姚小寶

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

載貨汽車駕駛室已經(jīng)平頭化，為了便于發(fā)動機(jī)的維修和保養(yǎng)，要求駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn)，由于多數(shù)的駕駛室都太重，單憑人力無法實現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)，因此必須借助于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)駕駛室向前翻轉(zhuǎn)。同時載貨汽車的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為駕駛室和底盤的鏈接部件，具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動等作用。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由翻轉(zhuǎn)前后固定支架、前支撐軸管總成（支撐臂、軸管）、撐桿等構(gòu)成，駕駛室固定在支撐臂上，駕駛室翻轉(zhuǎn)時隨支撐臂繞翻轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動。撐桿一端固定在車架上，另一端固定在駕駛室上，可伸縮和彎曲，駕駛室翻轉(zhuǎn)至最大角度（撐桿伸直狀態(tài)）時，轉(zhuǎn)動鎖臂使撐桿鎖死，防止外力導(dǎo)致支撐桿鉸接處彎曲，引起駕駛室下落威脅維修人員安全。

山區(qū)版車型主要使用區(qū)域為西南、東南、西北等山區(qū)，具有彎多、路顛、坡陡的道路使用特點，行駛過程中沖擊震動較大，因此山區(qū)版車型翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和緩沖性能有較高的要求，保障車輛在山區(qū)路況的行車安全性。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的測量

駕駛室重心的測定方法有兩種：①懸掛法；②靜平衡法。測量駕駛室重心最常用的方法有靜平衡法和懸掛法，而由于靜平衡法測量精度較高，故采用靜平衡法來測量。

測量時，首先選定駕駛室翻轉(zhuǎn)中心為X 軸和Z 軸的基準(zhǔn)坐標(biāo)原點，以底部通過駕駛室翻轉(zhuǎn)中心的平面和垂直于底部且過翻轉(zhuǎn)中心的平面為測量面。將三個支撐放在軸荷儀上，用三個支撐將駕駛室支撐起來，并保證駕駛室保持水平，具體如圖1 和圖2 所示。其中M1、M2、 M3、M4、M5 和M6 數(shù)值可通過軸荷儀計數(shù)直接讀出，L1 和L4 可通過卷尺測量得出。

圖1 X 向坐標(biāo)測量示意圖 圖2 Z 向坐標(biāo)測量示意圖

駕駛室總質(zhì)量：

根據(jù)力矩平衡可得：

即：

同理可得Z 向距離：

用靜平衡法測得駕駛室重量和距翻轉(zhuǎn)中心X、Z 向距離為：

表1 駕駛室重心相關(guān)數(shù)據(jù)

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算

3.1 整車總布置參數(shù)的確定輸入

整車總布置通過對發(fā)動機(jī)倉的校核，給定滿足發(fā)動機(jī)及其附件正常使用工況下發(fā)動機(jī)倉的邊界值，在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計計算中，主要需要翻轉(zhuǎn)中心和駕駛室船體支撐安裝平面距離車架上翼面的參數(shù)L1、L2，以及翻轉(zhuǎn)中心距離前輪中心線的參數(shù)L3，如圖3 所示。

圖3 發(fā)動機(jī)倉邊界尺寸

根據(jù)整車總布置對發(fā)動機(jī)倉校核，確定該款山區(qū)版車型滿足發(fā)動機(jī)及其附件正常使用工況下發(fā)動機(jī)倉邊界值，從中選取尺寸參數(shù)L1=160 mm，L2=240 mm，L3=-890 mm。

3.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)扭桿角度的設(shè)計

3.2.1 扭桿材料及加工工藝確定

由于60Si2Mn 彈簧鋼具有良好的彈性極限、強(qiáng)度極限、屈強(qiáng)比、疲勞強(qiáng)度，具有一定的淬透性和較高的抗彈減震性能，因此60Si2Mn 為現(xiàn)行使用最廣泛的扭桿彈簧鋼，本次設(shè)計中的扭桿材料亦選用的60Si2Mn 彈簧鋼，一般取扭桿的剪切彈性模量一般取G＝7.6×104MPa，許用應(yīng)力[τ]＝1000- 1250MPa，來滿足山區(qū)路況沖擊應(yīng)力的要求。

3.2.2 最大翻轉(zhuǎn)角度及扭桿工作角度確定

扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角確定方法為：

（1）首先確定駕駛室的最大翻轉(zhuǎn)角，原則是駕駛室翻到最大角時，駕駛室的重心垂線與翻轉(zhuǎn)中心垂線基本重合或略超過翻轉(zhuǎn)中心垂線。（2）扭桿的工作角大于駕駛室翻轉(zhuǎn)角的3°-8°，證駕駛室翻轉(zhuǎn)到被支撐桿撐住后仍具有前翻轉(zhuǎn)的趨勢，使支撐桿處在受拉狀態(tài)，防止駕駛室突然回落，確保駕駛室的翻轉(zhuǎn)安全。（3）駕駛室解除鎖止機(jī)構(gòu)后，保證駕駛室翻轉(zhuǎn)到0°-5°內(nèi)處于懸浮狀態(tài)，即扭桿的扭力矩與駕駛室重力矩達(dá)到平衡，這樣駕駛室在解除鎖止時，不會突然彈起或用較大的推力將其翻轉(zhuǎn)。

