖3，在升降器上升階段：
對玻璃分析有：
圖3 升降器上升階段受力分析
①F上升＝G玻璃+f摩擦1+f摩擦2+f摩擦3
其中：f摩擦1、f摩擦2是兩側玻璃膠條對玻璃的摩擦力，f摩擦3腰部玻璃膠條對玻璃的摩擦力，對固定的車門系統來說這三個值變化不大，所以為方便研究對升降器上升、下降來說我們將這三力合并稱之為F摩擦，為定值常數，即：
①預緊角由20°調整到40°；
②將倔強系數K由0.0703（N.M/°）調整到0.06606（N.M/°）。
這樣平衡彈簧的F反彈曲線盡量分布上升阻力與下降阻力的中間區，實現升降器的驅動機構負荷變化平緩，平穩運行。由圖6中分析我們可以知道一個工作循環內驅動機構需要做的總功僅與玻璃重力值以及玻璃膠條摩擦力F摩擦有關，而平衡彈簧的F反彈曲線形狀無關。但是平衡彈簧可以使升降器驅動機構在玻璃上升階段需要做的功W上升與玻璃下降階段需要做的功W下降大致相等。降低玻璃與膠條之間的摩擦力F摩擦是減少升降器驅動機構的總負荷的比較好的方法，如圖7：在F摩擦由20N減少10N，升降器驅動機構的負荷（W上升、W下降的陰影區）大大降低。
4 結語
當計算出最合理的平衡彈簧倔強系數K之后，我們可以綜合考慮的平衡彈簧的有效圈數、并圈角度、截面設計、熱處理硬度等工藝，多做測試，測繪出平衡彈簧的轉角-力矩特性曲線，根據曲線計算實際K值，多次調整使實際K值盡量接近設計值。這樣對手動升降器來說，乘員驅動手柄最省力舒適；對電動升降器來說，此時電機需要工作電流最小，可以更好的保護汽車蓄電池，又最大可能的節約能源；
參考文獻
［1］郭竹亭.汽車車身設計［M］.第一版.吉林：吉林科學技術出版社，1994，12.
