駕駛室均應力翻轉機構及製造方法
2023-06-01 10:43:26
專利名稱：駕駛室均應力翻轉機構及製造方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車駕駛室翻轉機構，具體地說，是一種駕駛室單扭杆翻轉機構。
背景技術：
現代的輕型汽車大都採用平頭駕駛室。為了維護保養方便，現代的平頭駕駛室大 都採用可翻式駕駛室結構。為了操作方便、輕鬆、省力並使結構簡單，一般對一排和一排半 的駕駛室，大都採用單扭杆來平衡駕駛室的重量。現有的單扭杆翻轉機構前視剖視圖的結構如圖1所示，由扭杆1、軸管2、左支座3、 左支承臂4、右支承臂5、右支座6、調節臂7、調節臂固定孔8組成。其中扭杆1和軸管2左 端用花鍵9連接，軸管再固定在左支座3和右支座6的軸承孔中，可以轉動，不能移動。調 節臂7與扭杆1右端的花鍵連接並固定在右支座的右側。調節臂7上設計有長條形固定孔 8，可以調節扭杆的安裝角度，從而可以調節扭杆扭力的大小。整個翻轉機構由左右支座固 定在大梁上。翻轉機構的前視右側視圖如圖2所示，為翻轉機構與駕駛室的局部安裝狀態。駕 駛室地板上兩根縱梁與翻轉機構的左右支承臂，用螺栓裝配成一個整體。圖2的宏觀視圖如圖3所示，駕駛室的重量G，作用於重心A點。駕駛室重心A點， 與翻轉機構旋轉中心(扭杆的軸線)C的水平距離為L，垂直距離H。水平狀態的駕駛室的 受力狀態，也在圖3中示出。我們由圖3可以看出處於水平狀態的駕駛室，其重量G對翻轉機構的兩個支承臂，要產生一個重力和 扭矩。重力由支承座承受，並傳遞給大梁。駕駛室重量產生的駕駛室扭矩M由左右支承臂 共同承受，並傳遞給軸管。軸管通過左端的花鍵傳遞給扭杆，使扭杆產生變形產生平衡扭 矩，並由扭杆右端的花鍵傳遞給調節臂，調節臂固定在支承座上並把扭矩再傳遞給大梁，由 大梁承受和支承。為了觀察、分析問題方便，我們把圖1前視剖視圖擺正、正面放置如圖4所示，駕駛 室重量對翻轉機構兩根支承臂產生的扭矩用Ma、Mb表示。這兩個扭矩由兩個支承臂作用在 它焊接的軸管上。圖中，A、B分別表示左、右支承臂與軸管的焊接部，0表示軸管與扭杆的 花鍵連接部，a表示0點到B點的距離；b表示B點到A點的距離。我們分析軸管的扭矩分布情況軸管裡面的扭杆右端通過支承臂固定在右支座 上，左端通過花鍵與軸管連接，。M為扭杆扭轉變形產生的扭矩，通過左端的花鍵作用在軸管 上，再通過軸管上的左右支承臂，作用在駕駛室上，平衡駕駛室重量產生的扭矩。因此M就 等於駕駛室重量產生的扭矩。Ma和Mb的方向是經過多次計算的結果。由此得到軸管的受 力狀態如圖4所示。現在計算各個扭矩的數值。計算方法如下用計算正反兩個方向的扭矩，相對於同一個固定點產生的扭轉角 度相等的原理進行計算(在力學上稱為達朗貝爾原理，也就是虛位移原理)。如圖4所示， 設軸管的剪切模量為G，慣性矩為I以A為固定點時扭矩M相對於A點產生的扭角為M(a+b)/GI
扭矩Mb相對於A點產生的扭角為MBb/GI因為翻轉機構處於平衡狀態，所以上面正反方向的兩個扭角應該相等，即M(a+b)/GI = MBb/GI ；消去分母得M(a+b) = MBb 變換得:MB = M(a+b)/b再參見圖4，由同一桿上所受到的正反兩個方向的扭矩相等的原理可得Mb = Ma+M 移項算得 Ma = Mb-M將上式Mb 值代入算得 Ma = M (a+b) /b_M = Ma/bMb = M+Ma = M+Ma/b = M(l+a/b)這就是兩個支承點A、B處的扭矩。AB 處兩點扭矩的比值Mb/Ma = (l+a/b)/(a/b) = 1+b/a。根據某臺駕駛室和翻轉機構的結構參數a = 211 ；b = 480 ；M = 2256 NM-—駕駛室重量產生的駕駛室扭矩算得Ma= Ma/b = 2256 * 211/480 = 991. 