車載雙屏顯控器翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

苗仲海，馬云飛，顧順祥

（蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151）

某型特種車輛需要在副駕駛儀表臺(tái)上設(shè)置兩臺(tái)顯控器，使用時(shí)，乘員操作主屏，輔屏為擴(kuò)展顯示器，與主屏一樣，需要有合理的觀察視角?？紤]到駕駛艙的空間有限，所以將主、輔屏設(shè)計(jì)成上下分布。使用時(shí)，輔屏可向上展開(kāi)，在0～ e 區(qū)間內(nèi)翻轉(zhuǎn)和懸停，達(dá)到最佳觀察角度時(shí)鎖定位置，可以承受垂直、縱向、軸向三個(gè)方向的振動(dòng)而不發(fā)生位移。使用結(jié)束后輔屏可向下閉合，不影響乘員觀察車外環(huán)境。輔屏的展開(kāi)、閉合操作應(yīng)盡可能簡(jiǎn)便，避免煩瑣的操作。因此，本文設(shè)計(jì)使用高強(qiáng)度扭矩鉸鏈實(shí)現(xiàn)輔屏翻轉(zhuǎn)和懸停，使用復(fù)位型分度銷來(lái)實(shí)現(xiàn)固定角度自動(dòng)鎖死功能。使用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA 進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)定鎖死角度為172°，試驗(yàn)件按GJB150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》第16 部分進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)固定機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)便，功能可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 器件選型設(shè)計(jì)

基于對(duì)功能需求的分析，設(shè)計(jì)使用高強(qiáng)度扭矩鉸鏈和分度銷兩種核心部件。扭矩鉸鏈用于實(shí)現(xiàn)輔屏翻轉(zhuǎn)并隨意懸停的功能，分度銷配合固定座使用，用于實(shí)現(xiàn)輔屏位置自動(dòng)鎖定。

1.1 扭矩鉸鏈選型

1.1.1 扭矩鉸鏈介紹

扭矩鉸鏈?zhǔn)倾q鏈的一種，由固定部件、安裝部件、彈簧部件等組成。原理是在鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)副上施加一定的預(yù)緊力，轉(zhuǎn)動(dòng)副所連接的兩個(gè)主體發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，產(chǎn)生和預(yù)緊力成正比的摩擦力。

扭矩鉸鏈的分類，按材質(zhì)，主要有不銹鋼、塑料扭矩鉸鏈；按鉸鏈安裝方式，可以分為因定式，脫卸式；按功能分為：一段力、二段力、阻尼緩沖；按扭矩大小是否可調(diào)，分為可調(diào)和不可調(diào)扭矩鉸鏈。

1.1.2 扭矩鉸鏈選型原則

扭矩鉸鏈選型要兼顧功能需求、安裝方式、使用環(huán)境等。該項(xiàng)目所使用的雙屏顯示器，輔屏重量約為7kg，翻轉(zhuǎn)角度從豎直方向 e ～ e ，扭矩鉸鏈要承擔(dān)輔屏重力。要求所使用的扭矩鉸鏈具有較大的扭矩值，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生的摩擦力能承受輔屏的重力，且安裝臂要有一定的強(qiáng)度。產(chǎn)品使用環(huán)境為車內(nèi)，溫、濕度波動(dòng)范圍較大，因此，核心部件扭力彈性部件應(yīng)避免使用鐵質(zhì)等易腐蝕材料。因此，選用主體材質(zhì)為不銹鋼，彈性材質(zhì)為磷青銅等耐蝕性、耐磨性較好的產(chǎn)品。

1.1.3 扭矩計(jì)算

扭矩鉸鏈的扭矩值在輔屏翻轉(zhuǎn)過(guò)程中影響較大，扭矩過(guò)小，輔屏在翻轉(zhuǎn)時(shí)過(guò)于靈活，且無(wú)法隨意懸停；扭矩過(guò)大，翻轉(zhuǎn)時(shí)比較費(fèi)力，使用體驗(yàn)較差。所以，所選用的扭矩鉸鏈扭矩值應(yīng)略大于輔屏的扭矩值。