（4）扭桿的最大工作扭轉(zhuǎn)角不得大于其極限扭轉(zhuǎn)角。

圖4 翻轉(zhuǎn)角度力矩示意圖

如圖4 所示，設(shè)定順時針方向為正方向，則駕駛室翻轉(zhuǎn)到最大角度時：

駕駛室的重心垂線與翻轉(zhuǎn)中心垂線基本重合，則：

將駕駛室的重心位置坐標(biāo)代入：

其中：X、Z——分別為翻轉(zhuǎn)中心到駕駛室重心距離（m）；α——最大翻轉(zhuǎn)角度（°）；β——為駕駛室質(zhì)心角（°）；

駕駛室重心與翻轉(zhuǎn)中心X、Z 向距離已經(jīng)在測量駕駛室重心位置坐標(biāo)時計算出，求解公式（5）得β=46°，將β代入公式（6）α＝44°，此時，駕駛室的重心垂線與翻轉(zhuǎn)中心垂線基本重合，即駕駛室最大翻轉(zhuǎn)角度定為44°。

扭桿的工作角度定為50°，駕駛室翻轉(zhuǎn)后被撐桿撐住，在負(fù)值重力矩、扭桿的剩余扭力矩的作用下，仍具有前翻轉(zhuǎn)的趨勢，使支撐桿處在受拉狀態(tài)。防止駕駛室突然回落，確保駕駛室的翻轉(zhuǎn)安全。

3.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)扭桿臂總成設(shè)計

圖5 扭桿臂結(jié)構(gòu)原理示意圖

扭桿臂總成由扭桿軸套和扭桿臂構(gòu)成。扭桿軸套通過內(nèi)花鍵與扭桿進(jìn)行配合，扭桿臂通過螺栓固定在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)右前支撐上，使扭桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形量。其中角度φ為扭桿臂的安裝角度，由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)右前支撐支架上的扭桿臂安裝孔決定；α為駕駛室最大翻轉(zhuǎn)角度；γ為扭桿軸套上I 齒的標(biāo)記角度，其三者的關(guān)系為：

通過測量得到φ=5°，駕駛室最大翻轉(zhuǎn)角度已經(jīng)求的為α=44°，則代入公式（7）中可得出扭桿軸套上I 齒的標(biāo)記角度為γ=49°。

3.4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前、后支撐支架總成設(shè)計

根據(jù)發(fā)動機(jī)倉邊界值，翻轉(zhuǎn)中心高度L1=160 mm，船體安裝高度L2=240mm，翻轉(zhuǎn)中心距前輪中心線的距離L3=-890 mm。為滿足山區(qū)路況沖擊應(yīng)力的要求，前支撐支架總成選擇的是強(qiáng)度較高的QT450-10 GB1348，鑄件平均厚度為12 mm；后支撐支架總成選擇的是強(qiáng)度較高的510L-4 GB3273，沖壓件平均厚度為4.5mm。設(shè)計參數(shù)和性能參數(shù)均高于通用型翻轉(zhuǎn)。

3.5 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)撐桿總成設(shè)計

圖6 撐桿設(shè)計原理示意圖

其中角度α為駕駛室最大翻轉(zhuǎn)角度；點O 為翻轉(zhuǎn)中心，點B 為翻轉(zhuǎn)撐桿在駕駛室地板縱梁上的安裝點，點C 為翻轉(zhuǎn)撐桿在車架上的安裝點。通過作圖法，求的駕駛室翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到最大時，翻轉(zhuǎn)撐桿在駕駛室地板縱梁上的安裝點A，連接點A 和點C，則線段AC 的長度即為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)撐桿的長度，實際求的撐桿的長度為416mm。

4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輔助力校核計算

通過對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輔助力校核計算，可以確定設(shè)計的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成是滿足駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中輔助力的要求。

圖7 翻轉(zhuǎn)角度力矩示意圖

設(shè)順時針方向為正方向，扭桿的剛度為k，駕駛室的質(zhì)量為G1，α為駕駛室最大翻轉(zhuǎn)角度，β為駕駛室質(zhì)心角，駕駛室翻轉(zhuǎn)時人的輔助力矩為Tf，不考慮回轉(zhuǎn)副的摩擦阻力，當(dāng)駕駛室翻轉(zhuǎn)θ角時，扭桿的扭力矩為：

駕駛室產(chǎn)生的重力矩為：

人的輔助力矩為：

其中，L 為翻轉(zhuǎn)中心到翻轉(zhuǎn)手柄的距離，可由數(shù)模測得。

則在整個翻轉(zhuǎn)過程中始終保持：

通過上面計算可以看出，駕駛室在初始位置時，重力矩小于扭力矩，則不需借助外力，在扭桿力作用下即可自行翻轉(zhuǎn)，當(dāng)駕駛室翻轉(zhuǎn)角大于θ'后，則對駕駛室施加一定的推力可使駕駛室翻轉(zhuǎn)。

由公式解得，不同翻轉(zhuǎn)角度下，施加的輔助力如下表所示：

表2 翻轉(zhuǎn)過程中輔助力列表

由上表可得，設(shè)計的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在打開鎖緊機(jī)構(gòu)后，可以在0°-5°之內(nèi)懸浮，在整個翻轉(zhuǎn)過程中施加的輔助力最大為93N，考慮到摩擦阻力，實際翻轉(zhuǎn)時，輔助力在120N 左右，滿足使用要求。

5 結(jié)論

本論文通過某款山區(qū)版載貨汽車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計算設(shè)計，描述了平頭載貨汽車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計算設(shè)計方法，同時設(shè)計的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)較現(xiàn)有通用車型的強(qiáng)度有了很好的提高，能夠很好 的適應(yīng)山區(qū)的惡劣路況，消除了使用安全隱患，保障了駕駛員和乘員安全。