行李箱间接式扭杆弹簧设计

周志龙

阿尔特（中国）汽车技术有限公司，北京 100000

行李箱间接式扭杆弹簧设计

周志龙

阿尔特（中国）汽车技术有限公司，北京 100000

本文通过对轿车行李箱间接式扭杆弹簧结构和受分析的研究，阐述了行李箱间接式扭杆弹簧设计和校核的方法，由此总结了行李箱间接式扭杆弹簧设计思路与流程。以某项目为行李设计例，应用了该设计方法，并且该车型成功量产，实际状态基本符合设计理论。

行李箱；扭杆弹簧；设计方法

前言

在三厢轿车车身的开发过程中，行李箱铰链设计是难点之一。行李箱的铰链经常使用的有3种形式：一是4连杆铰链加气弹簧的形式；二是鹅颈式铰链加扭杆弹簧的形式；三是鹅颈式铰链加伸缩弹簧形式。这三种形式中的各类弹簧是为行李箱提供开启力和关闭力。研究各种行李箱铰链系统的受力分析，是成功设计的关键。

其中第2种鹅颈式铰链加扭杆弹簧的形式在A级车型中比较常用，这种铰链分为2种情形一种是铰链臂与扭簧直接安装在一起，叫做直接式；另一种是铰链臂与连杆一端安装在一起，扭簧与连杆的另一端安装到一起，叫做间接式，即在铰链臂与扭杆弹簧直间有一连杆连接。本文主要针对采用鹅颈式铰链加间接式扭杆弹簧的行李箱进行分析说明的。见图1。

图1

图2

1 行李箱受力分析

行李箱总成在自重的作用下，有使行李箱关闭向下的力矩Mw；扭杆弹簧使行李箱有向上开启力矩MS；在铰链安装等处有摩擦力距，汇总为Mf；行李箱在开启最大位置进行关闭的时，手提供关闭力矩MC。行李箱在关闭位置进行开启的时，手提供开启力矩MO。力矩分析图如图2。

从上图行李箱的受力分析可以看出：

在行李箱从关闭到开启的瞬间，力矩平衡公式如下：

Ms+Mo-Mf=Mw

在行李箱从开启到关闭的瞬间，力矩平衡公式如下：

Ms-Mc+Mf=Mw

1.1 行李箱自重力矩Mw计算公式

在车身倾斜角度a1情况下，行李箱关闭状态上往上开启θ角度之后，自重惯性矩Mw 的计算公式如下：

W :行李箱理论总重量，包括行李箱钣金件及装饰件，及附件重量；

L : 从铰链旋转中心到行李箱重心的距离；

a: 在行李箱关闭状态下，从铰链旋转中心连接到行李箱重心的连线和车身坐标系Z轴之间的角度。

1.2 在软件中，让θ角度每5度变化，测量L值 ，并计算出相应的Mw，并使用描点法绘制出Mw变化曲线，如图3。

图3

图4

1.3 扭杆弹簧机构力学模型简化，图4是行李箱铰链设计3D数据状态，图5是对铰链系统进行的力学简化模型。

图5

其中：

Mr 扭杆弹簧作用到连杆上的力矩；

Mh 连杆传递到铰链臂上的力矩；

L1 扭簧安装点到连杆的距离；

L2 连杆到铰链臂转轴的距离；

α L1与连杆夹角；

β L2与连杆中心线延长线夹角；

1.4 扭杆弹簧扭作用到连杆上的力矩Mr公式如下：

其中Kt是扭杆刚度；θ扭杆转角；d扭杆直径；G切变弹性模量

从而得到了Mr与Mh关系公式。

在3D数据软件中，将行李箱每开启5°，测量行李箱盖开启时候的各个位置的α,β,θ值并输入到公式（7），并计算出Mr，Mh值，并绘制出Mh图表，如图6。

图6

Mw与Mh比较。

图7

在'A' 区域即使Mh比Mw大很多，但是实车上出现情况(在某一个开启角度上停止)是因为铰链臂和连接板之间的摩擦力以及铰链轴部位和铰链支架之间的摩擦力的影响Mh- Mf=Mw，行李箱盖还需要有开门力。

在'B' 区域Mh+ Mf比Mw 大，行李箱盖需要有关闭力

在A和B中间区域，基本上是Mh±Mf=Mw，这是理想的开闭情况：行李箱盖开启之后的某一个位置停止的区域可以持续到最大开启角度约10～20度之前，下一个区域开始为Mh- Mf≥Mw，自动开启到最大开启角度。

2 设计过程中参数调整

以上是扭簧的受力分析过程，是论理状态下计算。在设计阶段，需要将行李箱自重力矩Mw与Mh的设定基本符合图8状态，行李箱自重力矩Mw理论值受车身造型影响和自身强度和刚度的要求，是基本固定的参数。无法调整，也无需调整，作为行李箱铰链系统设计时的输入条件。

从Mr与Mh关系公式中可以看出，可以调整的参数是L1（ 扭簧安装点到连杆的距离），L2（连杆到铰链臂转轴的距离），α（L1与连杆夹角），β（L2与连杆中心线延长线夹角），d（扭杆直径）。在设计中，为调整Mh大小，调整A点（见图4）位置，效率更高，其次是调整L1长度，也有较高的效率。

3 结语

由于摩擦力Mf无法加入到计算中，需要在试制的过程中对以上的计算加以验证，一般情况下摩擦力是无法有意的进行控制，并且实物行李箱总成的重量基本稳定，这时需要调整扭杆弹簧的参数，比如扭杆的直径，扭簧的初始安装角度，连接板的连接位置及长度。使用该计算方法设计出的行李箱扭杆弹簧铰链系统，应用到量产车型上，获得成功，节约了开发周期。

[1] 郭竹亭.汽车车身设计[M]. 长春：吉林科学技术出版社.

[2] 单辉祖.材料力学教程.高等教育出版社.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.073