輔屏扭矩的計(jì)算方法按以下公式（示意見(jiàn)圖1）：

注：該公式中選取的輔屏重心為輔屏幾何中心，實(shí)際重心與幾何中心可能不重合。

圖1 輔屏扭矩計(jì)算示意

本設(shè)計(jì)中，輔屏的寬度為300mm，重量約為7kg。經(jīng)計(jì)算，輔屏的扭矩值為10.29N·M，考慮到扭矩鉸鏈實(shí)際扭矩值與額定扭矩的偏差為±20%，故預(yù)選用兩對(duì)4.5N·M 的扭矩鉸鏈。配合使用后額定扭矩值為18N·M。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，所選用鉸鏈實(shí)際使用效果良好。翻轉(zhuǎn)時(shí)，力度均勻適中，可以實(shí)現(xiàn)隨意懸停。

1.2 分度銷選型

1.2.1 分度銷介紹

分度銷，或稱旋鈕柱塞。簡(jiǎn)單可理解為應(yīng)用于類似分度盤(pán)結(jié)構(gòu)定位的銷子。分度銷的結(jié)構(gòu)由銷體、銷頭、把手，以及內(nèi)置彈簧組合而成。分度銷家族龐大，種類繁多。類型按照材料分主要有碳鋼（黑色氧化）、不銹鋼；按照使用特點(diǎn)分為復(fù)位型、自鎖型；按拉手型類型分，有拉環(huán)型、把手型；按銷頭形狀分有球頭、錐度、平頭等。

1.2.2 分度銷選型原則

分度銷的選擇首先考慮強(qiáng)度因素。分度頭的剪切強(qiáng)度直接關(guān)系到輔屏定位的可靠性。如選用不當(dāng)，分度銷使用時(shí)可能會(huì)變形、失效。在極端條件下可能造成分度銷折斷，輔屏繞扭矩鉸鏈軸心旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能造成乘員受傷。

其次，考慮到乘員操作使用方便，選擇帶把手復(fù)位型分度銷，復(fù)位型分度銷前端通常處于突出狀態(tài)，拉出把手時(shí)，前端銷頭收回。如果釋放把手，前端則會(huì)通過(guò)內(nèi)置彈簧力的作用而恢復(fù)突出狀態(tài)。這樣，當(dāng)輔屏翻轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定角度時(shí)，分度銷銷頭彈出，鎖定位置。使用結(jié)束后，乘員只需單手輕拉滾花手柄，即可解除輔屏鎖定，另一只手完成輔屏關(guān)閉。

考慮到使用效果，為使銷頭能順滑彈出，同時(shí)保證銷頭定位精度，使連接堅(jiān)固緊密，最終選用不銹鋼復(fù)位型帶把手球頭分度銷。

1.2.3 剪切力計(jì)算

輔屏在車輛啟?；蚣訙p速時(shí)，有繞扭矩鉸鏈軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，分度銷則阻礙這種轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)用力矩的定義：力矩M 是力（F）與力臂（L）的乘積。輔屏重心到扭矩鉸鏈中心軸的距離為動(dòng)力臂，分度銷中心軸到扭矩鉸鏈軸線的距離為阻力臂。按照GJB150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》，選取最大沖擊振動(dòng)量級(jí)20g 計(jì)算：

分度銷銷頭剪切應(yīng)力計(jì)算如下：

式中，m 為輔屏重量（kg）；a 為最大加速度，取沖擊時(shí)最大量級(jí)20g（運(yùn)輸環(huán)境振動(dòng)最大量級(jí)為2.2g）；18N·m為扭矩鉸鏈總額定扭矩；L（動(dòng)）為動(dòng)力臂；L（阻）為阻力臂；

304 不銹鋼材質(zhì)的抗拉應(yīng)力為515MPa，抗剪切應(yīng)力一般取抗拉應(yīng)力的0.6 ～0.8，選取安全系數(shù)為1.3。圓柱銷抗剪切力計(jì)算公式為F（剪）=τ（材料抗剪切應(yīng)力）×S（圓柱截面面積）。經(jīng)計(jì)算，分度銷銷頭直徑最小應(yīng)為4.28mm。本文選用的分度銷銷頭直徑為φ8，滿足需求。

