扭桿彈簧在軍車逃生窗蓋上的設計與應用

王占魁

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710000）

前言

某型裝甲運兵車頂蓋逃生窗蓋（見圖 1）由于其采用防彈厚鋼板，質量大，開啟時如果僅靠人力，非常費力，開啟困難，關閉時因其質量大靠自重繞鉸鏈自由下落，沖擊力過大很危險，為解決此問題，該逃生窗蓋的翻轉軸采用扭桿彈簧助力，扭桿彈簧相對于其他種類的彈性元件具有儲能高、結構簡單、制造方便和維護簡單等特點，有較高的疲勞壽命，被廣泛應用于各種特種車輛的懸掛裝置和逃生窗蓋翻轉系統中。汽車上用的扭桿彈簧按其扭桿的斷面形狀分為圓形、管形、片狀及組合式等幾種。其中圓形斷面的扭桿單位質量所能儲存的能量比其他斷面的都大，是重量最輕的彈簧，所以使用得最多，因此該車逃生窗蓋所用扭桿也采用圓形斷面。扭桿剛度和預扭角的大小直接影響到逃生窗蓋開啟與關閉的力平衡效果，如果扭桿剛度偏大、預扭角偏小。在解除鎖止機構時，逃生窗蓋會突然彈起，而翻轉到一定角度時會出現翻轉沉重等現象。因此對扭桿的剛度和性能要求十分嚴格。

圖1 某型裝甲運兵車逃生窗蓋扭桿應用示意圖

本文通過精確測量逃生窗蓋輸入參數，根據逃生窗蓋參數與翻轉中心、扭桿中心之間的關系，并根據空間選擇合適的扭桿長度，建立逃生窗蓋物理模型，輸入初始參數，與翻轉進行匹配性設計。

1 逃生窗蓋翻轉機構工作原理

逃生窗蓋為鎖止狀態時，即逃生窗蓋還未翻轉狀態（如圖2a所示）。扭桿的扭轉角為最大，扭桿的扭矩最大，同時逃生窗蓋的重力矩最大，但扭桿的扭矩大于逃生窗蓋的重力矩；當鎖止狀態解除后，在扭桿的扭矩作用下，逃生窗蓋自動向前翻轉到一個角度后靜止（扭桿的扭矩大于逃生窗蓋重力矩），此時逃生窗蓋翻轉角α較小，且扭桿的扭矩等于逃生窗蓋的重力矩；當使用者握著逃生窗蓋把手施加向上的操作力時，逃生窗蓋開始向前翻轉，扭桿的能量緩慢釋放，逃生窗蓋的重力矩不斷減小，翻轉的速度逐漸減慢；當翻轉到最大位置時（見圖 3b），此時重力矩幾乎為零，逃生窗蓋上自帶的圓頭柱子便在彈簧力作用下劃入限位座上的孔中限位座便將逃生窗蓋固定，扭桿的剩余扭力使限位器處于受狀態。當放下逃生窗蓋時，首先需要靠人力掰動旋轉手柄使圓頭柱子縮出限位座上的孔，逃生窗蓋利用自身的重力下落，其重力矩逐漸增大，通過旋轉支架對扭桿的作用使得扭桿的扭轉角逐漸增大，扭矩不斷增大，同樣，扭矩的增大克服重力矩，使駕駛的回落速度逐漸減小，一直到翻轉角α較小時懸浮靜止，此時需要操作者施加一定外力，向下拉動逃生窗蓋即可鎖住。

圖2 扭桿助力逃生窗蓋結構圖

圖3 逃生窗翻轉各力矩作用關系圖

2 扭桿匹配設計

2.1 逃生窗蓋質心位置的確定

通過proE軟件測量模塊，輸入密度7.85g/cm3（鋼），測出逃生窗蓋質量m=39.7kg，重心坐標，建立如圖1-2坐標，X=395 mm Y=305 mm，a=557.5mm，b=305mm。

2.2 扭桿的材料的選用

扭桿材料一般選擇諸如新45號鋼，60Si2MnA，60號，65Mn等彈簧鋼，軍用車的扭桿，如坦克等軍用越野車輛的扭桿可選用45CrNiMoVA等優質合金彈簧鋼[20]。逃生窗蓋翻轉機構的扭桿材料要求的特性如下：

（1）熱處理淬透性要優良，這是保證扭桿淬硬層深的需要；

（2）具有穩定的化學成分及力學性能。化學成分和力學性能會對扭桿的工藝過程，如熱處理、預扭等產生影響，從而影響扭桿的質量、性能及使用壽命。為了降低成本，同時滿足工業需求，該設計中扭桿材料選擇60Si2MnA，60Si2MnA彈簧鋼具有良好的彈性極限、強度極限、屈強比、疲勞強度，一定的淬透性和較高的抗彈減性能，脫碳傾向小，回火穩定性良好，熱加工性能好、成本低，為現在卡車廣泛使用的扭桿彈簧鋼。60Si2MnA的材料成分如表1所示：

