某長頭重卡前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)助力方案設(shè)計研究

項冬東，王佩，王亞旭

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

前言

GB1589-2016 對長頭鉸接列車長度比平頭車放寬1m，使長頭車運力與平頭車相當(dāng)，長頭車市場將迎來爆發(fā)式增長。行業(yè)眾多主機(jī)廠均完成產(chǎn)品開發(fā)并實現(xiàn)銷售，長頭車將成為行業(yè)又一重點競爭領(lǐng)域。

長頭車具有動力性好、燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)突出、日常維修方便、安全性好、駕駛室噪音小、上下車方便、休息舒適佳等諸多優(yōu)點。

長頭重卡的這一系列優(yōu)點是由于自身的特殊車身結(jié)構(gòu)鑄就的，其駕駛室，一般分為前機(jī)艙蓋、駕駛艙、臥鋪艙三部分；駕駛艙和臥鋪艙通過懸置固定于車架腹面上，不可翻轉(zhuǎn)。發(fā)動機(jī)、空濾、冷卻水箱等部件放置于駕駛艙前部，前機(jī)艙蓋之下。由于發(fā)動機(jī)前置，長頭重卡發(fā)動機(jī)的維修保養(yǎng)不同于平頭重卡，不需要將駕駛室翻轉(zhuǎn)一定的角度，駕駛室可做成固定式，省去平頭車的駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。出于維修保養(yǎng)便利性方面考慮，前機(jī)艙蓋需可打開，打開后就可對發(fā)動機(jī)及附件進(jìn)行日常的維修保養(yǎng)。

前機(jī)艙蓋為了降低自重通常選用PDCPD 復(fù)合材料，自重約為95Kg，內(nèi)藏式開啟把手位于進(jìn)氣格柵上方，對于一般成年人，僅僅通過開啟把手打開前機(jī)艙蓋，由于其力臂小，會特別吃力，這將大大影響維修保養(yǎng)效率及增加客戶抱怨。

設(shè)計一種前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)助力機(jī)構(gòu)，匹配開啟把手使用顯得尤為重要，其應(yīng)滿足開啟手力小、占用空間小、機(jī)構(gòu)簡單、可靠性高等要求。

1 方案確定

1.1 翻轉(zhuǎn)方向確定

長頭重卡獨特的發(fā)動機(jī)前置的布置特點決定了日常的維修保養(yǎng)時，前機(jī)艙蓋可打開。目前，前機(jī)艙蓋的主要打開方式有兩種，向前打開的前翻和向后打開的后翻。車輛行駛方向為向前，反之為向后，下同。一般轎車為前置發(fā)動機(jī)布置，其前機(jī)艙蓋的打開方式為后翻，其特點為可翻起部分體積小，不影響相關(guān)系統(tǒng)。目前市場上主流長頭重卡的打開方式為前翻，其特點為前機(jī)艙蓋總成整體翻轉(zhuǎn)，包含前大燈、進(jìn)氣格柵、空濾進(jìn)氣道等，對相關(guān)系統(tǒng)有所影響，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)著重考慮其帶來的影響。

圖2 長頭重卡前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)

此外，早期的長頭卡車前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)也有使用后翻的，比如俄羅斯的利哈喬夫汽車制造廠生產(chǎn)的吉爾131 軍用卡車，其翻轉(zhuǎn)型式與乘用車前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)類似。全鋼制保險杠的尺寸比一般卡車的要寬很多，保險杠到進(jìn)氣格柵之間是一塊面積不大的防滑工作平臺用以維修人員檢修車輛發(fā)動機(jī)。保險杠的左下部還裝有上車踏板，方便維修人員上下。

圖3 吉爾131 卡車

圖4 吉爾131 卡車前機(jī)艙蓋細(xì)節(jié)

打開吉爾131 軍用卡車的前機(jī)艙蓋發(fā)現(xiàn)其采用四連桿機(jī)構(gòu)達(dá)到前機(jī)艙蓋的翻轉(zhuǎn)和支撐。

圖5 吉爾131 卡車前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)

