（车辆工程专业论文）某中型卡车驾驶室翻转机构的设计与有限元分析.pdf

某中型卡车驾驶室翻转机构的设计与有限元分析 中型卡车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能 够向前翻转。由于中型卡车驾驶室太重，单凭人力无法实现驾驶室的翻转，必 须要借助于翻转机构。 大多数中型卡车翻转机构都采用机械式双扭杆式。翻转机构上的重要部件 是扭杆弹簧，扭杆的弹力是驾驶室得到翻转的主要动力源，因此，扭杆弹簧性 能的好坏直接关系到驾驶室的翻转。随着汽车工业的高速发展，对驾驶室翻转 扭杆的性能要求越来越高，这使得传统的设计计算方法已经无法满足现代设计 的要求。电子计算机的出现以及有限元法的飞速发展为扭杆的结构性能的计算 分析带来了新的革命。通过有限元法对翻转机构进行应力分析，对提高扭杆的 性能，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。 本文针对某中型卡车驾驶室，根据驾驶室翻转时的实际工作状况，根据车 架和驾驶室的尺寸，对翻转机构进行设计。基于人机工程学原理，对翻转机构 的重要部件扭杆进行设计，并且同时对扭杆其他部分尺寸进行设计计算。 对翻转机构及其载荷进行了适当简化，在有限元软件h y p e r m e s h 中建立了 扭杆的有限元模型，导入有限元分析软件p a t r a n 和n a s t r a n 中，对扭杆和力臂 施加相应的边界条件和载荷条件，进行了静力学分析，找出了扭杆及力臂中的 应力集中部位，进而对扭杆过渡圆弧半径进行优化，最后对扭杆进行材料成分、 硬度和金相分析，以及相应的静力学实验和疲劳试验等力学试验，和五个月的 扭杆装车路试，对翻转机构及扭杆的各种性能进行了综合试验研究，验证了本 文对翻转机构设计和有限元分析的正确性。 该课题研究较为系统的完成了翻转机构和扭杆的设计和有限元静力学分 析，所用的设计方法和有限元分析过程能应用于其它车型翻转机构的相关研究， 为其积累了一定的可借鉴的经验。该课题对扭杆相关尺寸的进一步优化具有一 定的参考价值。 关键词：中型卡车翻转机构扭杆弹簧有限元法h y p e r m e s hn a s t r a n 静力分析 t h e d e s i g na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft o r s i o nb a ro f t h ec a bo fm e d i u m s i z e dt r u c k a b s t r a c t t h ec a bo ft h em e d i u m - s i z e dt r u c kh a sb e e nf l a t t e n e d i no r d e rt o f a c i l i t a t e m a i n t e n a n c ea n dr e p a i ro fe n g i n e ，t h ec a bm u s tb ea b l et o f l i pf o r w a r d 。t h ec a bt i l t i n g m e c h a n i s mm u s tb en e e d e db e c a u s em a n p o w e ri sn o ts t r o n ge n o u g ht oa c h i e v ei t st i l t i n g 砀ec a bt i l t i n gm e c h a n i s mo ft h em a j o r i t yo fm e d i u m s i z e dt r u c ki sm e c h a n i c a la n d t o r s i o nb a r - t y p ed u a l o n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t si st h et o r s i o nb a rs p r i n go nt h et i l t i n g m e c h a n i s m n l ee l a s t i c i t yo ft o r s i o nb a ri st h em a i np o w e rt h a tm a k e st h ec a bt i l t i n g t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft o r s i o nb a rs p r i n gi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo fc a b t i l t i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n tf o rt h