驾驶室翻转扭杆的设计

1994 王 立 祥 王 常 清 贾 国 强摘 要 介 绍 了 驾 驶 室 翻 转 扭 杆 的 结 构 特 点 、 设 计 计 算 ,并 对 驾 驶 室 翻 转 锁 止 机 构 进 行 了 简 要 介 绍 。 In of is a on of is of is 词 : 扭 杆 翻 转 式 驾 驶 室 汽 车 设 计随 着 我 国 国 民 经 济 的 发 展 ,广 大 农 民 收 入 的 日益 提 高 ,农 用 运 输 车 用 户 对 车 辆 的 整 车 性 能 、 驾 驶 环境 及 操 作 维 修 的 简 便 性 都 有 了 更 高 的 要 求 。 为 了 便于 检 修 发 动 机 等 部 件 ,广 泛 采 用 了 液 压 举 升 前 翻 的驾 驶 室 。 但 由 于 目 前 的 液 压 举 升 机 构 可 靠 性 较 差 、故 障 较 多 、 操 作 不 便 ,为 此 ,用 扭 杆 来 翻 转 驾 驶 室 的结 构 也 开 始 在 农 用 车 上 得 到 广 泛 应 用 。 本 文 对 农 用车 上 实 现 驾 驶 室 扭 杆 翻 转 的 设 计 过 程 作 一 个 简 述 。1 结 构 特 点驾 驶 室 前 翻 的 特 点 是 在 翻 转 之 初 ,驾 驶 室 重 力引 起 的 阻 力 矩 最 大 ,因 而 要 求 的 举 升 力 矩 也 大 ;但 随着 驾 驶 室 的 前 翻 ,驾 驶 室 重 力 的 作 用 力 臂 变 短 ,阻 力矩 也 越 来 越 小 ,所 要 求 的 举 升 力 矩 也 越 来 越 小 。 利用 这 一 特 点 ,给 驾 驶 室 装 上 扭 杆 ,并 在 翻 转 初 始 位 置给 扭 杆 一 个 预 扭 角 度 ,此 时 其 产 生 的 扭 矩 比 较 大 ,但随 着 驾 驶 室 的 前 翻 ,扭 杆 的 预 扭 角 度 减 小 ,扭 杆 产 生的 扭 矩 也 逐 渐 减 小 ,这 样 使 得 驾 驶 室 在 整 个 翻 转 过程 中 比 较 平 缓 ,需 要 的 辅 助 人 力 较 小 。扭 杆 作 为 一 种 弹 性 元 件 ,由 于 其 重 量 轻 、 结 构 简单 、 占 据 空 间 小 、 无 摩 擦 、 不 用 维 护 保 养 ,早 已 经 广 泛地 用 于 现 代 汽 车 的 悬 架 中 。 汽 车 上 用 的 扭 杆 弹 簧 按其 扭 杆 的 断 面 形 状 可 分 为 圆 形 、 管 形 、 片 状 及 组 合 式等 几 种 。 其 中 圆 形 断 面 的 扭 杆 单 位 质 量 所 能 储 存 的能 量 比 其 他 断 面 的 都 大 ,是 重 量 最 轻 的 弹 簧 ,所 以 使用 得 最 多 。 驾 驶 室 的 翻 转 扭 杆 也 都 采 用 圆 形 断 面 。为 了 与 其 它 零 件 装 配 ,扭 杆 的 两 端 要 制 做 出 花键 或 制 成 四 方 、 六 方 等 多 边 形 。 其 中 以 90 的 三 角 形花 键 最 为 常 用 ,它 既 可 以 可 靠 传 力 ,又 便 于 进 行 喷 丸处 理 。 根 据 经 验 ,在 使 用 三 角 形 花 键 的 时 候 ,其 端 部直 径 D 应 至 少 为 扭 杆 直 径 d 的 1. 15 倍 以 上 ,大 的可 取 到 1. 5 1. 6 倍 ,而 端 头 花 键 的 长 度 l 则 至 少 应为 D 的 0. 4 倍 以 上 ,一 般 不 超 过 1. 3 倍 。为 减 小 应 力 集 中 ,扭 杆 端 部 和 杆 体 之 间 必 须 圆滑 过 渡 ,常 用 的 有 锥 形 过 渡 如 图 1a 和 大 圆 弧 过 渡 如图 1b 两 种 过 渡 形 式 。图 1 扭 杆 端 部 和 杆 体 之 间 的 过 渡因 杆 体 两 端 的 过 渡 部 分 也 要 产 生 扭 转 变 形 ,因此 在 计 算 时 应 将 两 端 的 过 渡 部 分 换 算 为 等 效 作 用 长度 图 1a 结 构 : 13 1 + 1 2 + 1 3 1)对 图 1b 结 构 : 148 3 8 + 10 + 15 2 + 153 - 1 - 1 2)式 中 = D/ d 。 