2 自動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

扭矩鉸鏈和分度銷選型完成后，需要設(shè)計(jì)鎖定機(jī)構(gòu)。

2.1 工作模式分析

為了乘員能有較好的使用體驗(yàn)，避免多余操作，要求乘員可以直接向上翻轉(zhuǎn)輔屏到特定角度，分度銷銷頭即自動(dòng)彈出，鎖定輔屏角度。使用結(jié)束后，單手提拉分度銷手柄，即解除鎖定，另一只手完成輔屏閉合。

基于以上工作模式，翻轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)優(yōu)先采用單側(cè)鎖死的設(shè)計(jì)（如雙側(cè)使用，需選用自鎖型分度銷，操作較煩瑣）。另外，固定座的設(shè)計(jì)要能在打開(kāi)輔屏?xí)r自動(dòng)壓縮分度銷銷頭，而非乘員主動(dòng)拉出。輔屏閉合和打開(kāi)狀態(tài)見(jiàn)圖2。

2.2 分度銷固定座設(shè)計(jì)

分度銷固定座，安裝于主屏背面。當(dāng)輔屏打開(kāi)至特定角度后鎖定分度銷銷頭。固定座上設(shè)計(jì)有與分度銷銷頭直徑相當(dāng)?shù)目?，孔口倒圓，便于銷頭滑入。為實(shí)現(xiàn)輔屏打開(kāi)時(shí)無(wú)需乘員操作，銷頭自動(dòng)壓縮，在固定座上設(shè)計(jì)有一光滑斜面，輔屏翻轉(zhuǎn)時(shí)，銷頭由斜面一端滑向固定座中心。在此過(guò)程中，受斜面擠壓，銷頭由自然突出狀態(tài)被擠壓收回。到達(dá)固定座中心孔時(shí)，銷頭釋放，彈入孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)輔屏位置鎖定。固定座材料要求具有一定的硬度，使光滑斜面能承受銷頭反復(fù)滑動(dòng)而不發(fā)生磨損，斜面的粗糙度應(yīng)高于Ra1.6。上述分度銷固定座經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足輔屏自動(dòng)鎖定功能，有較為不錯(cuò)的使用體驗(yàn)。

圖2 輔屏閉合、打開(kāi)狀態(tài)

3 試驗(yàn)方案

對(duì)于車載裝備，裝備與運(yùn)輸車輛是作為一個(gè)柔性系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)的。這種情況下，可用實(shí)際運(yùn)輸車輛跑車來(lái)模擬運(yùn)輸條件。將本方案所使用試驗(yàn)件按裝備實(shí)際安裝方式固定在試驗(yàn)臺(tái)上。按GJB150.16A-2009 附錄A 中A.2.2.2 條的卡車任務(wù)/外場(chǎng)運(yùn)輸中組合輪式車輛的規(guī)定進(jìn)行功能振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)量級(jí)按輪式車輛振動(dòng)環(huán)境（如圖3）垂向最大2.20g，橫向1.62g，縱向2.05g，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間為每軸向60min，三軸向共計(jì)180min。試驗(yàn)中及試驗(yàn)后翻轉(zhuǎn)固定機(jī)構(gòu)均未出現(xiàn)變形及損傷等缺陷。

圖3 組合輪式車輛振動(dòng)環(huán)境（選自GJB150A）

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的車載雙屏顯控器翻轉(zhuǎn)與固定機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)輔屏翻轉(zhuǎn)懸停和固定角度鎖定功能，操作方便，可靠性高，獲得了客戶的認(rèn)可。該機(jī)構(gòu)也可應(yīng)用于其他顯控設(shè)備、健身器材、醫(yī)療器械等等。

不足的是，受空間限制，只能在1 ～2 個(gè)特定角度下鎖定，而不能在任意角度鎖定；另外，受分度銷質(zhì)量可靠性影響，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間重載使用后，分度銷的銷頭與銷體配合可能不再緊密，影響使用體驗(yàn)。