e p e r f o r m a n c eo ft o r s i o nb a ro nt h et i l t i n gm e c h a n i s mi sm o r ea n dm o r eh i g h t h i sm a k e st h e t r a d i t i o n a lm e t h o do fc a l c u l a t i o na n dd e s i g nu n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fm o d e m d e s i g n t h ee m e r g e n c eo fe l e c t r o n i cc o m p u t e ra n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dm a k ean e wr e v o l u t i o nf o rt h ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo ft o r s i o nb a r s t r u c t u r e t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rs t r e s sa n a l y s i so ft h ec a bt i l t i n gm e c h a n i s mh a s g r e a ts i g n i f i c a n c ef o re n h a n c i n gp e r f o r m a n c eo ft o r s i o nb a ra n di n c r e a s i n gm a r k e t c o m p e t i t i v e n e s s i nt h i sp a p e r , t h et i l t i n gm e c h a n i c a lh a r d w a r ef o rt h ec a bo ft h em e d i u m s i z e dt r u c k w a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n sa tt i l t i n gt i m ea n dt h es i z eo ft h e t r u c kf r a m ea n dc a b b a s e do nt h ep r i n c i p l e so fe r g o n o m i c s ，t h et o r s i o nb a r , w h i c hi st h e k e yp a r to ft h et i l t i n gm e c h a n i s m ，w a sd e s i g n e d a n dt h eo t h e rp a r t so ft o r s i o nb a rw e r e d e s i g n e da tt h es a m et i m e 1 1 1 et i l t i n gm e c h a n i s ma n di t sl o a dw e r ea p p r o p r i a t e l ys i m p l i f i e d t h ef i n i t ee l e m e n t m o d eo ft h et o r s i o nb a rw a ss e tu pi nt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eh y p e r m e s h t h e no t h e r f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ep a t r a na n dn a s t r a nw e r eg u i d e di n t o t h ec o r r e s p o n d i n gb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dl o a dc o n d i t i o n sw e r ei m p o s e do nt h et o r s i o nb a ra n da r n lo ff o r c e as t a t i c a n a l y s i sw a sn l n t h ep o s i t i o no fs t r e s sc o n c e n t r a t i o nw a si d e n t i f i e di nt h et o r s i o nb a ra n d a r mo ff o r c e t h e nt h