亦 即 作 用 长 度L = 扭 杆 总 长 度 - 2 ( l + (3)2 设 计 计 算驾 驶 室 扭 杆 翻 转 机 构 有 单 扭 杆 作 用 和 双 扭 杆 作用 式 两 种 ,农 用 运 输 车 由 于 受 车 型 的 限 制 ,以 及 从 成12王 立 祥 等 :驾 驶 室 翻 转 扭 杆 的 设 计 1994 ,大 部 分 采 用 单 扭 杆 作 用 式 。 下 面 主 要就 单 扭 杆 作 用 式 翻 转 机 构 的 扭 杆 设 计 进 行 介 绍 。在 进 行 驾 驶 室 翻 转 扭 杆 的 设 计 计 算 之 前 ,首 先应 根 据 整 车 布 置 的 要 求 ,结 合 驾 驶 室 地 板 纵 梁 前 段的 结 构 形 式 来 确 定 驾 驶 室 的 翻 转 中 心 及 扭 杆 的 安 装位 置 。 对 单 扭 杆 翻 转 机 构 来 讲 ,驾 驶 室 的 翻 转 中 心亦 即 扭 杆 的 扭 转 中 心 。 然 后 根 据 使 用 要 求 和 驾 驶 室的 翻 转 空 间 确 定 驾 驶 室 的 翻 倾 角 度 。 一 般 驾 驶 室 翻倾 40 左 右 即 可 满 足 使 用 要 求 ,最 大 45 。 我 们 并 不要 求 仅 在 扭 杆 扭 力 的 作 用 下 就 能 使 驾 驶 室 翻 转 到 这个 角 度 ,因 为 若 这 样 的 话 ,一 方 面 在 驾 驶 室 落 下 回 位时 ,要 克 服 很 大 的 扭 杆 扭 力 ,造 成 回 位 困 难 ;另 一 方面 在 正 常 使 用 状 态 下 ,即 驾 驶 室 未 翻 转 时 ,扭 杆 会 长期 承 受 很 大 的 扭 力 ,这 样 不 仅 对 扭 杆 提 出 了 更 高 要求 ,也 使 得 驾 驶 室 、 驾 驶 室 支 撑 以 及 扭 杆 座 长 期 承 受很 大 的 载 荷 。 其 实 驾 驶 室 翻 起 到 一 定 角 度 后 驾 驶 室重 力 作 用 造 成 的 阻 力 矩 变 得 比 较 小 ,此 时 只 要 辅 以人 力 就 可 以 较 容 易 地 使 驾 驶 室 翻 转 到 位 。在 驾 驶 室 翻 转 过 程 中 ,其 重 力 的 作 用 如 图 2 所示 。图 2 翻 转 过 程 中 的 重 力 作 用 图由 图 2 可 知 + ) (4)式 中 驾 驶 室 重 力 产 生 的 阻 力 矩 ,N 驾 驶 室 的 翻 转 角 度 , ( ) 驾 驶 室 的 质 心 角 , ( ) 驾 驶 室 翻 转 中 心 到 其 质 心 的 距 离 , 驾 驶 室 的 重 力 , 定 了 驾 驶 室 的 翻 转 中 心 后 , 和 可 经 测 量 确 定 。由 此 ,可 制 作 出 重 力 阻 力 矩 驾 驶 室 翻 转角 度 变 化 的 曲 线 ,如 图 3 所 示 。另 一 方 面 根 据 材 料 力 学 ,对 圆 形 截 面 的 扭 杆 有 : = 32 (5)式 中 扭 杆 的 扭 转 角 , 扭 杆 的 转 矩 ,N 扭 杆 的 作 用 长 度 , 扭 杆 杆 身 的 直 径 , 材 料 的 剪 切 弹 性 模 量 ,T = 32L (6)图 3 扭 杆 扭 矩 力 阻 力 矩 变 化 趋 势其 材 料 要 根 据 扭 杆 的 使 用 条 件 来 选 择 。 扭 杆 弹簧 一 般 采 用 热 轧 弹 簧 钢 , 而 扭 杆 常 用 的 材 料 有50 60 60 , 重 要 的 扭 杆 选 用45选 择 材 料 时 要 注 意 其 淬 透 性 和 加 工性 ,经 热 处 理 后 ,其 硬 度 值 应 能 达 到 50 右 。圆 形 断 面 扭 杆 用 的 毛 坯 直 径 至 少 要 比 扭 杆 中 央 加 工后 的 直 径 大 6 不 允 许 有 非 金 属 夹 杂 物 等 缺 陷 。不 论 哪 种 使 用 条 件 ,扭 杆 在 热 处 理 后 均 应 做 喷 丸 及预 扭 处 理 以 提 高 其 疲 劳 寿 命 ,通 常 预 扭 应 连 续 进 行4 5 次 ,且 最 后 的 残 余 变 形 不 应 大 于 2 。 所 以 一 般扭 杆 对 材 料 及 工 艺 的 要 求 较 严 ,制 造 成 本 较 高 。材 料 热 处 理 后 经 喷 丸 和 预 扭 ,在 计 算 时 ,一 般 可取 G = 7. 6 104 = 1 000 1 250 外 ,若 设 在 正 常 使 用 状 态 下 ,即 驾 驶 室 未 翻 转时 扭 杆 的 扭 转 角 度 为 1 ,则 在 驾 驶 室 翻 转 过 程 中 ,扭 杆 的 扭 转 角 与 驾 驶 室 翻 转 角 度 有 如 下 关 系 : = 1 - (7)由 公 式 (6)和 公 式 (7) ,可 得T = ( 1 - )32L (8)由 此 ,可 画 出 扭 杆 转 矩 T 随 驾 驶 室 翻 转 角 度 变 化的 曲 线 ,如 图 3 所 示 。 