扭桿彈簧在軍車逃生窗蓋上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王占魁

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710000）

前言

某型裝甲運(yùn)兵車頂蓋逃生窗蓋（見圖 1）由于其采用防彈厚鋼板，質(zhì)量大，開啟時(shí)如果僅靠人力，非常費(fèi)力，開啟困難，關(guān)閉時(shí)因其質(zhì)量大靠自重繞鉸鏈自由下落，沖擊力過大很危險(xiǎn)，為解決此問題，該逃生窗蓋的翻轉(zhuǎn)軸采用扭桿彈簧助力，扭桿彈簧相對于其他種類的彈性元件具有儲能高、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和維護(hù)簡單等特點(diǎn)，有較高的疲勞壽命，被廣泛應(yīng)用于各種特種車輛的懸掛裝置和逃生窗蓋翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)中。汽車上用的扭桿彈簧按其扭桿的斷面形狀分為圓形、管形、片狀及組合式等幾種。其中圓形斷面的扭桿單位質(zhì)量所能儲存的能量比其他斷面的都大，是重量最輕的彈簧，所以使用得最多，因此該車逃生窗蓋所用扭桿也采用圓形斷面。扭桿剛度和預(yù)扭角的大小直接影響到逃生窗蓋開啟與關(guān)閉的力平衡效果，如果扭桿剛度偏大、預(yù)扭角偏小。在解除鎖止機(jī)構(gòu)時(shí)，逃生窗蓋會突然彈起，而翻轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)會出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)沉重等現(xiàn)象。因此對扭桿的剛度和性能要求十分嚴(yán)格。

圖1 某型裝甲運(yùn)兵車逃生窗蓋扭桿應(yīng)用示意圖

本文通過精確測量逃生窗蓋輸入?yún)?shù)，根據(jù)逃生窗蓋參數(shù)與翻轉(zhuǎn)中心、扭桿中心之間的關(guān)系，并根據(jù)空間選擇合適的扭桿長度，建立逃生窗蓋物理模型，輸入初始參數(shù)，與翻轉(zhuǎn)進(jìn)行匹配性設(shè)計(jì)。

1 逃生窗蓋翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理

逃生窗蓋為鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)，即逃生窗蓋還未翻轉(zhuǎn)狀態(tài)（如圖2a所示）。扭桿的扭轉(zhuǎn)角為最大，扭桿的扭矩最大，同時(shí)逃生窗蓋的重力矩最大，但扭桿的扭矩大于逃生窗蓋的重力矩；當(dāng)鎖止?fàn)顟B(tài)解除后，在扭桿的扭矩作用下，逃生窗蓋自動(dòng)向前翻轉(zhuǎn)到一個(gè)角度后靜止（扭桿的扭矩大于逃生窗蓋重力矩），此時(shí)逃生窗蓋翻轉(zhuǎn)角α較小，且扭桿的扭矩等于逃生窗蓋的重力矩；當(dāng)使用者握著逃生窗蓋把手施加向上的操作力時(shí)，逃生窗蓋開始向前翻轉(zhuǎn)，扭桿的能量緩慢釋放，逃生窗蓋的重力矩不斷減小，翻轉(zhuǎn)的速度逐漸減慢；當(dāng)翻轉(zhuǎn)到最大位置時(shí)（見圖 3b），此時(shí)重力矩幾乎為零，逃生窗蓋上自帶的圓頭柱子便在彈簧力作用下劃入限位座上的孔中限位座便將逃生窗蓋固定，扭桿的剩余扭力使限位器處于受狀態(tài)。當(dāng)放下逃生窗蓋時(shí)，首先需要靠人力掰動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄使圓頭柱子縮出限位座上的孔，逃生窗蓋利用自身的重力下落，其重力矩逐漸增大，通過旋轉(zhuǎn)支架對扭桿的作用使得扭桿的扭轉(zhuǎn)角逐漸增大，扭矩不斷增大，同樣，扭矩的增大克服重力矩，使駕駛的回落速度逐漸減小，一直到翻轉(zhuǎn)角α較小時(shí)懸浮靜止，此時(shí)需要操作者施加一定外力，向下拉動(dòng)逃生窗蓋即可鎖住。