et r a n s i t i o nr a d i u so ft h et o r s i o nb a rw a so p t i m i z e d a tl a s tt h e m a t e r i a l sc o m p o s i t i o n , h a r d n e s s ，m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，s t a t i c e x p e r i m e n ta n df a t i g u e e x p e r i m e n tw e r em a d eo nt h et o r s i o nb a r t h ee x p e r i m e n t st e s t i f i e dt h ev a l i d i t yo ft i l t i n g m e c h a n i s md e s i g na n di t sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s n i sr e s e a r c hs y s t e m a t i c a l l ya c c o m p l i s h e st h ed e s i g no f t i l t i n gm e c h a n i s ma n dt o r s i o n b a ra n dt h es t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ew h o l ep r o j e c tp r o v i d e sr e f e r e n t i a le x p e r i e n c e s f o rt h es i m i l a rr e s e a r c ho ft i l t i n gm e c h a n i s mi no t h e rt y p e so fa u t o m o b i l e sa sw e l la st h e f u r t h e ro p t i m i z a t i o no fs o m er e l e v a n ts i z eo ft h et o r s i o nb a r k e yw o r d s ：m e d i u m s i z e dt r u c k ；t i l t i n gm e c h a n i s mh a r d w a r e ；t o r s i o nb a rs p r i n g ；f i n i t e e l e m e n t ；h y p e r m e s h ；n a s t r a n ；s t a t i ca n a l y s i s ； 表格清单 表2 - 1 亮剑驾驶室重心试验结果1 0 表2 2 扭杆的成分1 0 表2 3 测量数据15 表2 4 测量数据16 表2 5 扭杆具体尺寸2 0 表2 6 花键参数值2 1 表4 1 所采用的网格划分合格标准4 2 表4 2 扭杆弹簧静力学分析结果5 0 表5 1 扭杆样件成分分析结果5 4 表5 26 0 s i 2 m n 钢的化学成分理论范围5 4 表5 3 扭杆硬度测试结果( 单位：h r c ) 5 5 表5 4 新装扭杆平衡位置静态测得的操作力5 9 表5 5 新装扭杆带速度测得的操作力5 9 表5 65 个月路试后平衡位置静态测得的操作力6 0 表5 75 个月路试后带速度测得的操作力6 0 插图清单 图1 1c a e 产品分析设计制造流程变化3 图2 1 双扭杆翻转机构结构图5 图2 2 驾驶室水平位置示意图6 图2 3 翻转机构结构图6 图2 4 龙门架及锁止机构图7 图2 5 锁止机构图7 图2 6 悬挂法找重心9 图2 7 测量驾驶室重心的精确x 坐标“10 图2 8 测量驾驶室重心的精确x 坐标1 0 图2 - 9 电阻应变片的结构1 2 图2 1 0 剪切模量实验简图1 3 图2 1 1 驾驶室重力矩和扭杆对翻转中心力矩与翻转角度关系曲线1 4 图2 1 2 驾驶室翻转过程示意图1 4 图2 1 3 扭杆扭矩与扭杆作用于翻转中心力矩的关系“1 5 图2 1 4 驾驶室受到扭杆的作用力示意图1 6 图2 15 扭杆结构尺寸19 图2 1 6 花键端面图2 0 图2 1 7 开模镦粗原理1 1 3 j 2 1 图2 1 8g o o d m a n 关系图【2 1 】2 3 图2 1 9 喷丸和预扭强化对扭转疲劳极限的影响【2 l 】2 4 图2 2 0 扭杆截面应力分布2 5 图2 2 l 预扭强化处理的载荷特性曲线2 6 图2 2 2 扭杆弹簧预扭强化方法2 6 图2 2 3 扭杆弹簧强扭丁一日曲线2 7 图2 2 4 感应淬火和调质处理扭杆弹黄截面应力分布2 8 图3 1 工程分析方法3 0 