行李箱間接式扭桿彈簧設計

周志龍

阿爾特（中國）汽車技術有限公司，北京 100000

行李箱間接式扭桿彈簧設計

周志龍

阿爾特（中國）汽車技術有限公司，北京 100000

本文通過對轎車行李箱間接式扭桿彈簧結構和受分析的研究，闡述了行李箱間接式扭桿彈簧設計和校核的方法，由此總結了行李箱間接式扭桿彈簧設計思路與流程。以某項目為行李設計例，應用了該設計方法，并且該車型成功量產，實際狀態基本符合設計理論。

行李箱；扭桿彈簧；設計方法

前言

在三廂轎車車身的開發過程中，行李箱鉸鏈設計是難點之一。行李箱的鉸鏈經常使用的有3種形式：一是4連桿鉸鏈加氣彈簧的形式；二是鵝頸式鉸鏈加扭桿彈簧的形式；三是鵝頸式鉸鏈加伸縮彈簧形式。這三種形式中的各類彈簧是為行李箱提供開啟力和關閉力。研究各種行李箱鉸鏈系統的受力分析，是成功設計的關鍵。

其中第2種鵝頸式鉸鏈加扭桿彈簧的形式在A級車型中比較常用，這種鉸鏈分為2種情形一種是鉸鏈臂與扭簧直接安裝在一起，叫做直接式；另一種是鉸鏈臂與連桿一端安裝在一起，扭簧與連桿的另一端安裝到一起，叫做間接式，即在鉸鏈臂與扭桿彈簧直間有一連桿連接。本文主要針對采用鵝頸式鉸鏈加間接式扭桿彈簧的行李箱進行分析說明的。見圖1。

圖1

圖2

1 行李箱受力分析

行李箱總成在自重的作用下，有使行李箱關閉向下的力矩Mw；扭桿彈簧使行李箱有向上開啟力矩MS；在鉸鏈安裝等處有摩擦力距，匯總為Mf；行李箱在開啟最大位置進行關閉的時，手提供關閉力矩MC。行李箱在關閉位置進行開啟的時，手提供開啟力矩MO。力矩分析圖如圖2。

從上圖行李箱的受力分析可以看出：

在行李箱從關閉到開啟的瞬間，力矩平衡公式如下：

Ms+Mo-Mf=Mw

在行李箱從開啟到關閉的瞬間，力矩平衡公式如下：

Ms-Mc+Mf=Mw

1.1 行李箱自重力矩Mw計算公式

在車身傾斜角度a1情況下，行李箱關閉狀態上往上開啟θ角度之后，自重慣性矩Mw 的計算公式如下：

W :行李箱理論總重量，包括行李箱鈑金件及裝飾件，及附件重量；

L : 從鉸鏈旋轉中心到行李箱重心的距離；

a: 在行李箱關閉狀態下，從鉸鏈旋轉中心連接到行李箱重心的連線和車身坐標系Z軸之間的角度。

1.2 在軟件中，讓θ角度每5度變化，測量L值 ，并計算出相應的Mw，并使用描點法繪制出Mw變化曲線，如圖3。

圖3

圖4

1.3 扭桿彈簧機構力學模型簡化，圖4是行李箱鉸鏈設計3D數據狀態，圖5是對鉸鏈系統進行的力學簡化模型。

圖5

其中：

Mr 扭桿彈簧作用到連桿上的力矩；

Mh 連桿傳遞到鉸鏈臂上的力矩；

L1 扭簧安裝點到連桿的距離；

L2 連桿到鉸鏈臂轉軸的距離；

α L1與連桿夾角；

β L2與連桿中心線延長線夾角；

1.4 扭桿彈簧扭作用到連桿上的力矩Mr公式如下：

其中Kt是扭桿剛度；θ扭桿轉角；d扭桿直徑；G切變彈性模量

從而得到了Mr與Mh關系公式。

在3D數據軟件中，將行李箱每開啟5°，測量行李箱蓋開啟時候的各個位置的α,β,θ值并輸入到公式（7），并計算出Mr，Mh值，并繪制出Mh圖表，如圖6。

圖6

Mw與Mh比較。

圖7

在'A' 區域即使Mh比Mw大很多，但是實車上出現情況(在某一個開啟角度上停止)是因為鉸鏈臂和連接板之間的摩擦力以及鉸鏈軸部位和鉸鏈支架之間的摩擦力的影響Mh- Mf=Mw，行李箱蓋還需要有開門力。

在'B' 區域Mh+ Mf比Mw 大，行李箱蓋需要有關閉力

在A和B中間區域，基本上是Mh±Mf=Mw，這是理想的開閉情況：行李箱蓋開啟之后的某一個位置停止的區域可以持續到最大開啟角度約10～20度之前，下一個區域開始為Mh- Mf≥Mw，自動開啟到最大開啟角度。

2 設計過程中參數調整

以上是扭簧的受力分析過程，是論理狀態下計算。在設計階段，需要將行李箱自重力矩Mw與Mh的設定基本符合圖8狀態，行李箱自重力矩Mw理論值受車身造型影響和自身強度和剛度的要求，是基本固定的參數。無法調整，也無需調整，作為行李箱鉸鏈系統設計時的輸入條件。

從Mr與Mh關系公式中可以看出，可以調整的參數是L1（ 扭簧安裝點到連桿的距離），L2（連桿到鉸鏈臂轉軸的距離），α（L1與連桿夾角），β（L2與連桿中心線延長線夾角），d（扭桿直徑）。在設計中，為調整Mh大小，調整A點（見圖4）位置，效率更高，其次是調整L1長度，也有較高的效率。

3 結語

由于摩擦力Mf無法加入到計算中，需要在試制的過程中對以上的計算加以驗證，一般情況下摩擦力是無法有意的進行控制，并且實物行李箱總成的重量基本穩定，這時需要調整扭桿彈簧的參數，比如扭桿的直徑，扭簧的初始安裝角度，連接板的連接位置及長度。使用該計算方法設計出的行李箱扭桿彈簧鉸鏈系統，應用到量產車型上，獲得成功，節約了開發周期。

[1] 郭竹亭.汽車車身設計[M]. 長春：吉林科學技術出版社.

[2] 單輝祖.材料力學教程.高等教育出版社.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.073