某輕型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

陳 林，蔣德云，李 杰，王麗偉

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036)

目前絕大多數(shù)卡車已經(jīng)平頭化。為了便于發(fā)動機的維修與保養(yǎng)，要求平頭卡車的駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn)。而卡車的駕駛室質(zhì)量約幾百kg，單憑人力無法實現(xiàn)向前翻轉(zhuǎn)，必須借助于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)分為液壓式和機械式2種，液壓式一般用于重型卡車，機械式用于輕型、中型卡車[1]。機械式翻轉(zhuǎn)機構(gòu)又分為單扭桿結(jié)構(gòu)和雙扭桿結(jié)構(gòu)，中型卡車的駕駛室質(zhì)量較大，一般采用雙扭桿結(jié)構(gòu)；單扭桿結(jié)構(gòu)則用于輕型卡車[2]。

本文對某輕型卡車的駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，根據(jù)有限元分析結(jié)果對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的核心部件扭桿的結(jié)構(gòu)擇取最優(yōu)，并對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架進行改進以達到優(yōu)化單扭桿翻轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

如圖1所示，駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)包括前支架總成、限位器及鎖止機構(gòu)總成3部分。前支架總成、限位器及鎖止機構(gòu)總成均固定在駕駛室縱梁上，鎖止機構(gòu)相當(dāng)于駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的開關(guān)；限位器在駕駛室完全翻轉(zhuǎn)后起支撐作用，以防止駕駛室回落，圖2為駕駛室翻轉(zhuǎn)α角時的狀態(tài)。

圖1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 圖2 駕駛室翻轉(zhuǎn)α角時的狀態(tài)

駕駛室是利用扭桿的扭轉(zhuǎn)力矩克服駕駛室的重力矩實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的，所以前支架總成在駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)中是最重要的結(jié)構(gòu)。某輕型卡車采用的是單扭桿結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，駕駛室前支架總成如圖3所示。

圖3 單扭桿翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架結(jié)構(gòu)圖

翻轉(zhuǎn)支架固定在駕駛室上，左右前懸置支架固定在卡車縱梁上，扭桿力臂固定在右前懸置支架上，扭桿與花鍵套筒及扭桿與扭桿力臂之間均通過花鍵聯(lián)接，扭桿套筒和前懸置支架間裝有膠墊。圖3所示的前支架總成使得駕駛室的翻轉(zhuǎn)中心與扭桿中心、翻轉(zhuǎn)支架扭桿套筒中心重合，因此駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)不僅具有翻轉(zhuǎn)功能，還具有支撐、減震的功能。

1.2 翻轉(zhuǎn)原理

駕駛室為鎖止?fàn)顟B(tài)時，即駕駛室翻轉(zhuǎn)角度為0°的時候(如圖1所示)，扭桿的扭轉(zhuǎn)角與扭矩最大，駕駛室的重力矩最大，但扭桿的扭矩大于駕駛室的重力矩；當(dāng)鎖止?fàn)顟B(tài)解除后，由于扭桿的扭矩大于駕駛室重力矩，在扭桿的扭矩作用下，駕駛室自動向前翻轉(zhuǎn)一個角度α后靜止，如圖2所示，此時駕駛室翻轉(zhuǎn)角α較小，扭桿的扭矩與駕駛室的重力矩相等；當(dāng)人為在駕駛室的鎖止機構(gòu)位置施加向上的較小推力時，駕駛室開始向前翻轉(zhuǎn)，扭桿的能量緩慢釋放，駕駛室的重力矩不斷減小，翻轉(zhuǎn)的速度逐漸減慢；當(dāng)翻轉(zhuǎn)到最大位置時，即駕駛室的質(zhì)心O′略微超過翻轉(zhuǎn)中心垂線(圖1，2中y軸)，重力矩幾乎為零，此時用手輕輕上推駕駛室，依靠限位器將駕駛室固定，扭桿的殘余扭力使限位器處于受拉狀態(tài)。

當(dāng)放下駕駛室時，駕駛室利用自身的重力下落，其重力矩逐漸增大，通過翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架對扭桿的作用使扭桿的扭轉(zhuǎn)角逐漸增大，扭矩不斷增大，駕駛室的回落速度逐漸減小，一直到翻轉(zhuǎn)角α較小時駕駛室處于懸浮靜止?fàn)顟B(tài)，此時略加外力，向下拉動駕駛室即可鎖住駕駛室。

2 扭桿的設(shè)計與優(yōu)化

按扭桿的斷面形狀，汽車上的扭桿彈簧可分為圓形、管型、片狀型及組合式等幾種。其中圓形斷面扭桿的單位質(zhì)量所能儲存的能量比其它斷面形狀的大，是質(zhì)量最輕的彈簧，所以使用最多[3]。扭桿是駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的核心部件，為使翻轉(zhuǎn)機構(gòu)簡單、緊湊，扭桿采用圓形斷面[4]。

