扭杆弹簧在军车逃生窗盖上的设计与应用

王占魁

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710000）

前言

某型装甲运兵车顶盖逃生窗盖（见图 1）由于其采用防弹厚钢板，质量大，开启时如果仅靠人力，非常费力，开启困难，关闭时因其质量大靠自重绕铰链自由下落，冲击力过大很危险，为解决此问题，该逃生窗盖的翻转轴采用扭杆弹簧助力，扭杆弹簧相对于其他种类的弹性元件具有储能高、结构简单、制造方便和维护简单等特点，有较高的疲劳寿命，被广泛应用于各种特种车辆的悬挂装置和逃生窗盖翻转系统中。汽车上用的扭杆弹簧按其扭杆的断面形状分为圆形、管形、片状及组合式等几种。其中圆形断面的扭杆单位质量所能储存的能量比其他断面的都大，是重量最轻的弹簧，所以使用得最多，因此该车逃生窗盖所用扭杆也采用圆形断面。扭杆刚度和预扭角的大小直接影响到逃生窗盖开启与关闭的力平衡效果，如果扭杆刚度偏大、预扭角偏小。在解除锁止机构时，逃生窗盖会突然弹起，而翻转到一定角度时会出现翻转沉重等现象。因此对扭杆的刚度和性能要求十分严格。

图1 某型装甲运兵车逃生窗盖扭杆应用示意图

本文通过精确测量逃生窗盖输入参数，根据逃生窗盖参数与翻转中心、扭杆中心之间的关系，并根据空间选择合适的扭杆长度，建立逃生窗盖物理模型，输入初始参数，与翻转进行匹配性设计。

1 逃生窗盖翻转机构工作原理

逃生窗盖为锁止状态时，即逃生窗盖还未翻转状态（如图2a所示）。扭杆的扭转角为最大，扭杆的扭矩最大，同时逃生窗盖的重力矩最大，但扭杆的扭矩大于逃生窗盖的重力矩；当锁止状态解除后，在扭杆的扭矩作用下，逃生窗盖自动向前翻转到一个角度后静止（扭杆的扭矩大于逃生窗盖重力矩），此时逃生窗盖翻转角α较小，且扭杆的扭矩等于逃生窗盖的重力矩；当使用者握着逃生窗盖把手施加向上的操作力时，逃生窗盖开始向前翻转，扭杆的能量缓慢释放，逃生窗盖的重力矩不断减小，翻转的速度逐渐减慢；当翻转到最大位置时（见图 3b），此时重力矩几乎为零，逃生窗盖上自带的圆头柱子便在弹簧力作用下划入限位座上的孔中限位座便将逃生窗盖固定，扭杆的剩余扭力使限位器处于受状态。当放下逃生窗盖时，首先需要靠人力掰动旋转手柄使圆头柱子缩出限位座上的孔，逃生窗盖利用自身的重力下落，其重力矩逐渐增大，通过旋转支架对扭杆的作用使得扭杆的扭转角逐渐增大，扭矩不断增大，同样，扭矩的增大克服重力矩，使驾驶的回落速度逐渐减小，一直到翻转角α较小时悬浮静止，此时需要操作者施加一定外力，向下拉动逃生窗盖即可锁住。

图2 扭杆助力逃生窗盖结构图

图3 逃生窗翻转各力矩作用关系图

2 扭杆匹配设计

2.1 逃生窗盖质心位置的确定

通过proE软件测量模块，输入密度7.85g/cm³（钢），测出逃生窗盖质量m=39.7kg，重心坐标，建立如图1-2坐标，X=395 mm Y=305 mm，a=557.5mm，b=305mm。

2.2 扭杆的材料的选用

扭杆材料一般选择诸如新45号钢，60Si2MnA，60号，65Mn等弹簧钢，军用车的扭杆，如坦克等军用越野车辆的扭杆可选用45CrNiMoVA等优质合金弹簧钢[20]。逃生窗盖翻转机构的扭杆材料要求的特性如下：

（1）热处理淬透性要优良，这是保证扭杆淬硬层深的需要；

（2）具有稳定的化学成分及力学性能。化学成分和力学性能会对扭杆的工艺过程，如热处理、预扭等产生影响，从而影响扭杆的质量、性能及使用寿命。为了降低成本，同时满足工业需求，该设计中扭杆材料选择60Si2MnA，60Si2MnA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，脱碳倾向小，回火稳定性良好，热加工性能好、成本低，为现在卡车广泛使用的扭杆弹簧钢。60Si2MnA的材料成分如表1所示：

