轻卡车驾驶室翻转扭杆设计

张英 夏坤

摘 要 通过确定合理的扭杆刚度值，为翻转驾驶室提供轻便灵活的助力机构。

关键词 轻卡翻转驾驶室 扭杆弹簧 扭杆的刚度值

轻卡驾驶室的翻转机构大致分两种，一种是液压翻转机构，另一种是助力式人力翻转机构，简称机械翻转机构。液压翻转机构的优点是：在汽车的正常工作位置时，驾驶室、车架都不受力，一套施力机构可以实现各种驾驶室的翻转。其缺点是：人力驱动油泵实现翻转时，操纵者需费时2～3min、往复扳动杠杆近百次才能使驾驶室翻起，体力消耗大，工作效率低；机构中油泵、油缸及控制阀等精度要求高、工艺复杂、加工困难、成本高，且易漏油，需经常维护，售后服务成本高；冬夏季需更换液压油，操作起来比较繁琐。鉴于液压翻转机构的以上缺点，现在已经逐步的被助力式人力翻转机构所取代。助力式人力翻转机构的优点是借助于弹性元件预先储备的弹性变形能，用人力直接翻转驾驶室，操作轻便灵活。

助力式人力翻转机构一般由翻转轴、弹性元件、翻转支架、调整机构组成。其中常用的弹性元件是扭杆弹簧，这种弹簧结构简单、易加工、使用方便、操作省力、结构紧凑、便于布置、维修简便、寿命长。

翻转驾驶室的翻转机构是否省力关键是扭杆弹簧的设计。而扭杆弹簧的设计又受结构空间的限制，如何在有限的结构空间内实现轻便灵活的翻转效果，是扭杆弹簧的设计难点。其中有一项重要的参数就是扭杆的刚度值。本文从扭杆弹簧的计算公式、初选K值、初步计算扭杆的直径d、扭杆刚度的控制、强度校核等五个方面来阐述扭杆刚度值的选定。

一、计算公式

扭杆的刚度：

K=？000 （Nm/rad） ：

K=T/%o=（kgm/Deg）

式中：K-刚度 kgm/Deg或Nm/rad Deg—度 rad—弧度

d-直径 mm；G-剪切弹性模量 取G=76000Mpa；

L-扭杆有效长度 mm ； T-扭矩； -扭角

L值的计算公式（适用于端头与杆部为锥角过渡）：L=L0-2（Lg+L端）+2Le

Lg过渡段： Lg=； Le 等效长度：Le=（++）

L端 ：端头长度； L0 ：扭杆总长度； d：扭杆直径； D： 花键齿根圆直径

二、初选K值

利用K=T/%o初步确定K值。

T值的确定：T0=TG+T拉；TG：驾驶室水平安装时自重所产生的扭矩

TG=GRCOS%Z=GXL； G：驾驶室质量；

R：驾驶室质心距支承点距离（扭杆、支承点同轴）

%Z：质心与支承点水平夹角；XL： 驾驶室质心距支承点水平距离

T拉：驾驶室落下时在翻转拉手处需加的最大拉力矩，一般可取100Nm～160Nm

K值的确定：

1、首先按比例绘制驾驶室自重扭矩与翻转角度的变化曲线。即T-%o图中的TG线。

按公式T0=TG+T拉计算出T0 ，确定扭角后按公式K=T/%o可计算出K值。

扭角的确定：扭角的确定在T-%o图上进行。在纵坐标上找出T0点，在横坐标找出对应的%o值点 ，通过T0点和%o点做直线。此直线即为刚度曲线K线。在选定角度时主要考虑所形成的K线与TG线的相互位置。

K线与TG线的关系：

①K线与TG线相交时，交点即为扭杆扭矩与驾驶室自重扭矩的平衡点。②K线在TG线上方的部分，在其对应的角度范围内驾驶室便自动翻转，K线距TG线越远翻转的力矩越大，反之越小。③K线在TG线下方部分，扭杆力矩小于驾驶室自重力矩，相距越远，差距越大。在此角度范围要使驾驶室继续向上翻转，就要借助外力。④K线与TG线不相交：在TG线上方时，打开锁止钩，驾驶室自动翻转到位，不需要借助外力。在TG下方时，打开锁止钩，驾驶室不能自动翻转，若要翻转需借助外力，外力矩的大小即是K线与TG线对应点的垂直距离。

三、初步计算扭杆的直径d

可按下列公式计算：d=；L可取近似值L=L0-2L端

在d已确定的情况下，计算LG、Le值，重新计算有效长度L并校核刚度K值。若计算的K值与上述确定的K值不一致，修正d、L值再计算K，经过反复计算使两个K值的差值最小。此值即为最后确定值。按扭杆的刚度K公式计算修正d、L值，最终的K值是用确定的d值的计算值，并应该修正K线图。

四、强度校核

%m=≤[%mp]， 60Si2MnA的许用剪切应力[%mp]=800-925MPa按公式计算工作应力，工作应力大于许用应力将导致扭杆早期沉降或损坏。通过以上计算，工作应力若大于许用应力，首先应从设计结构上考虑 ，在保持k值不变动的情况下，是否可以增加扭杆的长度和直径 ，或选择更高屈服点的弹簧钢。

五、扭杆刚度的控制

一般书中介绍的刚度值仅与几何尺寸有关与热处理无关，实际上，弹簧钢在热处理过程中淬火温度和淬火后回火的温度都影响其弹性模量E和切变弹性模量G。

根据强度校核公式 切变弹性模量G的变化也影响K值的大小。生产实际中，对每批产品投产前都要对试件进行刚度值的检测，以确定热处理温度是否合理。产品出厂时应具备扭杆的扭矩试验报告，报告中记录了试件的扭矩-扭角变化值，并绘制出扭矩-扭角变化曲线（即K线）。

（作者单位：沈阳金杯车辆制造有限公司）