2.1 設(shè)計要求

扭桿一般長期處于受載狀態(tài)，扭桿應(yīng)能滿足長期在靜、動載荷及交變應(yīng)力作用下的工作要求。因此對扭桿自身的剛度、抗蠕變能力及抗疲勞性能都有相當(dāng)高的要求，其疲勞壽命最佳為105～106次。即扭桿在長時間處于受載狀態(tài)且經(jīng)過上萬次疲勞試驗后的剛度衰減在1%左右，塑性變形不超過1°[5]。

2.2 設(shè)計

扭桿的設(shè)計主要分結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)主要涉及到扭桿剛度、直徑、長度、工作扭轉(zhuǎn)角、兩端的花鍵參數(shù)等。

1)長度和工作扭轉(zhuǎn)角

扭桿長度是根據(jù)車架縱梁或者翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架確定。經(jīng)測量確定該輕型卡車的扭桿長度L=937.5 mm。

扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角與駕駛室的翻轉(zhuǎn)角有關(guān)。據(jù)駕駛室的翻轉(zhuǎn)原理，駕駛室的最大翻轉(zhuǎn)角即是駕駛室翻轉(zhuǎn)到駕駛室的質(zhì)心O′略微超過駕駛室翻轉(zhuǎn)中心垂線時的翻轉(zhuǎn)角，如圖1所示。

駕駛室的最大翻轉(zhuǎn)角為

αmax=90°-θ，

(1)

式中θ為駕駛室的質(zhì)心O′與翻轉(zhuǎn)中心O′的連線與駕駛室地板水平面的夾角(見圖2)，(°)，θ=arctan(H/L)，其中L、H分別為駕駛室在鎖止?fàn)顟B(tài)時駕駛室質(zhì)心距翻轉(zhuǎn)中心的水平和垂直距離。

據(jù)式(1)確定該輕型卡車駕駛室的最大翻轉(zhuǎn)角為45°。

為了保證駕駛室翻轉(zhuǎn)的輕便性，駕駛室在翻轉(zhuǎn)到最大角度時，扭桿還有適當(dāng)?shù)呐ちΡＷC限位器處于受拉狀態(tài)，確保駕駛室不會突然回落，扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角應(yīng)大于駕駛室的最大翻轉(zhuǎn)角6°左右。同時為了保證扭桿的正常工作，扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角要小于極限扭轉(zhuǎn)角。因此，選取該輕型卡車的扭桿工作扭轉(zhuǎn)角為52°。

2)設(shè)計剛度

由圖2得駕駛室的重力矩T為

式中W為駕駛室的重力，N。

根據(jù)材料力學(xué)，圓形截面扭桿的扭轉(zhuǎn)角φ為[6-7]

有

(2)

式中M為扭桿扭矩，N·m；d為扭桿直徑，m；G為材料的剪切模量，MPa；K為扭桿剛度，(N·m)/(°)。

則扭桿的扭矩為

M=K(φ-α).

駕駛室鎖止機構(gòu)打開后，確保翻轉(zhuǎn)角度為3°左右時，駕駛室的重力矩等于扭桿的扭矩，即M=T，據(jù)此可求得扭桿的設(shè)計剛度。此時駕駛室處于懸浮靜止?fàn)顟B(tài)，這樣駕駛室不會突然彈起，同時也不需要用很大的力來進行翻轉(zhuǎn)，增加了駕駛室翻轉(zhuǎn)的輕便性和安全性。

測得該輕型卡車駕駛室的質(zhì)量約為310 kg，駕駛室翻轉(zhuǎn)中心到其質(zhì)心的距離為926 mm，據(jù)此可以求得扭桿的設(shè)計剛度為K=38.12(N·m)/(°)。

3)直徑

根據(jù)扭桿的設(shè)計剛度，可以算出扭桿的直徑。

該輕型卡車扭桿的材料是60Si2MnA，彈性模量為2.06× 105MPa，泊松比為0.29，求得材料的剪切模量G。

由式(2)得扭桿直徑d為

得d=22.3 mm，微調(diào)數(shù)據(jù)后初定直徑為22 mm。

以60Si2MnA為例對扭桿進行校驗，60SiMnA的許用應(yīng)力為[τ]=1 000～1 250 MPa，扭桿工作時最大表面應(yīng)力為

τmax=16Kφ/d3=910.75 MPa﹤[τ] ，

扭桿的最大允許扭轉(zhuǎn)角為

φmax=360[τ]L/(dG)=56.96°>φ=52°，

扭桿的設(shè)計參數(shù)滿足設(shè)計要求[8]。

4)花鍵參數(shù)

①為避免扭桿和其連接件之間的載荷分布不均，使扭桿端頭因應(yīng)力集中導(dǎo)致扭桿斷裂，選擇漸開線花鍵作為扭桿的端部；

②為了使應(yīng)力集中最小化，采用壓力角為45°的漸開線花鍵；

③端頭的直徑D至少是桿身直徑d的1.15倍以上，一般選擇1.2～1.5倍；花鍵長度l0至少是端頭直徑D的0.4倍以上，且不超過D的1.3倍[9]。

據(jù)此，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)選擇的花鍵參數(shù)如表1所示。

5)過渡段

為了盡量減小扭桿的桿徑到端部過渡段的應(yīng)力集中，過渡段應(yīng)該逐漸過渡。過渡段有2種形式，錐形過渡和圓弧過渡，如圖4所示。

表1 花鍵參數(shù)值

錐形過渡形式如圖4a)所示，錐度角要求<30°，一般選擇30°，即β=15°。采用這種過渡形式時一般選擇r=1.5d，該扭桿結(jié)構(gòu)近似取r=30 mm。圓弧過渡形式如圖4b)所示，采用這種過渡段時一般選擇R=4d，近似取R=90 mm。這2種過渡段在過渡圓弧或錐面和端部連接處的銳邊必須圓滑，銳邊的圓滑角半徑應(yīng)取不超過3倍的花鍵深度[10]。