表1 60Si2MA的材料成分（质量分数）（%）

60Si2MnA的属性如表2所示 ：

表2 60Si2MnAd的属性值

2.3 扭杆长度和工作扭转角的确定

扭杆的长度根据逃生窗盖总宽度确定。逃生窗盖设计固定端支座和旋转端支座两最远端面间距离。确定扭杆长度L=1092mm。

扭杆的工作扭转角与逃生窗盖的翻转角有关系：首先确定逃生窗盖的最大翻转角：据机构翻转原理，逃生窗盖最大翻转角即是逃生窗盖翻转重心垂线等于逃生窗盖翻转中心时的翻转角；即如图4中所示的α角90°。为了保证逃生窗盖翻转的安全性，使驾驶室在翻转到最大角时，扭杆应有适当的扭力保证圆头柱子滑入限位座孔里，确保逃生窗盖不会突然回落。扭杆的工作扭转角应大于逃生窗盖的最大翻转角 6°左右。另外为了保证扭杆的正常工作，扭杆的工作扭杆角要小于其极限扭转角，该型逃生窗盖的扭杆工作扭转角定为96°。

2.4 扭杆设计刚度的计算

图3所示为逃生窗翻转角α时的状态图，此时重力矩为：

式中，T1——逃生窗所受重力矩（N·mm），

α——驾驶室的翻转角度（°），

b——逃生窗质心到翻转中心的距离（mm），

G——逃生窗重力(N)。

另一方面根据材料力学，对圆形截面的扭杆有 ：

式中，φ——扭杆的扭转角（°），

M——扭杆的扭矩（N·mm），

Le——扭杆的有效长度(mm)，

d——扭杆的直径(mm)，

G——材料的剪切模量(MPa)

可得

式中，k——扭杆的刚度(N·mm/deg)。

逃生窗盖在锁止结构打开后，确保翻转角度为 3°左右时，逃生窗盖的重力矩等于扭杆的扭矩，此时逃生窗盖处于悬浮静止状态，这样逃生窗盖不会突然弹起，同时也不需要用很大的力来将其翻转，增加了驾驶室翻转的轻便性和安全性，在该点处有：

T1=M即；预扭角 φ=96°，α=3°，b=305 mm，G =397N据此可以求得扭杆的设计刚度为 k= 1299.4 N·mm/deg。

2.5 扭杆结构尺寸的确定

在逃生窗盖翻转过程中，逃生窗盖重力对翻转中心形成的重力矩和扭杆力矩与翻转角度的关系曲线如图4 所示。

图4 重力矩和扭杆力与翻转角度的关系曲线

图4中：

T1——驾驶室的重力矩，N·mm；

M——扭杆作用于翻转中心的力矩，N·mm；

Ta——扭杆预扭状态对翻转中心的力矩，N·mm。

图5 扭杆弹簧结构尺寸

该型车扭杆的总长度为 10920mm，两端花键长度为40mm，则扭杆的有效工作长度近似为1000mm。根据扭杆的设计刚度，可以算出扭杆直径的理论值。该车中扭杆的材料60Si2MnA，60Si2MnA的弹性模量为2.06E+11Pa，泊松比为0.29，求得切变模量G。由于扭杆的刚度为：

解得d=9.97mm，微调数据后初定直径为10mm。根据参考文献[4]中所述经验公式，计算出扭杆弹簧其余尺寸后得出结构及尺寸如图5。

2.6 扭杆的参数校核

以60Si2MnA为例对扭杆进行校验，60SiMnA的许用应力为=1000～1250MPa：扭杆工作时最大表面应力为：

扭杆的最大允许扭转角为：

扭杆的设计参数满足设计要求。

3 逃生窗操作力计算及人机工程学分析

设人需要施加的操作力为T，设T= T1-M，其中T1和M是α的函数，在MATLAB中计算即可知T随自变量α的变化情况（图 3），结合图 2-1可知最高点纵坐标值即为上推翻转至 38°时需要施加的最大推力力矩，已知，；最小值纵坐标为解除限位装置，下拉逃生窗盖所需最大操作力矩，同理。根据参考文献[3]人体站立姿势时，手臂伸展在0°位置时，最大推力为体重的130%，最大拉力为体重的100%，假设操作者为一成年男性，体重为60kg即重力为600N，显然符合人机工程学要求。

图6 操作力矩随翻转角度变化曲线

4 结论

本文首先对逃生窗盖助力扭杆进行设计计算， 输入逃生窗盖测量参数，选择合适的扭杆长度，匹配出合理的扭杆设计方案；通过Matlab软件计算了操作者需要在上翻和下翻逃生窗盖时需要施加的最大力；结果完全符合人机工程学，获得舒适的操纵力矩。提供了一种新的扭杆翻转机构匹配性设计。