張英 夏坤

摘 要 通過(guò)確定合理的扭桿剛度值，為翻轉(zhuǎn)駕駛室提供輕便靈活的助力機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 輕卡翻轉(zhuǎn)駕駛室 扭桿彈簧 扭桿的剛度值

輕卡駕駛室的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大致分兩種，一種是液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，另一種是助力式人力翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱機(jī)械翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：在汽車的正常工作位置時(shí)，駕駛室、車架都不受力，一套施力機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)各種駕駛室的翻轉(zhuǎn)。其缺點(diǎn)是：人力驅(qū)動(dòng)油泵實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)時(shí)，操縱者需費(fèi)時(shí)2～3min、往復(fù)扳動(dòng)杠桿近百次才能使駕駛室翻起，體力消耗大，工作效率低；機(jī)構(gòu)中油泵、油缸及控制閥等精度要求高、工藝復(fù)雜、加工困難、成本高，且易漏油，需經(jīng)常維護(hù)，售后服務(wù)成本高；冬夏季需更換液壓油，操作起來(lái)比較繁瑣。鑒于液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的以上缺點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)逐步的被助力式人力翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所取代。助力式人力翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是借助于彈性元件預(yù)先儲(chǔ)備的彈性變形能，用人力直接翻轉(zhuǎn)駕駛室，操作輕便靈活。

助力式人力翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一般由翻轉(zhuǎn)軸、彈性元件、翻轉(zhuǎn)支架、調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。其中常用的彈性元件是扭桿彈簧，這種彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、使用方便、操作省力、結(jié)構(gòu)緊湊、便于布置、維修簡(jiǎn)便、壽命長(zhǎng)。

翻轉(zhuǎn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是否省力關(guān)鍵是扭桿彈簧的設(shè)計(jì)。而扭桿彈簧的設(shè)計(jì)又受結(jié)構(gòu)空間的限制，如何在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)輕便靈活的翻轉(zhuǎn)效果，是扭桿彈簧的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。其中有一項(xiàng)重要的參數(shù)就是扭桿的剛度值。本文從扭桿彈簧的計(jì)算公式、初選K值、初步計(jì)算扭桿的直徑d、扭桿剛度的控制、強(qiáng)度校核等五個(gè)方面來(lái)闡述扭桿剛度值的選定。

一、計(jì)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(zhǎng)度 mm ； T-扭矩； -扭角

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

Lg過(guò)渡段： Lg=； Le 等效長(zhǎng)度：Le=（++）

L端 ：端頭長(zhǎng)度； L0 ：扭桿總長(zhǎng)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(shí)自重所產(chǎn)生的扭矩

TG=GRCOS%Z=GXL； G：駕駛室質(zhì)量；

R：駕駛室質(zhì)心距支承點(diǎn)距離（扭桿、支承點(diǎn)同軸）

%Z：質(zhì)心與支承點(diǎn)水平夾角；XL： 駕駛室質(zhì)心距支承點(diǎn)水平距離

T拉：駕駛室落下時(shí)在翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度的變化曲線。即T-%o圖中的TG線。

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

扭角的確定：扭角的確定在T-%o圖上進(jìn)行。在縱坐標(biāo)上找出T0點(diǎn)，在橫坐標(biāo)找出對(duì)應(yīng)的%o值點(diǎn) ，通過(guò)T0點(diǎn)和%o點(diǎn)做直線。此直線即為剛度曲線K線。在選定角度時(shí)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(guān)系：

①K線與TG線相交時(shí)，交點(diǎn)即為扭桿扭矩與駕駛室自重扭矩的平衡點(diǎn)。②K線在TG線上方的部分，在其對(duì)應(yīng)的角度范圍內(nèi)駕駛室便自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，K線距TG線越遠(yuǎn)翻轉(zhuǎn)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(yuǎn)，差距越大。在此角度范圍要使駕駛室繼續(xù)向上翻轉(zhuǎn)，就要借助外力。④K線與TG線不相交：在TG線上方時(shí)，打開(kāi)鎖止鉤，駕駛室自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到位，不需要借助外力。在TG下方時(shí)，打開(kāi)鎖止鉤，駕駛室不能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，若要翻轉(zhuǎn)需借助外力，外力矩的大小即是K線與TG線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的垂直距離。

三、初步計(jì)算扭桿的直徑d

可按下列公式計(jì)算：d=；L可取近似值L=L0-2L端

在d已確定的情況下，計(jì)算LG、Le值，重新計(jì)算有效長(zhǎng)度L并校核剛度K值。若計(jì)算的K值與上述確定的K值不一致，修正d、L值再計(jì)算K，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算使兩個(gè)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(jì)算修正d、L值，最終的K值是用確定的d值的計(jì)算值，并應(yīng)該修正K線圖。

四、強(qiáng)度校核

%m=≤[%mp]， 60Si2MnA的許用剪切應(yīng)力[%mp]=800-925MPa按公式計(jì)算工作應(yīng)力，工作應(yīng)力大于許用應(yīng)力將導(dǎo)致扭桿早期沉降或損壞。通過(guò)以上計(jì)算，工作應(yīng)力若大于許用應(yīng)力，首先應(yīng)從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上考慮 ，在保持k值不變動(dòng)的情況下，是否可以增加扭桿的長(zhǎng)度和直徑 ，或選擇更高屈服點(diǎn)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(guān)與熱處理無(wú)關(guān)，實(shí)際上，彈簧鋼在熱處理過(guò)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(jù)強(qiáng)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(chǎn)實(shí)際中，對(duì)每批產(chǎn)品投產(chǎn)前都要對(duì)試件進(jìn)行剛度值的檢測(cè)，以確定熱處理溫度是否合理。產(chǎn)品出廠時(shí)應(yīng)具備扭桿的扭矩試驗(yàn)報(bào)告，報(bào)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(yáng)金杯車輛制造有限公司）