圖2 扭桿助力逃生窗蓋結(jié)構(gòu)圖

圖3 逃生窗翻轉(zhuǎn)各力矩作用關(guān)系圖

2 扭桿匹配設(shè)計(jì)

2.1 逃生窗蓋質(zhì)心位置的確定

通過proE軟件測量模塊，輸入密度7.85g/cm3（鋼），測出逃生窗蓋質(zhì)量m=39.7kg，重心坐標(biāo)，建立如圖1-2坐標(biāo)，X=395 mm Y=305 mm，a=557.5mm，b=305mm。

2.2 扭桿的材料的選用

扭桿材料一般選擇諸如新45號鋼，60Si2MnA，60號，65Mn等彈簧鋼，軍用車的扭桿，如坦克等軍用越野車輛的扭桿可選用45CrNiMoVA等優(yōu)質(zhì)合金彈簧鋼[20]。逃生窗蓋翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的扭桿材料要求的特性如下：

（1）熱處理淬透性要優(yōu)良，這是保證扭桿淬硬層深的需要；

（2）具有穩(wěn)定的化學(xué)成分及力學(xué)性能?；瘜W(xué)成分和力學(xué)性能會對扭桿的工藝過程，如熱處理、預(yù)扭等產(chǎn)生影響，從而影響扭桿的質(zhì)量、性能及使用壽命。為了降低成本，同時(shí)滿足工業(yè)需求，該設(shè)計(jì)中扭桿材料選擇60Si2MnA，60Si2MnA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，一定的淬透性和較高的抗彈減性能，脫碳傾向小，回火穩(wěn)定性良好，熱加工性能好、成本低，為現(xiàn)在卡車廣泛使用的扭桿彈簧鋼。60Si2MnA的材料成分如表1所示：

表1 60Si2MA的材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

60Si2MnA的屬性如表2所示 ：

表2 60Si2MnAd的屬性值

2.3 扭桿長度和工作扭轉(zhuǎn)角的確定

扭桿的長度根據(jù)逃生窗蓋總寬度確定。逃生窗蓋設(shè)計(jì)固定端支座和旋轉(zhuǎn)端支座兩最遠(yuǎn)端面間距離。確定扭桿長度L=1092mm。

扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角與逃生窗蓋的翻轉(zhuǎn)角有關(guān)系：首先確定逃生窗蓋的最大翻轉(zhuǎn)角：據(jù)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)原理，逃生窗蓋最大翻轉(zhuǎn)角即是逃生窗蓋翻轉(zhuǎn)重心垂線等于逃生窗蓋翻轉(zhuǎn)中心時(shí)的翻轉(zhuǎn)角；即如圖4中所示的α角90°。為了保證逃生窗蓋翻轉(zhuǎn)的安全性，使駕駛室在翻轉(zhuǎn)到最大角時(shí)，扭桿應(yīng)有適當(dāng)?shù)呐ちΡＷC圓頭柱子滑入限位座孔里，確保逃生窗蓋不會突然回落。扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角應(yīng)大于逃生窗蓋的最大翻轉(zhuǎn)角 6°左右。另外為了保證扭桿的正常工作，扭桿的工作扭桿角要小于其極限扭轉(zhuǎn)角，該型逃生窗蓋的扭桿工作扭轉(zhuǎn)角定為96°。

2.4 扭桿設(shè)計(jì)剛度的計(jì)算

圖3所示為逃生窗翻轉(zhuǎn)角α?xí)r的狀態(tài)圖，此時(shí)重力矩為：

式中，T1——逃生窗所受重力矩（N·mm），

α——駕駛室的翻轉(zhuǎn)角度（°），

b——逃生窗質(zhì)心到翻轉(zhuǎn)中心的距離（mm），

G——逃生窗重力(N)。

另一方面根據(jù)材料力學(xué)，對圓形截面的扭桿有 ：

式中，φ——扭桿的扭轉(zhuǎn)角（°），

M——扭桿的扭矩（N·mm），

Le——扭桿的有效長度(mm)，

d——扭桿的直徑(mm)，

G——材料的剪切模量(MPa)