图 中 , 为 设 定 的 驾 驶 室 的 翻倾 角 度 , 表 示 驾 驶 室 未 翻 转 时 扭 杆 承受 的 扭 矩 和 此 时 的 重 力 阻 力 矩 。由 公 式 (4)和 公 式 (8)可 得 T = + ) - ( 1 - )32L (9)式 中 需 要 的 辅 助 力 矩 ,N 来 讨 论 极 值22 拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 第 4 期 2004 年 8 月 1994 + ) (10)使 到 极 值 的 应 能 满 足 : 32L - + ) = 0 (11)注 意 只 在 驾 驶 室 实 际 翻 转 角 度 内 取 值 , 若 公 式(11) 不 能 成 立 ,则 极 值 在 取 值 范 围 的 两 端 。如 图 3 所 示 ,其 中 Tf f 是 驾 驶 室 翻 起 和 落下 时 所 需 的 最 大 辅 助 力 矩 。再 者 ,对 扭 杆 来 讲 ,在 驾 驶 室 未 翻 转 时 其 扭 转 角度 最 大 ,为 1 ;根 据 材 料 力 学 ,其 剪 切 应 力 : 1 12)扭 杆 的 设 计 目 标 应 该 是 首 先 满 足 再 就 是追 求 小 的 Tf f d ,同 时 满 足 。 由 图 3 可看 出 , T - 曲 线 的 斜 率 对 Tf f 响 很 大 。 由式 (8) 可 知 ,其 斜 率 主 要 与 扭 杆 杆 身 的 直 径 d 和 扭杆 的 作 用 长 度 L 有 关 。 由 于 受 布 置 空 间 的 限 制 ,后者 的 调 控 作 用 有 限 。 而 T - 曲 线 的 斜 率 是 随 杆 身直 径 d 的 四 次 方 在 变 化 ,其 影 响 特 别 明 显 。 也 正 因为 如 此 ,一 旦 选 定 了 d 后 ,就 要 求 严 格 控 制 其 加 工误 差 。 一 般 扭 杆 杆 身 表 面 要 经 过 磨 削 ,其 直 径 的 误差 应 控 制 在 : d = 13 25 ,取 0. 08 d = 26 45 ,取 0. 10 同 时 要 避 免 碰 撞 、 刮 伤和 腐 蚀 。这 样 选 用 不 同 的 d 和 L ,进 行 优 化 设 计 ,最 终 确定 扭 杆 的 几 何 参 数 。在 双 扭 杆 翻 转 机 构 中 ,两 根 扭 杆 有 各 自 的 扭 转中 心 ,驾 驶 室 翻 转 中 心 与 它 们 并 不 重 合 ,所 以 与 的 关 系 就 比 较 复 杂 。 也 正 是 由 于 这 个 原 因 ,每 根 扭杆 都 通 过 花 键 与 一 根 扭 杆 臂 相 连 ,这 两 根 扭 杆 臂 的另 一 端 分 别 撑 在 驾 驶 室 左 右 地 板 纵 梁 上 的 支 座 上 。在 驾 驶 室 翻 转 过 程 中 ,扭 杆 臂 与 支 座 之 间 会 发 生 相对 滑 动 。 当 驾 驶 室 翻 转 角 度 超 过 扭 杆 的 预 紧 角度 时 ,扭 杆 臂 与 支 座 就 脱 开 接 触 ,所 以 不 存 在 扭 杆 反扭 。 需 要 特 别 注 意 的 是 扭 杆 的 工 作 方 向 必 须 与 预 扭的 方 向 一 致 ,因 此 左 右 两 侧 的 扭 杆 不 能 互 换 ,为 了 防止 误 装 ,在 扭 杆 上 必 须 做 明 显 的 标 记 。 另 外 在 装 配时 ,要 注 意 调 整 两 根 扭 杆 的 预 紧 ,使 驾 驶 室 的 两 侧 受力 均 衡 。3 扭 杆 翻 转 锁 止 机 构一 套 完 整 的 驾 驶 室 扭 杆 翻 转 锁 止 机 构 应 包 括 扭杆 翻 转 机 构 、 安 全 撑 杆 和 锁 止 机 构 。扭 杆 翻 转 机 构 如 图 4 所 示 ,一 般 扭 杆 右 端 通 过花 键 与 车 架 相 连 ,左 端 通 过 花 键 与 驾 驶 室 翻 转 轴 管相 连 。 由 于 翻 转 轴 管 右 端 扭 转 自 由 ,在 翻 转 时 驾 驶室 左 右 两 侧 翻 转 臂 的 受 力 总 是 不 均 衡 ,为 此 扭 杆 翻转 机 构 安 装 后 ,在 未 受