輕卡車駕駛室翻轉扭桿設計

張英 夏坤

摘 要 通過確定合理的扭桿剛度值，為翻轉駕駛室提供輕便靈活的助力機構。

關鍵詞 輕卡翻轉駕駛室 扭桿彈簧 扭桿的剛度值

輕卡駕駛室的翻轉機構大致分兩種，一種是液壓翻轉機構，另一種是助力式人力翻轉機構，簡稱機械翻轉機構。液壓翻轉機構的優點是：在汽車的正常工作位置時，駕駛室、車架都不受力，一套施力機構可以實現各種駕駛室的翻轉。其缺點是：人力驅動油泵實現翻轉時，操縱者需費時2～3min、往復扳動杠桿近百次才能使駕駛室翻起，體力消耗大，工作效率低；機構中油泵、油缸及控制閥等精度要求高、工藝復雜、加工困難、成本高，且易漏油，需經常維護，售后服務成本高；冬夏季需更換液壓油，操作起來比較繁瑣。鑒于液壓翻轉機構的以上缺點，現在已經逐步的被助力式人力翻轉機構所取代。助力式人力翻轉機構的優點是借助于彈性元件預先儲備的彈性變形能，用人力直接翻轉駕駛室，操作輕便靈活。

助力式人力翻轉機構一般由翻轉軸、彈性元件、翻轉支架、調整機構組成。其中常用的彈性元件是扭桿彈簧，這種彈簧結構簡單、易加工、使用方便、操作省力、結構緊湊、便于布置、維修簡便、壽命長。

翻轉駕駛室的翻轉機構是否省力關鍵是扭桿彈簧的設計。而扭桿彈簧的設計又受結構空間的限制，如何在有限的結構空間內實現輕便靈活的翻轉效果，是扭桿彈簧的設計難點。其中有一項重要的參數就是扭桿的剛度值。本文從扭桿彈簧的計算公式、初選K值、初步計算扭桿的直徑d、扭桿剛度的控制、強度校核等五個方面來闡述扭桿剛度值的選定。

一、計算公式

扭桿的剛度：

K=？000 （Nm/rad） ：

K=T/%o=（kgm/Deg）

式中：K-剛度 kgm/Deg或Nm/rad Deg—度 rad—弧度

d-直徑 mm；G-剪切彈性模量 取G=76000Mpa；

L-扭桿有效長度 mm ； T-扭矩； -扭角

L值的計算公式（適用于端頭與桿部為錐角過渡）：L=L0-2（Lg+L端）+2Le

Lg過渡段： Lg=； Le 等效長度：Le=（++）

L端 ：端頭長度； L0 ：扭桿總長度； d：扭桿直徑； D： 花鍵齒根圓直徑

二、初選K值

利用K=T/%o初步確定K值。

T值的確定：T0=TG+T拉；TG：駕駛室水平安裝時自重所產生的扭矩

TG=GRCOS%Z=GXL； G：駕駛室質量；

R：駕駛室質心距支承點距離（扭桿、支承點同軸）

%Z：質心與支承點水平夾角；XL： 駕駛室質心距支承點水平距離

T拉：駕駛室落下時在翻轉拉手處需加的最大拉力矩，一般可取100Nm～160Nm

K值的確定：

1、首先按比例繪制駕駛室自重扭矩與翻轉角度的變化曲線。即T-%o圖中的TG線。

按公式T0=TG+T拉計算出T0 ，確定扭角后按公式K=T/%o可計算出K值。

扭角的確定：扭角的確定在T-%o圖上進行。在縱坐標上找出T0點，在橫坐標找出對應的%o值點 ，通過T0點和%o點做直線。此直線即為剛度曲線K線。在選定角度時主要考慮所形成的K線與TG線的相互位置。

K線與TG線的關系：

①K線與TG線相交時，交點即為扭桿扭矩與駕駛室自重扭矩的平衡點。②K線在TG線上方的部分，在其對應的角度范圍內駕駛室便自動翻轉，K線距TG線越遠翻轉的力矩越大，反之越小。③K線在TG線下方部分，扭桿力矩小于駕駛室自重力矩，相距越遠，差距越大。在此角度范圍要使駕駛室繼續向上翻轉，就要借助外力。④K線與TG線不相交：在TG線上方時，打開鎖止鉤，駕駛室自動翻轉到位，不需要借助外力。在TG下方時，打開鎖止鉤，駕駛室不能自動翻轉，若要翻轉需借助外力，外力矩的大小即是K線與TG線對應點的垂直距離。

三、初步計算扭桿的直徑d

可按下列公式計算：d=；L可取近似值L=L0-2L端

在d已確定的情況下，計算LG、Le值，重新計算有效長度L并校核剛度K值。若計算的K值與上述確定的K值不一致，修正d、L值再計算K，經過反復計算使兩個K值的差值最小。此值即為最后確定值。按扭桿的剛度K公式計算修正d、L值，最終的K值是用確定的d值的計算值，并應該修正K線圖。

四、強度校核

%m=≤[%mp]， 60Si2MnA的許用剪切應力[%mp]=800-925MPa按公式計算工作應力，工作應力大于許用應力將導致扭桿早期沉降或損壞。通過以上計算，工作應力若大于許用應力，首先應從設計結構上考慮 ，在保持k值不變動的情況下，是否可以增加扭桿的長度和直徑 ，或選擇更高屈服點的彈簧鋼。

五、扭桿剛度的控制

一般書中介紹的剛度值僅與幾何尺寸有關與熱處理無關，實際上，彈簧鋼在熱處理過程中淬火溫度和淬火后回火的溫度都影響其彈性模量E和切變彈性模量G。

根據強度校核公式 切變彈性模量G的變化也影響K值的大小。生產實際中，對每批產品投產前都要對試件進行剛度值的檢測，以確定熱處理溫度是否合理。產品出廠時應具備扭桿的扭矩試驗報告，報告中記錄了試件的扭矩-扭角變化值，并繪制出扭矩-扭角變化曲線（即K線）。

（作者單位：沈陽金杯車輛制造有限公司）