图3 2 有限单元拓扑形状3 l 图3 3 有限元分析方法流程3l 图3 4 空间四节点四面体单元3 3 图3 5 空间六面体单元3 4 图3 6 壳体单元q u a d 4 几何描述3 4 图4 1 扭杆模型实物图4 0 图4 2 扭杆c a t i a 模型图4 0 图4 3 几何清理前4 l 图4 4 几何清理后4 1 图4 5n a s t r a n 单元的几何描述”4 2 图4 - 6 修改前面网格4 3 图4 7 修改后面网格4 3 图4 8 划分网格后扭杆及力臂模型4 3 图4 - 9 用r i g i d 单元链接后的模型图”4 4 图4 1 0 扭杆端部约束力分析结果4 5 图4 1 l 加载端力臂受力图4 5 图4 1 2 扭力杆端部到杆部的过渡圆弧4 9 图5 1 线切割截取试样5 3 图5 2 试样打磨，进行光谱分析5 4 图5 3 扭杆金相图5 4 图5 46 0 s i 2 m n 扭杆静扭实验的扭转角与扭矩5 6 图5 5 时间扭矩图5 7 图5 - 6 时间一角度图5 7 图5 7 时间一扭矩图一5 7 图5 8 时间一角度图5 7 图5 - 9 时间一扭矩图5 8 图5 1 0 时间一角度图”5 8 图5 1 1 疲劳实验后扭杆静扭实验扭矩扭转角关系曲线5 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究： 作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金目墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字“唧奇q 签字日期：扣c 7 年妒月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金壁至些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒壁工些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： l 唧稼升 签字日期：扣叮年妒月如日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 嚣孵了日签字日期：驴7 年印月f 日 电话：7 了占6g 孚j 6 ( 易 邮编：y ；0 0 97 致谢 本文的研究工作是在尊敬的导师张炳力老师精心指导和悉心关怀下完成 的，在硕士学位论文即将完成之际，我深深感谢敬爱的张老师为我的成长所倾 注的心血。在我攻读硕士学位的三年时间里，自始至终得到了张老师的精心指 导和热情关怀。本论文中的每一项研究成果，都凝聚着张老师的心血。张老师 严谨求实的治学作风，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情、无私奉献 的工作精神，时刻感染教育着我，将使我受益终生，在将来的工作和学习中， 我将铭记张老师的教诲，严格要求自己。 衷心感谢课题组李昊老师和李先芬老师以及机械与汽车工程学院车辆工程 教研室的赵韩老师、钱立军老师、尹安东老师、孙骏老师、江昊老师、祝安定老 师多年来在学习上对我的无私指导和帮助。 衷心感谢朱可、张冰站等师兄，代康伟、许铁娟等师姐，徐德胜、胡先锋、 叶先军、徐飞、刘闪闪、李丽、王启明、张锐、陈解、李芳龙、苏信杰、邓荣冰、 黄新洪等同窗好友，祝毅、李鑫、张友皇、宋振翔、吴迪、廖衔、杜红亮、季明 威等师弟师妹在学习和生活上对我的热情帮助。 衷心感谢张平平、张建国、郭江涛、何艳则、周卿、蔡高坡、钟智攀、胡 慧慧、吴文涛、赵晶晶、汪明明、熊模华等好朋友，是你们让我多年来的生活 充满欢乐。 感谢格物楼6 0 2 所有的兄弟姐妹们在我的研究课题及论文写作期间给予我 的帮助。在此，祝愿他们快乐人生、事业有成! 最后我要感谢我亲爱的父亲、母亲、哥哥和妹妹，正是他们的厚望和无私 奉献使我能够全身心地投入到学业和科研中，他们的殷殷之情始终是我奋斗的 动力! 感谢所有支持和爱护我的人! 作者：师东升 2 0 0 8 年4 月5 日 第一章绪论 1 1 引言 汽车问世以来对人类的出行产生了巨大影响。如今，汽车工业的发达程度 已经成为一个国家工业水平的重要标志，汽车也已经成为当代物质文明与进步 的象征及文明形态的一种代表。 中型卡车在日常生活中的应用日益普遍，目前我国的中型卡车驾驶室已经 平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转。由于中型卡 车驾驶室太重，单凭人力无法实现驾驶室的翻转，必须要借助于翻转机构，翻 转机构的核心部件为提供翻转扭力的扭杆弹簧。 扭杆弹簧作为一种弹性机械零件，越来越多的应用于各种机械和汽车产品 中。扭杆弹簧跟其它类型弹簧一样，都是利用材料的弹性以及本身结构和总体 布置的特点，把机械功或动能转变为变形能，或将变形能转变为机械功或动能， 实现能量储备和稳定作用。