三厢轿车行李箱盖扭杆弹簧平衡系统分析及其设计应用

卢伟 陈宏海 韦婷婷

摘   要：为满足行李箱盖在开关过程中的弹起加速度、平衡范围等性能要求，通过对使用扭杆弹簧的三厢轿车行李箱盖开关过程的受力分析，确定行李箱盖的重力矩曲线，然后将其与扭杆弹簧扭矩曲线进行匹配分析，设计合适的扭杆弹簧线径和旋转角度。文章以某二连杆铰链系统为例，计算确定二连杆铰链的线径为6.16mm，扭杆的自由角度为112°，扭杆的最大工作角度为192°。

关键词：行李箱盖;扭杆弹簧;平衡分析

扭杆弹簧作为一种弹性元件，因其结构简单、成本低廉、耐久性能好，被广泛应用于三厢轿车行李箱盖开闭系统。其工作原理是通过扭杆弹簧扭转产生弹性变形，储存扭矩，克服行李箱盖的重力矩和铰链摩擦力矩，从而达到开启行李箱盖的功能。对于使用扭杆弹簧的轿车性能要求，行李箱盖解锁后以小于某一加速度值弹起到一定高度后静止，在一定角度范围达到平衡状态，以免落下伤人，而在最大开启位置又能保持静止并可抵抗一定的迎风力矩。文章通过对行李箱盖开关过程中重力矩曲线的分析，同时将扭杆弹簧扭矩曲线与重力矩曲线相匹配，设计扭杆的线径和旋转角度。

1 行李箱盖重力矩分析

假设轎车行李箱盖系统的总重量为，因为行李箱盖左右对称，所以可以将行李箱盖系统简化在XZ平面中进行研究。行李箱盖绕铰链轴中心转动，假设其中心坐标为（Xa ，Za），当行李箱盖处于关闭状态时，其重心坐标为（Xb， Zb）。图1所示为行李箱盖开关状态示意图。假设行李箱盖重心到铰链轴中心的距离为，行李箱盖关闭时重心轴线与水平面的夹角为δ，行李箱盖重力矩力臂为X、开启与关闭位置旋转角度α。

因为行李箱盖重心在开关过程中是绕着铰链轴线做圆周运动的，设定以行李箱盖关闭状态为起点，行李箱盖开启角度为θ，θ∈[0， α]，因此以θ为变量的行李箱盖重力矩函数为：

对于行李箱盖系统而言，参数、、δ和α已给定，通过带入式（1），其中θ以10为间隔取值，可得行李箱盖重力矩函数曲线，如图2所示。根据图1和图2可以确定行李箱盖在开关过程中三个临界点，分别是图1中的行李箱盖关闭位置a、行李箱盖重心与铰链轴中心处于同一水平线上的位置b和行李箱盖全开位置c，与之对应的分别是图2中的始点、力矩最大点和末点。由图1和图2中可以看出，行李箱盖从a到b的过程是重力矩增大的过程，而从b到c的过程是重力矩减小的过程。如何选择合适的扭杆线径和旋转角度，使行李箱盖在开关过程中达到系统要求的平衡状态是扭杆设计的关建。

2 行李箱开关过程平衡系统分析及扭杆设计

如图3所示，扭杆弹簧作为储能元件安装在行李箱两铰链之间，行李箱开关过程中，设单根铰链自身摩擦力矩为，单根扭杆扭矩为，在行李箱盖开关过程中，如果在中间位置能够达到平衡状态，则要满足如下条件：

当不满足以上条件时，行李箱盖处于上升或下降过程。

2.1 铰链摩擦力矩

目前常用的铰链有二连杆铰链和四连杆铰链两种，文章主要以二连杆铰链系统进行分析说明。

图4为一个典型的二连杆铰链系统，其中为铰链旋转角度，即行李箱盖开启角度;为对应铰链旋转时扭杆旋转的角度。当行李箱盖处于关闭状态，扭杆承受最大扭矩，扭杆的扭转角度最大，设该处扭转角为j关;在行李箱盖开启的过程中，设扭杆的扭转角度为j开，由于扭杆与铰链接触端是刚性接触，由结构运动学可知，j=j关-j开。

在行李箱盖工作过程中，摩擦力主要由铰链与支架之间的连接轴销产生，扭杆与铰链接触间的摩擦力可以忽略不计。铰链摩擦力矩是有方向的，即式（2）中有正负之分，当行李箱盖呈上升趋势时，它阻碍其上升，其方向与重力矩方向相同;当行李箱盖呈下降趋势时，它阻碍其下降，其方向与重力矩方向相反;取值要合理，如果取值过大，行李箱盖解锁后弹起力不足;如果过小，行李箱盖解锁后平衡区间小且经多次震颤后才能达到平衡状态。根据经验，取值一般为2.216～3.284[1] ，具体数值要在调试后才能确定。

2.2 扭杆平衡设计

由于扭杆是在行李箱盖参数已经确定的条件下设计的，即上式中、、δ、L和为已知条件，上式转化为选取合适的d和j关，在某一角度θ处达到平衡状态。

2.3 行李箱盖开闭系统的性能要求分析

对于轿车行李箱盖开闭系统来说，在开启、关闭过程所受的力的要求，一般都是转换在锁扣位置。图5所示为行李箱盖关闭状态时受力点分析示意图。行李箱盖受力点到铰链轴中心的距离为，行李箱盖关闭时与水平面的夹角为，关闭力的大小为。因此转换为相对应的关闭状态的扭矩要求为：

3 扭杆设计应用实例

由于通过公式（5）无法直接算出扭杆的直径d、j关以及，可通过经验分析法计算，具体过程通过以下应用实例解释。假设已知某行李箱盖总重量=15kg，δ=22°，=400mm， L=1040mm，取2.75，关闭状态时扭杆两端面的相对角度γ=56°，α=90°，受力点位置到旋转轴长度=1m，剪切模量G=78500N/mm2。将已知条件带入公式（1），θ以10°为间隔取值，得到该行李箱盖的重力曲线图，如图6所示：