轿车行李箱盖铰链受力分析及在设计中的应用

1、轿车行李箱盖铰链受力分析及在设计中的应用行李箱平衡铰链，是指使用弹性元件，可以在行李箱盖开启和关闭时平衡盖重力的铰链结构， 因为平衡铰链结构简单、有足够强度和可靠耐久等优点，大部分车型特别是中低档车型，基本上采用这种结构的铰链，其弹性元件采用扭杆。在行李箱盖使用过程中，一般要求启动开启装置后，能自动弹开一定高度，介在半开（一定的打开角度）状态下要保持静止不动以防落下伤人，同时在最在打开位置时有足够的保持力， 以防风力作用下自行落下关闭。一、轿车行李箱盖平衡铰链的受力分析1、铰链情况介绍:行李箱盖平衡铰链简图如图 1 所示，图 2 为左侧铰链的侧视图。图 1行李箱铰链简图（只装一边扭杆）图 2

2、左侧铰链的左侧视图从图 2 可以看出，扭杆的运动受铰链支架和联杆的约束，只能绕安装口旋转。因此，支架、铰链、了四连杆机构，其中铰链支架为固定杆，其它均可以活动。图 2 只为铰链的侧视联杆、扭杆图，实际零件并不在一个平面内。但是，把各零件投影到同一个平面内，并不影响受力分析，所以可以把铰链的四连机构看作一个平面四连杆机构来分析。此平面四连杆机构的受力如图 3 所示：图 3：铰链平面四连杆机构的受力图（数据为设定的）图 3 中，AD 表示铰链支架，AB 为扭杆，BC 为联杆，CD 为铰链，其长度，而四连杆的之间角度1、2、3 和4 的初始值（即行李箱盖铰链的角度）也已经在图 3 中表示。另外，把扭

3、杆的扭矩记为 MT，而铰链所受的重力（包含行李箱盖和铰链本身）记为 G，但是在分析中，把 G 换为重力对 D 点的力矩可能更为方便，因此铰链 CD 就受到重力矩 MG 的作用。显然，MT和 MG 都为变量，随行李箱铰链的开启角度变化而改变。2、杆的受力分析：存在摩擦力作用时，BC 杆不能视作为一根二，在行李运动时，BC 杆的受力如图 4 所示。其中摩擦力作用的效果是一个摩擦力隅。另外，如果把图 4 中的摩擦力隅 MB 和 MC 定义为正负值，则图 4 可以用于行李箱盖打开和关闭时的受力。图 4：BC 杆受力情况图由图 4 可得以下：F1=F2MB+MC （1）F3=F4=LBC因为 F1=F2

4、 和 F3=F4，下面统一只使用 F1 和 F3 列方程式。根据图 5 可得 AB 杆（扭杆）和 CD 杆平衡方程：图 5：AB 杆和 CD 杆的受力情况根据（1）、（2）和（3）并把 LAB 和 LCD 值代入，可得：3、运动分析：这里的分析，是使用行李箱盖的打开角度 Ø 来表示（4）式中的3 和4，从而简化方程并最终找到平衡的条件。如果以打开角度 Ø 为变量，根据机械原理可得：4、铰链各项作用力分析： (1)扭杆的作用力扭杆的长度（大于 1000MM）远大于其直径（6.5MM），且工作则其扭矩 M 为：折弯较少，可以只考虑扭转作用，（9）式中，d 为扭杆的直径，L 为扭

5、杆的有效长度（设轿车扭杆长度 L=1072MM），G 为扭杆材料的剪切弹性模量（），为扭杆的变形角，即是转角。再考虑涂装时对扭杆约有 8%的热衰减作用，也就是产生了（行李箱盖扭转角度，我们设为 179 度，一般轿车都用这个值）8%的一个提前角度，扭杆的实际转动角度为：其中 133 度为初始角度，因此两根扭杆产生的扭矩为：（2）铰链各连接点的摩擦力隅铰链设计时，单侧轴销的摩擦力矩系数值范围为 2.216-3.284N.M,为简单化取值为 2.75N.M,对于两侧铰链合力则应为双倍。摩擦力是有方向，上述的摩擦力隅是个范围值，可取负数，因此实际的摩擦力隅在-05.50 到5.50N.M 之间。而铰链

