10.16638/jki.1671-7988.2017.22.005
李鑫，顾鴃，陈鹏飞，刘熹
（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥230601）
摘要：轻型卡车为满足发动机维修、保养等的需要，要求驾驶室能够翻转。为了使驾驶室能轻便地翻转，必须借助于助力机构。文章通过建立驾驶室翻转过程的数学模型，从中得出最佳的翻转扭杆直径尺寸，并进行了翻转力实验。试验结果表明，选配的扭杆使得翻转力大大改善，为翻转机构改进设计提供了一种有效方法。
关键词：轻型卡车；驾驶室；翻转机构；扭杆；翻转力
中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2017)22-12-04
The Selection And Design Of A Rollover Torsion Rod In A Light Card
Li Xin, Gu Jue, Chen Pengfei, Liu Xi
（Technology center of Jianghuai Automobile Co., LTD, Anhui Hefei 230601）
Abstract:To satisfy the needs of the engine maintenance, repair etc., the Medium truck cab should have the ability to be overturned. the cab can be overturned conveniently, which must resort to mechanism. the optimized diameter of the torsion bar was confirmed by building the mathematic model of the cab turnover process, and the turnover force was calculated. The test results show that the optional sleeper cab's torsion bar turnover force was reduced greatly. An effective way of overturn framework's quality was presented.
Keywords: Medium truck; cab; Overturn framework; torsion bar; Handiness performance
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID:1671-7988(2017)22-12-04
引言
近年来，在平头货车上，已普遍使用了驾驶室翻转机构，扭杆弹簧的应用日趋广泛。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、不用维护保养等优点，早已经广泛的用于驾驶室翻转机构中。
扭杆的结构形状虽简单，但技术含量高。大多数翻转机构由于影响扭杆刚度的各参数设置不当，导致驾驶室的上翻或下翻操作力太大，翻转过程不易实现，且不符合人机工程学原理。
针对以上的问题，本文对某型号驾驶室翻转过程进行了分析，通过对驾驶室翻转过程建立数学模型，借鉴前期对扭杆的研究成果，经过计算和校核选配适当的扭杆各参数，为扭杆的选配提供了一种方法。从而使翻转轻便可靠，达到人机工程学要求和整车的设计要求。
1 主要结构与工作原理
单扭杆驾驶室翻转机构的结构如图1所示，支承结构主要由前左、右支架、驾驶室前支承、扭杆、扭杆臂、驾驶室前支承胶垫等组成。其特点是驾驶室前支承轴管中心、翻转中心与扭杆中心重合，驾驶室前支承轴管中心即为翻转中心，使驾驶室前支承具有支承、减振、翻转功能三位一体的效果。
其工作原理是：图1中，扭杆2一端插入驾驶室支承轴管的内花键中，另一端由扭杆臂1固定在前右支架3上，驾驶室支承4与驾驶室的左右地板骨架连接。驾驶室为锁止状
设计研究
