行李舱门开启高度的设计与应用

厉鹏　林人建　张思君　周骏　孔娇龙　谢伟强

摘 要：本文介绍了市场上行李舱门运动装置的几种结构，重点阐述了“鹅颈式铰链+扭簧”结构的行李舱门开启高度的设计方法及应用。通过简化行李舱门受力模型，分析计算受力平衡模式，得出行李艙门重力力矩、扭簧转动力矩和铰链摩擦力矩对行李舱门开启高度的影响。通过实例分析应用，总结行李舱门开启高度设计方法。

关键词：行李舱门;鹅颈式铰链;扭簧;设计方法

1 行李舱门运动装置概述

目前，市场上大部分三厢轿车行李舱门采用三种运动装置：一是“四连杆铰链+气弹簧”结构;二是“鹅颈式铰链+伸缩弹簧”结构;三是“鹅颈式铰链+扭簧”结构。第一种结构优点是开闭运动过程稳定;缺点是布置空间要求高，成本高。第二种结构优点是开闭运动过程较稳定，伸缩弹簧不易衰减，性能稳定;缺点是牺牲行李舱部分空间，空间利用率低，成本较高。第三种结构优点是空间利用率高，成本低;缺点是扭簧容易衰减，装配工艺一致性控制困难。市场占有率最高的中低端A级轿车基本采用的是第三种结构“鹅颈式铰链+扭簧”，本文将重点阐述该结构的工作原理及设计方法。

1.1 “鹅颈式铰链+扭簧”结构工作原理

“鹅颈式铰链+扭簧”结构利用鹅颈式铰链作为传动机构，扭簧作为能量源，实现行李舱门的开启与闭合。结构如图1所示，铰链固定座通过螺接形式固定在车身上。铰链摇臂一端铆接在铰链固定座上，二者形成一个旋转副，铰链摇臂的另一端螺接固定在行李舱门内板上。铰链连接板的一端铆接在铰链摇臂上，二者形成一个旋转副，铰链连接板的另一端通过卡槽与扭簧进行连接。扭簧与铰链形成两个四连杆结构[1]，在行李舱门开启的过程中，扭簧通过扭转提供驱动力，阻力来源于行李舱门自身重力和机构间的摩擦力。在行李舱门关闭的过程中，人施加的外力和行李舱门自身的重力作为驱动力，扭簧的扭转力和机构间的摩擦力则变成阻力。最终完成行李舱门的开闭运动。

1.2 行李舱门开启方式

“鹅颈式铰链+扭簧”结构的行李舱门一般有两种开启方式：全开启方式和半开启方式。全开启方式是指在开启行李舱门的时候，不借助外力，行李舱门开启后自动弹开至最大角度。全开启方式优点是开启时无需借助外力，自动打开至最大角度，省去人为操作;缺点是开启时初始弹力较大，弹起速度较快，有磕碰附近人员的风险，并且由于惯性作用，行李舱门羊角处有撞击后挡风玻璃的风险。半开启方式是指打开行李舱门后，行李舱门自动开启至一定角度，人员需要手扶开启至最大角度。半开启方式优点是在一定开启角度范围内，行李舱门可以保持悬停;缺点是需要人为操作，二次开启。

2 行李舱门装置受力分析

在行李舱门开启过程中，行李舱门的自身重力向下，存在向下关闭的重力力矩MG，扭簧输出扭力向上，提供开启行李舱门的的扭转力矩MT，铰链摩擦力向下，提供摩擦力矩Mf。当MG-Mf≤MT≤MG+Mf时，行李舱门受力平衡，处于静止状态;当MT>MG+Mf时，行李舱门开启动力大于阻力，处于上升开启状态;当MT

2.1 行李舱门重力力矩计算

行李舱门重力力矩主要由行李舱门的总质量和力臂决定，由图2可知：

M′G=mg·LG·cos（α-θ）              （1）

式中：M′G——行李舱门重力力矩，N·m;

m——行李舱门总重量，kg;

g——重力加速度9.8，N/kg;

LG——行李舱门重心与铰链旋转中心的距离，m;

α——行李舱门开启角度，°;

θ——关闭状态重心连线与X轴线的夹角，°。

将铰链与扭簧结构看作为四连杆机构，行李舱门重力力矩经过四连杆机构传递后得到有效重力力矩：

MG=M′G·                （2）

式中：MG——行李舱门有效重力力矩，N·m;

LAB——四连杆AB长度，m;

LCD——四连杆CD长度，m;