可得

式中，k——扭桿的剛度(N·mm/deg)。

逃生窗蓋在鎖止結(jié)構(gòu)打開后，確保翻轉(zhuǎn)角度為 3°左右時(shí)，逃生窗蓋的重力矩等于扭桿的扭矩，此時(shí)逃生窗蓋處于懸浮靜止?fàn)顟B(tài)，這樣逃生窗蓋不會突然彈起，同時(shí)也不需要用很大的力來將其翻轉(zhuǎn)，增加了駕駛室翻轉(zhuǎn)的輕便性和安全性，在該點(diǎn)處有：

T1=M即；預(yù)扭角 φ=96°，α=3°，b=305 mm，G =397N據(jù)此可以求得扭桿的設(shè)計(jì)剛度為 k= 1299.4 N·mm/deg。

2.5 扭桿結(jié)構(gòu)尺寸的確定

在逃生窗蓋翻轉(zhuǎn)過程中，逃生窗蓋重力對翻轉(zhuǎn)中心形成的重力矩和扭桿力矩與翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖4 重力矩和扭桿力與翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線

圖4中：

T1——駕駛室的重力矩，N·mm；

M——扭桿作用于翻轉(zhuǎn)中心的力矩，N·mm；

Ta——扭桿預(yù)扭狀態(tài)對翻轉(zhuǎn)中心的力矩，N·mm。

圖5 扭桿彈簧結(jié)構(gòu)尺寸

該型車扭桿的總長度為 10920mm，兩端花鍵長度為40mm，則扭桿的有效工作長度近似為1000mm。根據(jù)扭桿的設(shè)計(jì)剛度，可以算出扭桿直徑的理論值。該車中扭桿的材料60Si2MnA，60Si2MnA的彈性模量為2.06E+11Pa，泊松比為0.29，求得切變模量G。由于扭桿的剛度為：

解得d=9.97mm，微調(diào)數(shù)據(jù)后初定直徑為10mm。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]中所述經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出扭桿彈簧其余尺寸后得出結(jié)構(gòu)及尺寸如圖5。

2.6 扭桿的參數(shù)校核

以60Si2MnA為例對扭桿進(jìn)行校驗(yàn)，60SiMnA的許用應(yīng)力為=1000～1250MPa：扭桿工作時(shí)最大表面應(yīng)力為：

扭桿的最大允許扭轉(zhuǎn)角為：

扭桿的設(shè)計(jì)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 逃生窗操作力計(jì)算及人機(jī)工程學(xué)分析

設(shè)人需要施加的操作力為T，設(shè)T= T1-M，其中T1和M是α的函數(shù)，在MATLAB中計(jì)算即可知T隨自變量α的變化情況（圖 3），結(jié)合圖 2-1可知最高點(diǎn)縱坐標(biāo)值即為上推翻轉(zhuǎn)至 38°時(shí)需要施加的最大推力力矩，已知，；最小值縱坐標(biāo)為解除限位裝置，下拉逃生窗蓋所需最大操作力矩，同理。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]人體站立姿勢時(shí)，手臂伸展在0°位置時(shí)，最大推力為體重的130%，最大拉力為體重的100%，假設(shè)操作者為一成年男性，體重為60kg即重力為600N，顯然符合人機(jī)工程學(xué)要求。

圖6 操作力矩隨翻轉(zhuǎn)角度變化曲線

4 結(jié)論

本文首先對逃生窗蓋助力扭桿進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算， 輸入逃生窗蓋測量參數(shù)，選擇合適的扭桿長度，匹配出合理的扭桿設(shè)計(jì)方案；通過Matlab軟件計(jì)算了操作者需要在上翻和下翻逃生窗蓋時(shí)需要施加的最大力；結(jié)果完全符合人機(jī)工程學(xué)，獲得舒適的操縱力矩。提供了一種新的扭桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)匹配性設(shè)計(jì)。