作者简介：李鑫，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
李鑫等：某轻卡驾驶室翻转扭杆的选配设计13 2017年第22期
态时，该结构使扭杆的扭转角为最大，此时扭杆的扭力矩最大；当锁止解除后，扭杆的扭力矩作用于驾驶室前支承，克服驾驶室重力矩，并施加较小的向上推力可使驾驶室实现翻转。当驾驶室翻转到最大角位置时，扭杆的能量基本释放，驾驶室的翻转速度逐渐衰减，轻轻上推驾驶室，依靠驾驶室支撑杆将驾驶室锁在最大翻转角的位置。当放下驾驶室时，驾驶室利用自身的重力下落，其重力矩逐渐增大，驾驶室前支承对扭杆作用使其扭转角增大，则扭阻力矩也增大，克服重力矩，使驾驶室的回落速度逐渐减小，当略加外力，向下拉动驾驶室即可使其锁住。
图1
在单扭杆翻转机构中，扭杆刚度和预扭角的大小直接影响到驾驶室翻转性能。如果扭杆刚度偏大，预扭角偏小，在解除锁止机构时，驾驶室会突然弹起，而翻转到一定角度时会出现翻转沉重等现象。因此，扭杆的选配至关重要，合适的扭杆能够使翻转的轻便性大大提高。下文以某型轻卡驾驶室翻转机构的扭杆选配为例，详细介绍计算及校核过程。
2 计算分析
2.1 驾驶室质心测量
扭杆设计参数，涉及到扭杆刚度、直径、长度、工作扭转角、两端的花键参数等。为了确定扭杆设计参数，必须将驾驶室翻转过程建立数学模型，首先必须确定该驾驶室的质心、质量、力臂等参数。
准确地测得驾驶室质心位置坐标值及重量是一切计算分析的前提，使用悬挂法进行测量，在驾驶室的三维数模中分别测量出标记点与驾驶室旋转中心在X、Z方向的距离，通过测量得出驾驶室的质量和质心数据如表1所示。
表1 重量和重心坐标
2.2 确定扭杆刚度
原理：根据驾驶室重力矩和扭杆对翻转中心力矩与翻转角度关系，由扭杆及其传递机构产生的反作用力矩克服驾驶室重力矩，从而使得在驾驶室上施加较小的外力即可实现驾驶室的翻转（图2）。
图2 图3
由图3知，
Tw=Gw*oa*cos（α+β）（1）Tw---驾驶室重力产生的力矩(Nm)，α---驾驶室翻转角度(°)，β---驾驶室质心角(°)，oa---驾驶室翻转中心到其重心距离(m)，Gw---驾驶室的重力(N)
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θ1，则在驾驶室翻转过程中，扭杆的扭转角θ与驾驶室翻转角度α有如下关系：θ=θ1-α，由材料力学得：T=K（θ1-α）（2）T---扭杆扭矩(Nm)，θ1---驾驶室未翻转时扭杆的扭转角度(°)，θ---扭杆的扭转角度(°)，G--扭杆剪切弹性模量，取76000MPa(7600kgf/mm2)。
则翻转辅助力矩为重力矩和扭杆扭矩的差值：
Tf=Tw-T= Gw*oa*cos（α+β）- K（θ1-α）（3）Tf---翻转或锁止时需要辅助的力矩(Nm)。
由以上推导可知，扭杆的选配，就是要使操作力矩小且均匀。据此先根据方程1做出重力矩曲线，如图4所示，重力矩局限为余弦曲线。
图4
对θ1设定为51.5°，K设定为45Nm/°，根据方程2即可得到一条直线，如图5所示。直线的角度正切就是扭杆的刚度值。
图5
经过研究发现，扭杆对翻转中心的力矩与翻转角度是一种线性关系，扭杆刚度直线有如下特点：
汽车实用技术
14 2017年第22期
（1）直线角度正切为扭杆刚度。
（2）预扭角度决定直线的高度，变扭杆的预扭角可以使直线上下平移。
将重力矩曲线和扭杆扭力矩直线整合在一个图形里，如图6所示，重力矩矩Tw与扭力矩T曲线重合度越好翻转力越轻便柔和，操作力矩越小，即越省力。
图6
重力矩曲线和扭力矩直线的拟合需经过两个步骤：
（1）通过调整扭杆刚度，使得直线斜率和曲线斜率趋于一致。如图所示，用直线拟合重力矩曲线，取得斜率最接近重力矩曲线的直线，直线的角度正切就是扭杆的刚度。
（2）在确定刚度后，通过调整预扭角，使得直线上下平移，调整与曲线的位置。
根据方程3可以得出翻转辅助力矩曲线。如图7所示，由于两条线的重合度越高，则操作力矩越小，通过观察力矩曲线，不断调整预扭角。
图7
通过以上步骤，得出扭杆的最佳刚度为46.2Nm/°，预扭角为51.5°。所得最佳扭力矩直线如图8所示。
图8
2.3 确定扭杆直径