φ3——四连杆AB与BC的夹角，°;

φ4——四连杆BC与CD的夹角，°。

2.2 扭簧扭转力矩计算

扭簧作用在四连杆上的力主要来源于扭簧自身的扭力，根据旋转的角度不同，得到不同的扭转力矩：

M′T=       （3）

式中：M′T——单个扭簧的扭转力矩，N·m;

G——扭簧材料切变模量，Pa;

d——扭簧直径，m;

LT——扭簧有效长度，m;

——行李舱门关闭时扭簧扭转角度，°;

φ2——四连杆AB与AD的夹角，°;

φ′2——行李舱门关闭φ2的初始角度，°。

整个系统中存在两根扭簧，故总扭转力矩为：

MT=2M′T                         （4）

式中：MT——扭簧总扭转力矩，N·m。

2.3 铰链摩擦力矩计算

铰链的摩擦力矩主要由四部分组成，四连杆A位置扭簧与铰链固定座的滑动摩擦力矩MfA，四连杆B位置扭簧与铰链连接板的滑动摩擦力矩MfB，四连杆C位置铰链连接板的转动力矩MfC，四连杆D位置铰链固定座的转动力矩MfD，经过四连杆机构传递后得到总摩擦力矩：

Mf=MfA+MfB +（MfC+MfD）·

-（MfB+MfC）··（cosφ3+sinφ3cosφ4）   （5）

式中：Mf——鉸链总摩擦力矩，N·m;

LBC——四连杆BC长度，m。

2.4 运动角度计算

行李舱门在运动过程中，铰链与扭簧组成的四连杆机构随着开启角度的变化，四连杆机构角度也随之变化。假设行李舱门关闭状态α=0°，则计算如下：

φ1=φ′1+α                       （6）

φ2=180-2tan-1          （7）

φ4=180-φ1+2tan-1  （8）

φ3=360-φ1-φ2-φ4                          （9）

式中：φ1——四连杆AD与CD的夹角，°;

φ′1——行李舱门关闭状态φ1初始角度;

LAD——四连杆AD长度，m;

A=2LABLCDsinφ1;

B=2LAB（LCDcosφ1??-LAD）;

C=L2BC-L2CD-L2AB-L2AD+2LCDLADcosφ1;

D=2LBCLCDsinφ1;

E=2LBC（LCDcosφ1??-LAD）;

F=L2BC+L2CD+L2AD-L2AB-2LCDLADcosφ1;

2.5 开启高度与开启角度关系计算

行李舱门开启高度与与开启角度相关参数关系如图3所示，计算如下：

H=LH[sinβ-sin（β-α）]           （10）

式中：H——开启高度（行李舱门下边缘与后保险杠上边缘的距离），m;

LH——行李舱门外侧边缘与铰链轴心的距离，mm;

β——行李舱门关闭状态LH与X轴线的夹角，°，见图3。

3 实例应用

参考某车型布置方案，输入相关设计参数，如表1所示。

将表1中的参数代入到公式（1）～（10）中进行计算，得出行李舱门开启角度α与开启高度H、扭簧总扭转力矩MT、行李舱门有效重力力矩与铰链总摩擦力矩之和MG+Mf、行李舱门有效重力力矩与铰链总摩擦力矩之差MG+Mf之间的关系，计算结果如表2所示：

根据表2的计算结果，绘制α、MT、MG+Mf和MG-Mf四个变量的关系图，如图4所示。绘制H、MT、MG+Mf和MG-Mf四个变量的关系图，如图5所示。

由图4和图5可知，该车型的行李舱门的开启方式为半开启方式，当行李舱门开启后，自动弹起30°左右，行李舱门开启高度为349mm左右，此时达到第一平衡点。人施加外力，开启角度至70°左右，开启高度为818mm左右，此时达到第二平衡点。在第一平衡点至第二平衡点的范围内，行李舱门可以悬停任意角度。越过第二平衡点后，行李舱门自动开启至最大。

4 结语

本文介绍了“鹅颈式铰链+扭簧”结构行李舱门的工作原理及开启方式，着重阐述了行李舱门开启高度的设计方法及应用实例。通过简化受力模型，分析四连杆结构，得出行李舱门重力力矩、扭簧转动力矩、铰链摩擦力矩的计算公式，并分析了三者对行李舱门开启高度的影响。运用该设计方法可以为前期开发提供参考，同时对后期量产问题分析也具有指导意义。

参考文献：

[1]马履中.机械原理与设计：上册[M].北京：机械工业初版社，2009：78-104.