如各种越野车辆上的悬架装置用它来做缓冲和减振； 在高速内燃机上的进排气系统中，用它来避免或缓和汽门主圆柱螺旋弹簧在强 烈振动的动载荷作用下所引起的颤动；在使用空气弹簧做稳压器的车辆上，利 用它做稳压器；在高速小轿车的悬架装置，利用它做稳压杆，以增加车辆转向 时的稳定性；对于一些需要一定助力的机构，如可翻的驾驶室、挡浪板、散热 器以及各种门、窗盖等，常用它做储能元件；在传动轴和驱动轴中，为了减少 扭振和缓和扭矩的变化，也常在轴中插入扭杆弹簧等等。由此可见，扭杆弹簧 已被广泛用于各类机械设备和装备上，从精密仪器到各种控制及测力设备，从 坦克装甲车辆到民用各种越野车辆和工程机械，无所不用，并且它的应用范围 正在逐渐扩大。 在中型卡车翻转机构中，扭杆弹簧的设计与制造工作决定着整个翻转机构 的性能。在传统的机械产品设计和制造过程中，首先需要进行市场调研，确定 对产品的功能、结构等方面指针的要求；其次，进行概念设计，对每种不同设 计方案都绘制出相应的工程图样；然后，进行方案论证( 通常是基于经验的且需 要较长的时间) ，确定出合适的方案：最后进行产品设计。在设计完成后，为了 验证设计，通常要试制出产品的实物样机( 物理样机) ，并针对该样机设计多种 试验方案，同时在各种不同工况下进行测试，有时这些试验甚至是破坏性的。 当发现样机存在缺陷时，又必须对设计方案及工程图纸进行修改并进行新的一 轮样机试制、测试。只有通过周而复始的“设计试验设计”过程，产品 才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，而且随着产品复杂程度的提高，这 种反复的物理样机5 0 8 0 的产品及其相关成本取决于设计过程，通常有2 5 以上的开发时间耗费在物理模型和样机的制造上【l 】。显然，在激烈竞争的市场 背景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高，成本的 降低以及对市场的占有。 进入2 0 世纪6 0 年代中期，世界各大汽车公司在设计中引入了电子计算机 后形成了c a d 、c a e 、c a m 等新方法，并使设计逐步实现半自动化和自动化。 一些当代世界最新的科学技术与成果，也往往首先在汽车上或汽车工业中得到 推广应用。如高速数值计算和仿真技术、精密机械制造技术、柔性加工、自动 控制技术等。 为了与国际上的大公司竞争，就必须掌握先进有效的汽车设计技术。先进 有效的设计手段可以大大降低开发费用、缩短开发周期，在日益激烈的市场竞 争中这对于任何厂家来讲都是至关重要的。企业为了提高竞争力，必须尽快改 变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品 的研发成本，进行创新设计，这样才能够对快速多变的市场需求做出敏捷响应， 从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。 1 2 研究背景 中型卡车驾驶室翻转机构可分为机械式、液压式。机械式又可分为单扭杆 式和双扭杆式。由于液压式可靠性差、价格昂贵、故障较多，所以大多数翻转 机构都采用机械式 2 1 。机械式翻转机构的扭杆在全部应力范围内工作，扭杆在 绝大多数时间内都承载【3 】。由于双扭杆式比单扭杆式可以承载更大扭矩，使驾 驶室左右受力均匀，不会形成扭曲现象，所以大多数中卡翻转机构都采用双扭 杆式。 翻转机构的扭杆在全部应力范围内工作。扭杆要保证驾驶室翻起时保持平 衡。这种扭杆在绝大多数时间内都承载，只有在它所平衡的机构起作用时扭杆 才能放松。因此，蠕变破坏比不断翻起的疲劳破坏更重要。扭杆端部直径大于 杆体的直径，对于杆类零件，在直径变化之处会产生应力集中，也是蠕变破坏 最严重的部位。 近年来，随着汽车c a e 技术的发展，c a e 分析技术己成为现代车辆设计 方法的一个重要部分，它是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术。 其理论基础是有限元理论和数值计算方法，核心技术为有限元技术。c a e 软件 是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机 技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型产品。 现阶段，国内企业对于汽车产品开发过程中的可靠性试验研究大多数停留 在外场试验阶段；对于现代c a e 技术的应用主要集中在结构c a d 设计，多体 动力学分析和系统优化设计，以及结构有限元分析和结构优化设计等方面。对 于c a e 工程师而言，就是利用设计工程师提供的模型数据，建立准确的用于车 辆结构强度和疲劳寿命预测评估的虚拟试验模型，并根据预测结果提出改进方 2 案达到优化设计的目的。在整车开发过程中两者既有分工又有合作，充分实现 数据的交换和共享。