表1 60Si2MA的材料成分（質量分數）（%）

60Si2MnA的屬性如表2所示 ：

表2 60Si2MnAd的屬性值

2.3 扭桿長度和工作扭轉角的確定

扭桿的長度根據逃生窗蓋總寬度確定。逃生窗蓋設計固定端支座和旋轉端支座兩最遠端面間距離。確定扭桿長度L=1092mm。

扭桿的工作扭轉角與逃生窗蓋的翻轉角有關系：首先確定逃生窗蓋的最大翻轉角：據機構翻轉原理，逃生窗蓋最大翻轉角即是逃生窗蓋翻轉重心垂線等于逃生窗蓋翻轉中心時的翻轉角；即如圖4中所示的α角90°。為了保證逃生窗蓋翻轉的安全性，使駕駛室在翻轉到最大角時，扭桿應有適當的扭力保證圓頭柱子滑入限位座孔里，確保逃生窗蓋不會突然回落。扭桿的工作扭轉角應大于逃生窗蓋的最大翻轉角 6°左右。另外為了保證扭桿的正常工作，扭桿的工作扭桿角要小于其極限扭轉角，該型逃生窗蓋的扭桿工作扭轉角定為96°。

2.4 扭桿設計剛度的計算

圖3所示為逃生窗翻轉角α時的狀態圖，此時重力矩為：

式中，T1——逃生窗所受重力矩（N·mm），

α——駕駛室的翻轉角度（°），

b——逃生窗質心到翻轉中心的距離（mm），

G——逃生窗重力(N)。

另一方面根據材料力學，對圓形截面的扭桿有 ：

式中，φ——扭桿的扭轉角（°），

M——扭桿的扭矩（N·mm），

Le——扭桿的有效長度(mm)，

d——扭桿的直徑(mm)，

G——材料的剪切模量(MPa)

可得

式中，k——扭桿的剛度(N·mm/deg)。

逃生窗蓋在鎖止結構打開后，確保翻轉角度為 3°左右時，逃生窗蓋的重力矩等于扭桿的扭矩，此時逃生窗蓋處于懸浮靜止狀態，這樣逃生窗蓋不會突然彈起，同時也不需要用很大的力來將其翻轉，增加了駕駛室翻轉的輕便性和安全性，在該點處有：

T1=M即；預扭角 φ=96°，α=3°，b=305 mm，G =397N據此可以求得扭桿的設計剛度為 k= 1299.4 N·mm/deg。

2.5 扭桿結構尺寸的確定

在逃生窗蓋翻轉過程中，逃生窗蓋重力對翻轉中心形成的重力矩和扭桿力矩與翻轉角度的關系曲線如圖4 所示。

圖4 重力矩和扭桿力與翻轉角度的關系曲線

圖4中：

T1——駕駛室的重力矩，N·mm；

M——扭桿作用于翻轉中心的力矩，N·mm；

Ta——扭桿預扭狀態對翻轉中心的力矩，N·mm。

圖5 扭桿彈簧結構尺寸

該型車扭桿的總長度為 10920mm，兩端花鍵長度為40mm，則扭桿的有效工作長度近似為1000mm。根據扭桿的設計剛度，可以算出扭桿直徑的理論值。該車中扭桿的材料60Si2MnA，60Si2MnA的彈性模量為2.06E+11Pa，泊松比為0.29，求得切變模量G。由于扭桿的剛度為：

解得d=9.97mm，微調數據后初定直徑為10mm。根據參考文獻[4]中所述經驗公式，計算出扭桿彈簧其余尺寸后得出結構及尺寸如圖5。

2.6 扭桿的參數校核

以60Si2MnA為例對扭桿進行校驗，60SiMnA的許用應力為=1000～1250MPa：扭桿工作時最大表面應力為：

扭桿的最大允許扭轉角為：

扭桿的設計參數滿足設計要求。

3 逃生窗操作力計算及人機工程學分析

設人需要施加的操作力為T，設T= T1-M，其中T1和M是α的函數，在MATLAB中計算即可知T隨自變量α的變化情況（圖 3），結合圖 2-1可知最高點縱坐標值即為上推翻轉至 38°時需要施加的最大推力力矩，已知，；最小值縱坐標為解除限位裝置，下拉逃生窗蓋所需最大操作力矩，同理。根據參考文獻[3]人體站立姿勢時，手臂伸展在0°位置時，最大推力為體重的130%，最大拉力為體重的100%，假設操作者為一成年男性，體重為60kg即重力為600N，顯然符合人機工程學要求。

圖6 操作力矩隨翻轉角度變化曲線

4 結論

本文首先對逃生窗蓋助力扭桿進行設計計算， 輸入逃生窗蓋測量參數，選擇合適的扭桿長度，匹配出合理的扭桿設計方案；通過Matlab軟件計算了操作者需要在上翻和下翻逃生窗蓋時需要施加的最大力；結果完全符合人機工程學，獲得舒適的操縱力矩。提供了一種新的扭桿翻轉機構匹配性設計。