前機(jī)艙蓋后翻對于發(fā)動機(jī)的維修保養(yǎng)不便，且寬大的保險杠造型及預(yù)留的工作平臺略顯丑陋，已經(jīng)不符合現(xiàn)代長頭車駕駛室的流行趨勢了。

研究分析前機(jī)艙蓋打開方式的優(yōu)劣勢及對標(biāo)國內(nèi)外長頭車，最終確定前機(jī)艙蓋打開方式為前翻。

表1 國內(nèi)外主流長頭重卡前機(jī)艙蓋打開方式

圖6 機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)示意

1.2 翻轉(zhuǎn)型式確定

前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)與駕駛室翻轉(zhuǎn)有類似之處，其翻轉(zhuǎn)型式的確定可以類比平頭商用車駕駛室翻轉(zhuǎn)的方法確定。平頭商用車駕駛室翻轉(zhuǎn)型式根據(jù)噸位的不同結(jié)構(gòu)型式也有所不同。不同噸位的平頭商用車，其駕駛室自重不同，要想對其發(fā)動機(jī)進(jìn)行維修保養(yǎng)，需將駕駛室翻轉(zhuǎn)一定的角度，就需采用不同的駕駛室翻轉(zhuǎn)助力機(jī)構(gòu)。

中、重型商用車駕駛室自重動輒600~1000Kg，單純使用人力無法將其翻轉(zhuǎn)，必須借用外力，其翻轉(zhuǎn)一般采用液壓助力式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，根據(jù)操作型式大體可分為手動操作液壓助力翻轉(zhuǎn)和電動控制液壓助力翻轉(zhuǎn)兩種，手動翻轉(zhuǎn)由液壓油泵、液壓油缸、油泵支架、油缸支架、翻轉(zhuǎn)銷軸等組成，電動翻轉(zhuǎn)在手動翻轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上增加電機(jī)和電動油泵。一般均為單油缸翻轉(zhuǎn)助力型式。

圖7 手動翻轉(zhuǎn)示意

圖8 電動翻轉(zhuǎn)示意

輕型平頭商用車駕駛室自重一般為300~500Kg，人力亦無法將其翻轉(zhuǎn)，仍需借用翻轉(zhuǎn)助力機(jī)構(gòu)。其一般采用機(jī)械式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，機(jī)械式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)又分為單扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和雙扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。駕駛室自重較大的一般采取助力效果好的雙扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，自重較輕的一般使用單扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的核心部件是為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供動力的扭桿彈簧。

圖9 單扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意

圖10 雙扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意

除去以上幾種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外，目前高端乘用車使用的電動尾門機(jī)構(gòu)也值得考慮借鑒。汽車應(yīng)用的尾門電動機(jī)構(gòu)主要分為兩種類型，一種為電動撐桿式，該結(jié)構(gòu)型式用電動推桿取代尾門液壓挺桿，直接布置在車身流水槽內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、外觀美觀、不占用側(cè)圍空間的特點，多應(yīng)用于高端車型，但價格較為昂貴。其采用的執(zhí)行元件為電動推桿，推桿力及推桿行程有限，僅僅適用于尾門自重較輕及活動范圍小的車型。另一種為擺臂連桿式，其在基型車的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，其保留尾門液壓挺桿，通過在車身側(cè)圍上安裝電動擺臂連桿，同液壓挺桿共同作用實現(xiàn)尾門開閉運動，該結(jié)構(gòu)型式占用一定的側(cè)圍空間，美觀程度較電動撐桿差且自重大。從設(shè)計角度出發(fā)，由于前機(jī)艙蓋自重不大，其可設(shè)計成兩種主流的電動尾門機(jī)構(gòu)中的任意一種。

圖11 電動尾門結(jié)構(gòu)示意

現(xiàn)從翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)助力值、布置空間、機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度、操作便利程度、可靠性、成本等六個維度進(jìn)行對比分析，長頭重卡前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)最終選取單扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