因此，通过c a e 技术就可以使得设计人员在样车试制前就 可对汽车结构方面的性能或缺陷有所预见，因此能做到在设计阶段尽量完善结 构设计，避免设计错误出现在类似生产、试验等后续的开发阶段，大大缩短了 开发周期，提高了设计质量。 甲一卑一圈一圈一圈 l 匠一一一刨 图1 1c a e 产品分析设计制造流程变化 由图1 1 即可看出c a e 分析技术对于汽车产品设计、制造流程的影响。过去， 新型汽车从构思到试产一般要经历4 5 年时间，运用了计算机辅助c a e 分析技 术后，从设计到样车仅需2 年甚至更少的时间。 1 3 研究目的和意义 中型卡车驾驶室依靠翻转机构进行翻转，其中翻转机构的关键部件为扭杆 弹簧，扭杆弹簧作为缓冲和储能元件，具有单位储能大、体积小、便于加工等 特点，合理地设计驾驶室翻转机构及扭杆扭力，可以使驾驶员轻松、方便地翻 转，还能较长时间保持操作轻便性；设计不合理时驾驶员翻转要用比较大的力， 扭杆如果设计不合理，热处理不当，扭力衰退较快，将严重影响驾驶员操作轻 便性和安全性。 本课题分析的是某中型卡车驾驶室翻转机构，及翻转机构的重要部件扭杆 弹簧。利用某中型卡车的车架和驾驶室对翻转机构进行设计，以及对扭杆进行 直径方面的尺寸设计，并利用有限元软件分析翻转机构的应力集中情况。 应力集中是机械工程中经常遇到的问题，机械零件受载时，在其几何形状 突然变化之处，如轴肩、轴上环槽处、轴上键槽处等均不同程度地存在着应力 集中。应力集中将使零件该处局部应力远远大于名义应力，致使零件过早失效， 因此在设计机械零件时，要采取一定的措施，尽量避免应力集中的产生。汽车 扭杆弹簧是一种应用广泛的弹性机械零件，在其端部到杆部的过渡之处，由于 横截面直径的变化会导致应力集中现象的产生，加速其破坏。该文就扭杆弹簧 的过渡部分的应力集中问题，进行扭杆的三维模型的建立，并对其进行有限元 分析，希望能在有限元方法上对类似问题的解决给予指导。 通过有关研究希望达到以下目标：寻求在扭杆弹簧前期设计阶段，根据用 户使用工况，研究出对于扭杆弹簧关键部位的边界条件的获得，进而可以对其 进行准确的有限元分析；从而能够对扭杆应力集中的大小和位置做出快速准确 的判断。这样才会使设计开发费用降低、周期缩短，使扭杆弹簧的设计真正符 3 合用户的使用工况，也必将会大大提高以设计开发水平为代表的企业核心竞争 力。 1 4 国内外研究现状 自东风柳州汽车有限公司于1 9 9 5 年开始采用扭杆式翻转机构以来，扭杆式 翻转机构就开始在中型卡车上得到了应用。目前，在我国生产和销售的中型卡 车大多数都采用扭杆式翻转机构，例如：江淮、东风、一汽、福田、庆铃、江 铃等。 国内生产翻转机构扭杆弹簧的公司主要有宁波跃进汽车前桥有限公司、中 法合资上海欧雷法弹簧有限公司、武汉双骏车桥有限公司等。安凯华夏汽车配 件制造有限公司是以生产汽车驾驶室翻转机构为代表产品的专业汽车配件生产 厂家。目前国内生产扭杆的材料除上海欧雷法弹簧有限公司用新4 5 号钢外，其 它公司都用锰硅弹簧钢，并采用花键固定端头。但都存在一个共性问题，采用 该结构的驾驶室翻转机构在使用过程中，翻转扭杆都会在较短时间里失效，从 而造成翻转困难，轻便性差，给发动机的维修保养带来不便，给驾驶员的安全 也构成隐患。 国外平头中型卡车和轻卡也大都使用机械式翻转机构。美国生产扭杆的公 司有c a r g os y s t e m si n c ij & js p r i n gc oi n e 、m 3a n da s s o c i a t e si n c 、m e l lr fs p r i n g & m f pc oi n c 、s p r i n gn a p o l e o nw o r k si n c 、m i d w e s ts p r i n g m a n u f a c t u r i n gc o m p a n y ( i n c ) 、t u r n e rm a n u f a c t u r i n gc oi n c 等，美国扭杆多采 用六角固定端头，亚洲和欧洲则采用花键固定端头。亚洲和美国扭杆材料多采 用铬硅或锰硅弹簧钢，用不同型号的锻机闭模锻造制成。这些材料需要在气体 加热炉中加热和进行油冷淬火，欧洲部分汽车扭杆亦采用上述工艺制造，另一 部分则采用新4 5 号钢，在加工工艺上也有区别。但也都存在翻转扭杆在较短时 间里失效问题。 1 5 研究内容 总结目前对于中型卡车驾驶室翻转机构构件和工作环境的分析，我们基于 某中型卡车，对翻转机构及扭杆进行设计，然后利用现有的强大的有限元软件 对其进行建模与分析。就本文所讨论内容，其主要包括： 1 、根据某中型卡车的车架与驾驶室，对驾驶室翻转机构进行设计，并重点 对其核心部件扭杆进行设计，依据理论分析设计出最合理的扭杆直径，并对扭 杆的加工工艺进行研究。 2 、建立扭杆及力臂的有限元模型，对其进行静力学分析，观察扭杆的受力 情况，对其进行优化。 