圖4 扭桿過渡段形式

對這2種過渡段進行有限元分析對比，由于花鍵的尺寸較小且不影響過渡段的計算結(jié)果，因此在分析時去除模型中的花鍵，去除模型中的小孔、倒角等與過渡段分析無關(guān)的因素。

為便于對比，均以六面體劃分網(wǎng)格，單元尺寸為4 mm。扭桿選擇一端固定一端加扭矩的加載方式，加載的扭矩為Kφ=1 982.24 N·m，得到過渡段等效應(yīng)力分析結(jié)果對比如圖5所示，圖中應(yīng)力單位為MPa。

圖5 過渡段的有限元分析結(jié)果

從分析結(jié)果可以看出錐形過渡段的最大范式等效應(yīng)力為1 607.2 MPa，圓弧過渡段的最大范式等效應(yīng)力為1 541.3 MPa，并且圓弧過渡段的應(yīng)力變化比錐形過渡段的應(yīng)力變化更加均勻，所以選擇圓弧過渡段作為該扭桿的過渡段。

6)材料與工藝

根據(jù)扭桿的設(shè)計要求，選擇扭桿材料為彈簧鋼，如60Si2Mn，60#鋼等。選定材料后，通過熱處理獲得所需的性能[11]，如端頭形成后的退火處理、成形后的淬火、回火處理和感應(yīng)淬火表面處理等，以增加扭桿的彈性極限和韌性等。

實際生產(chǎn)工藝中，還需要對扭桿進行噴丸和對花鍵部位電鍍防銹油，以消除扭桿表面的細微裂紋，強化扭桿的表面強度和硬度，提高扭桿的疲勞壽命，增加花鍵部位的抗腐性。

3 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架受力分析及優(yōu)化改進

圖6 駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架受力情況

對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架模型受力進行簡化，也就相當(dāng)于扭桿的左端(前支架的力臂一端)固定，右端承受扭矩載荷。如圖6所示，A、D為駕駛室左右前懸支架的左右支承點，B、C近似為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架和駕駛室地板骨架的接觸點，O為扭桿右端花鍵的中心位置。令扭桿受扭后在O點受到的扭矩為M，B、C處受到的扭矩分別為MB、MC。

對該結(jié)構(gòu)力矩分析得

M=MB+MC，

式中MC=M·BO/BC；MB=-M·CO/BC。

當(dāng)扭桿處于完全受載，即駕駛室沒有翻轉(zhuǎn)時，由于M=Kφ=1 982.24 N·m，得Mc=2 727.17 N·m，MB=-742.93 N·m。分析發(fā)現(xiàn)，由于右端扭轉(zhuǎn)自由，因而右端所受的扭矩要遠遠大于左端所受的扭矩，所以在翻轉(zhuǎn)時駕駛室左右兩側(cè)的前懸支架受力不均衡。

通過整車重復(fù)翻轉(zhuǎn)試驗，發(fā)現(xiàn)駕駛室右側(cè)有微小的向后傾斜的趨勢。為解決這個問題，在裝車的過程中，使右邊前懸置支架比左邊前懸置支架向車前移動一段距離s。計算得知，當(dāng)前移距離s=6 mm時駕駛室在翻轉(zhuǎn)過程中不會向后傾斜，保證了駕駛室在行駛過程中的平順性和安全性，也將左右前懸置支架的套筒中心分別向前后各偏移了±1°，避免了扭桿受到彎曲載荷。

同時通過受力分析發(fā)現(xiàn)，在駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中，駕駛室會對翻轉(zhuǎn)支架右端(D處)作用一個向下的力，使得左端(A處)有一個抬高的趨勢，但在實際試驗過程中發(fā)現(xiàn)趨勢不明顯，不影響駕駛室的平順性。而且由于翻轉(zhuǎn)支架和前懸支架隔著膠墊，膠墊為NR614天然橡膠，有較高的彈性，耐撓曲性好，有良好的緩沖性，并且能起到減震的作用。

通過對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)前支架的改進，在很大程度上減小了單扭桿結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)左右受力不均引起駕駛室發(fā)生歪斜的狀況，在實際應(yīng)用中獲得了良好的效果。

4 結(jié)語

1)設(shè)計某輕型卡車駕駛室的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，同時使用有限元分析軟件對其核心部件扭桿進行了過渡段的擇優(yōu)設(shè)計。

2)改進了翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的前支架，減少了單扭桿駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)弊端，保證了駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的安全性、平穩(wěn)性，也為以后更好的完善單扭桿結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)做出了鋪墊。

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