表2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)特點多維度對比

1.3 翻轉(zhuǎn)方案概述

機(jī)械式翻轉(zhuǎn)助力機(jī)構(gòu)通過前機(jī)艙蓋的重力積蓄一部分應(yīng)變能量，在其開啟時，可抵消引擎蓋大部分重量，有效降低司機(jī)開啟手力。其不需要特定的動力源，整體機(jī)構(gòu)節(jié)能環(huán)保，性能可靠，提高維修時效，有利于提高客戶對企業(yè)品牌的忠誠度。

單扭桿式翻轉(zhuǎn)助力機(jī)構(gòu)，核心部件為扭桿，扭桿是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為變形能，再將變形能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的儲能元件，具有很好的緩沖效果，而且體積小、儲能大、易加工。方案的技術(shù)路線為利用扭桿的扭轉(zhuǎn)力矩克服前機(jī)艙蓋的重力來實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。單扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)中心與扭桿中心及與扭桿套筒中心重合，其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)既具有翻轉(zhuǎn)功能，還具有支撐、減震的功能。

圖12 單扭桿式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意

長頭重卡翻轉(zhuǎn)助力方案要解決的關(guān)鍵問題為：一、前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)角度確定，由此確定扭桿的扭轉(zhuǎn)角；二、解決扭桿的扭矩與前機(jī)艙蓋的重力矩的對應(yīng)關(guān)系問題，使開啟時省力，關(guān)閉時不費力，車輛行駛過程中對翻轉(zhuǎn)支座、鎖扣的影響較小。

本文從減輕司機(jī)維修保養(yǎng)強(qiáng)度角度出發(fā)，采用機(jī)械式翻轉(zhuǎn)助力機(jī)構(gòu)，巧妙解決前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)沉重，下落較快，過度翻轉(zhuǎn)等問題，使產(chǎn)品更具競爭力。對于前機(jī)艙蓋的鎖止及限位機(jī)構(gòu)由于篇幅原因在本文不做敘述。

2 翻轉(zhuǎn)助力方案設(shè)計

2.1 翻轉(zhuǎn)助力原理

前機(jī)艙蓋為鎖止?fàn)顟B(tài)時，即前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)角度為0°的時候，扭桿的扭轉(zhuǎn)角為最大，扭桿的扭矩儲備最大，前機(jī)艙蓋的重力矩最大，但扭桿的扭矩大于前機(jī)艙蓋的重力矩；當(dāng)鎖止?fàn)顟B(tài)解除后，由于扭桿的扭矩大于前機(jī)艙蓋重力矩，在扭桿的扭矩作用下，前機(jī)艙蓋自動向前翻轉(zhuǎn)到一個角度后靜止，如圖13 所示，此時前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)角α較小，扭桿的扭矩與前機(jī)艙蓋的重力矩相等，力矩達(dá)到平衡狀態(tài)；當(dāng)人為在前機(jī)艙蓋的開啟把手上施加向上的較小拉力時，前機(jī)艙蓋開始向前翻轉(zhuǎn)，扭桿儲備的扭轉(zhuǎn)能量緩慢釋放，前機(jī)艙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，即前機(jī)艙蓋的重心略微超過翻轉(zhuǎn)中心垂線，此時重力矩幾乎為零，此時用手輕輕上拉前機(jī)艙蓋開啟把手，依靠限位器將前機(jī)艙蓋固定，扭桿的殘余扭矩使限位器處于受拉狀態(tài)。

當(dāng)需要放下前機(jī)艙蓋時，限位器解除，前機(jī)艙蓋利用自身的重力下落，其重力矩逐漸增大，通過翻轉(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，使前機(jī)艙蓋的回落速度逐漸減小，一直到翻轉(zhuǎn)角α較小時懸浮靜止，此時略加外力，向下拉動前機(jī)艙蓋即可將前機(jī)艙蓋復(fù)位。此種回位方式即可解決前機(jī)艙蓋下落過快的問題。

圖13 前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)狀態(tài)示意

2.2 翻轉(zhuǎn)角度確定

前機(jī)艙蓋最大翻轉(zhuǎn)角度的確定主要受兩方面因素的影響，影響一為前機(jī)艙蓋中心與翻轉(zhuǎn)中心的關(guān)系，影響二為動力系統(tǒng)及附件的維修保養(yǎng)的便利性。