3 、针对翻转机构的工作环境，对扭杆进行综合的试验验证，在确保扭杆满 足设计和使用要求的情况下，将其装车路试，检验扭杆的性能。 4 第二章翻转机构的设计 2 1 引言 近些年，随着我国国民经济的发展，人们生活水平的提高，中型卡车用户 对车辆的整车性能、驾驶环境及操作维修的方便性都有了更高的要求。为了便 于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转【4 】驾驶室的翻转单凭人力无 法实现，必须要借助于翻转机构，其中翻转机构的核心部件为扭杆弹簧。扭卡j = 弹簧是一种利用扭杆的扭转变形起作用的弹性元件，常用于轿车、越野车的悬 架系统和中型卡车的翻转机构中。 扭杆弹簧主要有以下优点p 】。 ( 1 ) 扭杆弹簧单位体积的变形能较大，其值要显著大于常见的钢板弹簧， 因此，在相同的载荷条件下，使用扭杆弹簧比使用钢板弹簧可节省很多弹簧钢。 扭杆弹簧单位体积的变形能可按下式计算：“= 三圭 4 “ 式中，f 为作用于扭杆的剪切应力 g 为弹簧材料的剪切弹性模量。 ( 2 ) 由于扭杆弹簧一般固定在车架或车身上，因而扭杆弹簧用于悬架时， 悬架非簧载质量较小，有利于提高汽车行驶平顺性。 ( 3 ) 结构简单、紧凑，易于在汽车上布置。 ( 4 ) 具有较高的疲劳寿命，在合理的使用应力水平下，扭杆弹簧一般可达 到l o l o 。次的疲劳寿命。 本章的主要内容是基于某中型卡车驾驶室对翻转机构的结构进行设计，以 及对扭杆弹簧的尺寸进行设计计算，并介绍了扭杆的加工工艺。 2 2 翻转机构的设计 2 2 1 翻转机构结构与工作原理 中型卡车驾驶室翻转机构采用的是双扭杆结构，如图2 1 和图2 - 2 所示 1 、翻转中心；2 、驾驶室安装架；3 、右扭杆；4 、右力臂：5 、左扭杆：6 、左力臂：7 、支架 图2 1 取扭杆翻转机构结构图 扭杆3 、5 一端( 固定端) 和支架7 通过花键连接，另一端穿过支架，并和 翻转臂4 ，6 也通过花键连接，驾驶室通过滚轮作用于翻转臂上的力会使扭丰t 产 生扭转。通常情况下驾驶室处于水平位置，锁止机构锁紧，扭杆处于扭转极 限状态。当需要把驾驶室翻起束时，打丌锁止机构，扭杆通过力臂作用在驾驶 室上的弹力，使其绕翻转中心翻转( 该过程需要借助人操作力) ，待翻转到极限 位置，支撑杆撑起，固定驾驶室。 1 】、驾驶室翻转中心：2 、驾驶室侧面：3 、锁紧机构：4 、左右力臂：5 ，左扣杆：6 、矗扭杆； 7 、支架 图2 - 2 驾驶室水平位置示意幽 2 22 翻转机构总成设计 根据某中型卡车车架和驾驶室的尺寸，对其翻转机构进行设计，翻转机构 设计总成的三维图如图2 3 和圈2 4 所示。其由支架、驾驶窜安装架、扭杆、力 臂、驾驶室支撑杆、滚轮、龙门架、锁紧机构、锁钩把手、推力把手等装置组 成。其中支架固定安装在中型卡车的车架上，驾驶室安装在图2 3 所示的驾驶室 安装架上，驾驶室可绕翻转中心做翻转运动。 圈2 - 3 翻转机构结构幽 驾驶室支撑杆一端固定在驾驶室上，一端固定在车架上，其可伸缩和弯曲， 当驾驶室翻起到支撑杆至伸直状态时，驾驶室停止转动此时可转动此支撑杆 的锁钮，使支撑杆锁死，防止外力造成支撑杆铰接处弯曲，引起驾驶室下落现 象，从而确保检修人员的安全。 驾驶室翻转时两个力同时作用才能实现驾驶室的翻转，一个力为扭杆通 过力臂作用在滚轮上向上的扭矩力，另一个力为操作人员通过推力把手( 如图 2 - 4 所示) 作用在驾驶室= 的向上的操作力。力臂和驾驶室通过滚轮接触，滚轮 6 和驾驶室固定在一起。由于扭杆的旋转中心和驾驶室的旋转中心不重合，因此 在驾驶室翻转的过程中，力臂和驾驶室之间将有一定的滑动，若不设此滚轮， 驾驶室与力臂之间的滑动摩擦力将严重阻碍驾驶室的翻转，导致人的操作力势 必很大。设计此滚轮，可将滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，大大的提高驾驶室 上翻和下翻的轻便性。 龙门架与中型卡车的车架固定安装，在一般工况下，驾驶室为水平放置， 装在驾驶室上的锁钩钩挂在龙门架上的锁环上，实现锁止。设计锁止机构时， 考虑到翻转驾驶室的方便性和安全问题，锁止机构设计了一个锁钩和一个锁紧 副钩，锁钩的弯曲弧度较大( 如图2 - 5 所示) ，这样锁紧后不会脱开，但如果只 有一锁钩时，当打开此锁钩时，一般需操作人员用手向下扳动锁钩把手，把手 与锁钩用钢杆刚性连接，当锁钩打开的一瞬间，驾驶室会在扭杆的弹力下，快 速弹起，此时操作人员会出现躲闪不及的现象，危险性较大。 图2 - 5 锁止机构图 当驾驶室下落到水平位置时，锁紧副钩首先锁止，然后再向上扳动锁钩把 手，将锁钩锁止。锁钩的设计利用凸轮运动的原理，如图2 4 ，当扳动把手时， 把手拉动凸轮运动，凸轮的运动首先使锁钩向下运动，使钩脱离锁环，然后随 着凸轮的运动，使锁钩完全偏离锁环，此时锁紧副钩仍然处于锁紧状态。 