6、与支架连接的轴销没有加衬套，在电泳前摩擦力几乎可以忽略，则估算电泳后有：扭杆直接与支架或联杆固定配合，由于配合面经过电泳处理，因此摩擦力隅（两侧）估算取值：（3）行李箱盖重力矩行李箱盖质量如下：表 1：行李箱盖实测值另外，由于重心肯定在行李箱盖上表面的下方，因此测量重量方法还不能确定重心的 Z 轴方向位置， 因此只能估算重心与铰链销轴中心线的连线，与轴销所在的 XY 平面成 6 度的夹角（如图 6 所示），计算重力矩的变化。图 6：行李箱盖重心移动示意图则行李箱盖的重力矩为：（4）铰链的平衡计算：把式（4）的右侧记作为 Mf，则代入（11）、（12）和（13）式后可变为：12345平均值质量（

7、Kg）10.1610.1010.1410.0410.0610.10距销轴距离（MM）720MM则把式（5）至（10）、（14）和（15）结合起来计算，可以得出表 2 所示的计算结果：表 2 ：轿车铰链平衡计算结果（NM)根据上面MT'、MG'Mf 和MG'+M（f 其实表 2 中的MT 总是大于MG'，可以省略 MG'-Mf）的值，作出曲线图 7 所显示的结果：由表 2 和图 7 可以看到，行李箱盖大约打开到 9.5°至 56°的范围内,MT 与 MG'的差值在±Mf 的范围内。由此可见，即可实现行李箱盖半开启时保持

8、静止不动的状态。在上述角度范围外，扭杆的作用扭矩大于车身固定阻力扭矩，可实现行李箱盖开启时自动弹起，而全开时有一定保持力。实测轿车的行李箱盖半开保持静止不动的状态的下限约 6°至 8°，上限约为 45°至 48°，与计算的结果有一定差距，但比较接近。实际上，开启机构启动后，行李箱盖在密封条的较在弹力下和上述的 MT 与 MG'的差值作用下以一定的速度向上运动，过了9.5°以后才,因此最终行李箱盖打开的角度可能是的15°, 如果是15°,Ø扭矩MT重力矩 MG'MT'-MG'Mf备注0

9、°77.1047864.7736412.331145.9348812°76.0830165.241910.841115.9919514°75.065265.0049.4651556.0433716°74.0508565.850568.2002896.0898628°73.0395465.99577.0438366.132038。52°51.0420146.092544.9494696.56750856°49.0274042.0462216.5651846.58971658°48.0164240.561137.455

10、2906.600836。则行李箱盖弹起高度在约为 155MM。二、使用铰链受力分析结果对扭杆进行设计的应用轿车取消了原来装在行李箱盖内板上的工具箱（改用放在行李箱地板上），这样相对于铰链销轴，整个行李箱盖的重力矩减少了约 10.10N。M。因此，需要改变相关部件设计才能保证行李箱盖半开平衡的要求。由于不太可能在行李箱上配重以增加其重量，而铰链也很难变更增大摩擦力隅。因此主要的考虑对象应该是杻杆，即改变扭杆的扭矩。根据（9）式，可改变的量只有直径 d 和角度，或者容易联想到把扭杆的开角减小。因为扭杆都是标准的线材，改变扭杆直径不实际，因此只能改变开角。对于这个变化，开角减少 20 度，由于减少应力较大，衰减系数可取 4%，则扭矩减小约 11%，详细的推导如上，只给出如图 8 所示曲线，可以看到平衡的角度范围大约是 17 度 57 度。使用设计变更后的扭杆可使行李箱盖开启时弹起高度约 10-12CM，可保持静止状态的最大打开角度约为度，能较好满足使用的要求，证明分析结果是可以有效使用的。三、结论：通过对轿车行李箱铰链进行抽象简化建立模型，运用理论力分析，解决了以下问题：动学和