扭桿的長度根據(jù)車架縱梁及翻轉(zhuǎn)支架就可以確定，經(jīng)測量其扭桿長度L=1052mm。扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角與前機(jī)艙蓋的翻轉(zhuǎn)角有關(guān)系：首先確定前機(jī)艙蓋的最大翻轉(zhuǎn)角：據(jù)前機(jī)艙蓋的翻轉(zhuǎn)原理，前機(jī)艙蓋的最大翻轉(zhuǎn)角即是前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)到前機(jī)艙蓋的重心垂線略微超過前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)中心時的翻轉(zhuǎn)角；前機(jī)艙蓋的質(zhì)心角θ，前機(jī)艙蓋的最大翻轉(zhuǎn)角為90°-θ（θ=arctan（H/L），H、L 分別為前機(jī)艙蓋在鎖止?fàn)顟B(tài)時前機(jī)艙蓋重心距翻轉(zhuǎn)中心的水平和垂直距離），據(jù)此可確定前機(jī)艙蓋的最大翻轉(zhuǎn)角為65°。即前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)65°時，翻轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（-1096，-2，270），前機(jī)艙蓋的重心坐標(biāo)為（-1109,0.15,802），其零點為整車坐標(biāo)系，其滿足前機(jī)艙蓋的重心垂線略微超過前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)中心的要求。

其次為了保證前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)的安全性，使前機(jī)艙蓋在翻轉(zhuǎn)到最大角時，扭桿還有適當(dāng)?shù)呐ちΓＷC限位器處于一個受拉的狀態(tài)，這樣可以確保前機(jī)艙蓋不會突然回落，保證了前機(jī)艙蓋開啟后的安全性。扭桿的工作扭轉(zhuǎn)角應(yīng)大于前機(jī)艙蓋的最大翻轉(zhuǎn)角3°左右。同時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。

長頭重卡日常的維修保養(yǎng)，比如更換空氣濾芯、空調(diào)濾芯，檢查機(jī)油容量、加注冷卻液、轉(zhuǎn)向液壓油、機(jī)油、離合器制動液，維修燈具等，都和前機(jī)艙蓋的翻轉(zhuǎn)角度息息相關(guān)。翻轉(zhuǎn)角度越大，維修便利性越好，人機(jī)工程性越優(yōu)。在前機(jī)艙蓋的翻轉(zhuǎn)角度為65°的情況下，其可滿足發(fā)動機(jī)的拆裝及長頭重卡的日常維修保養(yǎng)，使長頭重卡維修保養(yǎng)的可接近性更好。

圖14 維修保養(yǎng)人機(jī)工程示意

2.3 翻轉(zhuǎn)助力方案大體結(jié)構(gòu)確定

長頭重卡前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)助力機(jī)構(gòu)主要由左、右前懸置支架1、8，左、右翻轉(zhuǎn)支架4、6，扭桿力臂7，扭桿2，扭桿套筒5，橡膠減震墊3 組成。左、右翻轉(zhuǎn)支架固定在前機(jī)艙蓋進(jìn)氣格柵框架上，左、右前懸置支架與車架前接梁集成固定在卡車左、右縱梁腹面上，扭桿力臂固定在右前懸置支架上，扭桿與扭桿套筒及扭桿與扭桿力臂之間均通過花鍵來聯(lián)接，扭桿套筒和前懸置支架通過橡膠減震墊填充，達(dá)到減震降噪的作用。

圖15 長頭重卡前機(jī)艙蓋翻轉(zhuǎn)助力方案

圖16 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)局部（左）

圖17 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)局部（右）

3 結(jié)束語

通過對翻轉(zhuǎn)助力機(jī)構(gòu)進(jìn)行多方案論證，在有限的布置空間內(nèi)，為長頭重卡設(shè)計了合適的翻轉(zhuǎn)助力方案。整個翻轉(zhuǎn)助力方案開啟手力小、安全，符合人機(jī)工程學(xué)原理，達(dá)到了預(yù)期的方案研究目標(biāo)。