在一般工况下，驾驶室为水平位置，即驾驶室与龙门架处于接触状态，在 车辆运动的时候，由于发动机的振动和路面不平度引起的振动，会使驾驶室与 龙门架不断的撞击，因此设计一弹簧缓冲块，减小二者之间的碰撞造成的噪音 和驾驶员的不适感。 2 3 扭杆弹簧的设计 作为某中型卡车驾驶室的翻转扭杆弹簧，要求其具有三基本性能【6 】： 力学性能，扭杆弹簧是用来帮助人使驾驶室得到翻转，因此扭杆弹簧要 有较高的弹性极限、抗扭强度、硬度、韧性、屈强比等。 疲劳性能，扭杆弹簧在使用过程中，要经常性的被扭转，使得扭杆弹簧 在交变应力工作，因此扭杆弹簧要有较好的抗疲劳性能，这是决定扭杆弹簧疲 劳寿命的重要因素，也是扭杆弹簧破坏的最主要形式之一。要求有合理的热处 理工艺，来提高扭杆弹簧的疲劳寿命。 抗弹减性能【_ 7 】( 又称抗松弛性能) ，扭杆弹簧在长期静、动载荷作用下工 作，则要求其具有在室温下的蠕变抗力。松弛抗力低，扭杆弹簧在工作一定时 间后明显变形，承载能力大大下降，以致失效。这是扭杆弹簧破坏的另一主要 形式。一般采用固溶强化、细化晶粒强化等可提高抗弹减性能，可通过调整化 学成分和热处理工艺来达到。 扭杆弹簧要具有以上性能，对于其制造工艺的要求较高，热处理、预扭、 喷丸等任一工序的质量波动都可能对其使用寿命和性能产生很大影响。 扭杆弹簧的性能直接影响到翻转机构。在实际应用中，扭杆的性能取决于 扭杆的材料、尺寸、加工工艺等因素。本文针对某中型卡车驾驶室，根据驾驶 室翻转时扭杆的实际工作状况，基于人机工程学原理【8 】( 借助翻转机构，驾驶 员可以轻松实现驾驶室的翻转) ，提出一种新的扭杆设计方法。 2 3 1 驾驶室重心的测量 驾驶室的质量及其重心的位置是扭杆设计的主要参数，因此在对扭杆进行 设计之前，对驾驶室的质量和重心进行测量，找出驾驶室重心的精确坐标。 某中型卡车驾驶室是带卧铺的驾驶室，重量和外形都较大，而驾驶室翻转 机构的翻转中心到驾驶室质心的距离是很重要的设计参数。故而准确地测得驾 驶室质心位置坐标值及驾驶室质量意义重大。重心的测量方法有两种：一是静 平衡法；二是悬挂法。 1 、静平衡法 8 如图2 7 、2 8 所示，选定驾驶室的翻转中心为x 轴和z 轴零点坐标，以底 部过驾驶室翻转中心的一个面和垂直于底部且过驾驶室翻转中心的一个面为测 量基准面。分别用三个脚支撑将驾驶室支撑起来。 脚支撑安放在三台地磅秤上，称得其总重及三支撑分别重量，可求得重 心坐标x 值。以驾驶室前面为支撑面，重复上述操作，称得重量，可求得z 轴坐标值。以上所求的x ，z 值即为驾驶室横向坐标值，即重心的所在位置。 第一次称重得到驾驶室总重g 0 = x 1 + x 2 + x 3 ，x 1 处于零点处的地磅值，x 2 、 x 3 为图2 7 中所示的“不可调支撑”处的两个地磅值。重心到零点坐标的x 方向 的坐标值利用力学平衡原理计算。 第二次称重得到驾驶室总重g 0 = z 1 + z 2 + z 3 ，z 1 处于零点处的地磅值，z 2 、 z 3 为图2 8 中所示的“不可调支撑”处的两个地磅值。重心到零点坐标的z 方向 的坐标值利用力学平衡原理计算。 2 、悬挂法 用平行于y 轴的一根轴横于驾驶室内，将驾驶室吊起，在轴的两端中心 处悬挂二铅锤，平衡后，将两垂线划在驾驶室左右两外表面上。换一位置， 等于将驾驶室绕y 轴转一角度，再次吊起，重复上次划线，在驾驶室左右两外 表面垂线交点即质心位置( x 、z 轴吊线不变) ，最后量出x 、z 值。以上方法 如图2 6 示： 易e 0 f 、 。，一 悬佳珐找重心 图2 - 6 悬挂法找重心 方案比较： 第一种方法较复杂，需定基准点，且制作活动升降支承，并需作x 轴z 轴 至支承点的精确测量，但所得数据较准确，可得精确的x 、z 坐标值。 第二种方法较简单，但有如下缺点：用铅锤线可直接划在驾驶室左右两 个外表面上，但从坐标零点到两线交点的x 、z 轴坐标值仍需人工测量，会带 来一定的误差；由于只一个悬挂点，悬挂点的受力太大，会使驾驶室受到损 坏。 通过比较以上两种方案，从保护驾驶室和得到精确重心坐标的方面考虑， 决定采用第一种方案来测量驾驶室质心的坐标。 9 ( 3 ) 测量结果 刚2 - 8 测茸驾驶室重心的精确z 坐标 进行驾驶室水平方向重心位置及重量测量进行驾驶室垂直方向重心位置及质量测量 2 32 扭杆的材料的选用及其剪切模量g 的测量 2 32l 扭杆的材料的选用 由于6 0 s i 2 m n 弹簧钢具有良好的弹性极限、强度极限、屈强比、疲劳强度， 一定的淬透性和较高的抗弹减性能，因此6 0 s i 2 m n 为现行使用展广泛的扭杆弹 簧钢。本文中扭杆弹簧材料亦选用6 0 s i 2 m n 弹簧钢，其化学成分刚如表2 2 所 月i ： 表2 - 2 扭杆的成分 2 3 2 2 扭杆材料剪切模量g 的测量 参照国家标准g b l 0 1 2 8 8 8 和美国材料与试验协会标准a s t me 1 4 3 2 0 0 2 ， 测量扭杆材料的剪切模量g ，采用贴金属电阻应变片测量扭杆扭转切应变方法。 1 、金属电阻应变片工作原