扭杆设计参数如图9所示，扭杆的刚度和扭杆直径、材料、有效工作长度有关，在扭杆的材料确定、有效工作长度变化很小的情况下，刚度只和扭杆的直径有关，就可以求出直径了。
图9
根据设计需要（驾驶室的底横梁的宽度）取扭杆的总长为1017mm
江淮汽车货车扭杆的花键长L3=26mm
花键与等杆径处是通过圆弧过度。
扭杆头左右直经分别为D1=30mm D2=27.75mm
通过计算和设计得出了刚度和扭杆的总长。假设扭杆的直径为24mm(由于扭杆的直径对扭杆的有效长度影响不大，故先设定一个杆径来计算扭杆的有效长度L)。
过渡部分长度L1(左)=（Ｄ－ｄ）／（2×TAN15）=11.28mm
L1(右)=（Ｄ－ｄ）／（2×TAN15）=7.05mm 根据公式
来计算扭杆过度部分有效长度
Lg1=6.98mm
Lg2=2.76
L有效=L-L1左-L1右+ Lg1+ Lg2（1）
KT=πd4 G/ 32L（2）
将算出的L有效代入，
d=24.2mm
算出来的杆径d=24.2比假定值d=24稍大。用计算出来的杆径重新计算扭杆的刚度。
过渡部分长度：
L1(左)=（Ｄ－ｄ）／（2×TAN15）=12.1mm （1）L1(右)=（Ｄ－ｄ）／（2×TAN15）=10.1mm （2）
（3）
（4）
得出L=L2+ Lg1+ Lg2=960mm （5）KT=πd4 G/ 32L （6）得出K=46.2N.m/deg
李鑫等：某轻卡驾驶室翻转扭杆的选配设计15 2017年第22期
经计算得出扭杆的刚度值为46.2N.m/deg。
扭转切应力：
扭杆扭转角度为51.5°
得出τ=856Mpa
τ＜1000Mpa故扭转切应力合理。
经过计算校核，得出了扭杆的全部设计参数如下：
直径：24.2mm；刚度：46.2Nm/°，长度：1017mm，花键端26mm；预扭角51.5°
2.4 试装验证
表3 实际装车运行试验测试结果
根据计算结果，生产出符合设计要求的翻转扭杆，并装配实车，进行翻转性能试验，用电子测力仪测量上翻和下翻中的操作力见表3。
3 结论
通过对翻转机构翻转过程的数学建模分析，为该型轻卡匹配了适合的扭杆，经过轻便性测试，在翻转过程中上翻和下翻的平均最大操作力分别为187.8N和169.4N，整个翻转过程用力均匀，操作轻便、安全，符合人机工程学原理，达到预期的设计目标。
参考文献
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目前荷兰TNO、Seattle Safety公司、IST公司以及三菱公司是具备生产台车碰撞试验装置能力的主要公司。
如今，计算机配置的巨大提升，仿真软件开发的日益完善。使得计算机仿真技术在车体结构强度分析、汽车安全系统的验证、人体的生物力学研究、碰撞用假人的研究等方面发挥着重要作用。尽管计
算的仿真分析比不上实车碰撞分析准确，但是在汽车的研发初期产品成型前的研究发挥重要作用，而且减少试验次数，节省试验成本，缩短了开发周期。汽车碰撞计算机模拟理论和方法是建立在拉格朗日分析力学、碰撞理论、有限元理论、生物力学、牛顿矢量力学、材料理论、多刚（柔）体系统动力学、数值方法以及计算机技术水平的不断发展和完善基础之上的。模拟碰撞事故中乘员与环境的相互作用可以采用多刚体系统动力学理论建模的软件，能很好地再现事故过程，而描述车身结构的抗撞性可以采用显式有限元理论建模的软件，处理很多异常复杂的结构大变形问题。而这些方面的商用软件品类繁多，应用较多的有CAL3D、MADYMO、LS-DYNA、PAM-CRASH、MSC ／DYTRAN等软件。
4 结束语
目前，汽车碰撞的研究在我国迅速发展，部分国产汽车在碰撞测试中的得分已接近国外高档车。汽车侧面碰撞作为车祸中的一种重要碰撞形式，其理论研究和技术的发展将会为车祸中乘员的生命及财产安全提供有利的保障。
参考文献
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绍系列之简介篇[J].世界汽车,2007,(03):86-89. [2017-09-01].
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