7Mb = M(l+a/b) = 2256 * (1+211/480) = 3247. 7可見左右支承臂受力不均勻，相差3347. 7/991. 7 = 3. 27倍下面計算軸管的變形角。某駕駛室軸管材料20A ；軸管外徑D = Φ40πιπι;軸管內徑d= Φ32^;6 = 76000Mpa ；L為計算的兩點之間的軸管長度；軸管剛度K = π (D4_d4)G/32/L* Ji /180= Ji (404-324)*76000/32/L*ji/180 = 1. 968*105/L Nm/deg其中剛度係數K乘上π/180，是進行角度單位換算，由弧度變為度。現在計算軸管的變形角。下表中基點就是計算的基準點，即假設的固定點。計算 其他的點相對於基準點的轉角數值。剛度IVKm^Kmb分別表示扭矩M、MA、MB所在的平面，相 對於基點的剛度；轉角為相對於基點的轉角。具體數據列表如下軸管尺寸基點剛度公式剛度轉角。剛度Kmb轉角。外經Φ 40 內徑Φ32AK=1.97/L IO5 Nm/degKm=2857.914107.91OKma=2853.489343.48由上面的計算結果可以看出相對於同一個基點，不同的扭轉點的扭轉角是相同 的。上面是迄今為止，所有的輕型平頭車，單扭杆翻轉駕駛室的設計、製造和工作狀 態。由於駕駛室縱梁受到翻轉機構的兩個支承臂的支承扭矩的差別太大(本專利的例子相 差達到3. 38倍，更大的達到了六倍之多)，使得駕駛室受力不均勻，這就要產生以下嚴重的 設計、製造、使用和材料浪費等等多方面的諸多問題。1、設計不合理。兩邊受力相差如此之大，沒有從設計的角度，把這個不合理性解 決，是一個嚴重的缺陷。2、由於設計不合理，兩邊受力相差太大，造成駕駛室發生歪斜，對車架、駕駛室左 右地板骨架、駕駛室前支承軸管和支承臂要求都提高很多，造成成本大幅度提高。3、更糟糕的是，駕駛室左右地板骨架都是採用同樣的結構、尺寸和材料的零部件。一邊受力大，應力大，材料工作在應力的邊緣狀態。另一邊應力又很小，材料處在極大的浪 費之中。4、這個歪斜力又不是一個穩定的力，而是隨著車身的振動而一起產生歪斜振動， 又使得乘員很不舒服。這樣的狀態，所有的駕駛室和駕駛室翻轉機構的設計人員都十分清楚，大家都在 想辦法解決這個問題。可始終沒有解決。
發明內容
本發明解決的是現有的駕駛室翻轉機構的兩個支撐臂受力不均，駕駛室受力不 均、產生歪斜變形和歪斜振動，駕駛室左右受力不均造成左右零部件設計困難、壽命不一致 的等等問題，提供了一種結構簡單、實施容易、應力比傳統結構大幅度下降的駕駛室均應力 翻轉機構。本發明的駕駛室均應力翻轉機構，包括扭杆、軸管、兩個支座、兩個支承臂；扭杆穿 過軸管，其一端固定在一個支座上，另一端與軸管的一端連接；用於支撐駕駛室的兩個支承 臂均固定在軸管上；軸管轉動設置在兩個支座上，兩個支承臂在軸管的圓周方向成一定的 夾角；當一個支承臂帶動軸管相對於另一個支承臂轉動而使得夾角減小時，軸管產生的扭 矩與駕駛室的重量對軸管產生的駕駛室扭矩方向相反。本發明的有益效果本發明突破了傳統翻轉機構在設計時兩個支承臂與大梁上平 面的夾角是相同的思路，即兩個支承臂是平行的，兩個支承臂在軸管的圓周方向上的夾角 為0°的思路。而讓兩個支承臂與大梁上平面的夾角是不同的。即兩個支承臂在軸管的圓 周方向成一定的夾角。在駕駛室裝配時，駕駛室強大的剛度，強制兩個支承臂與大梁上平面的夾角變成 相同，從而就給左右支承臂施加了一個預加扭矩，預加扭矩的方向與(傳統翻轉機構中的) 支承臂處於水平位置時其所產生的最大扭矩的方向相反，把最大扭矩平衡一部分，使支承 臂在正常工作時，左右兩支承臂上的應力基本相等，從而解決了上面的一系列問題。上述的駕駛室均應力翻轉機構，當一個支承臂帶動軸管相對於另一個支承臂轉動 至所述夾角為0°時，軸管產生的扭矩與駕駛室的重量對軸管產生的駕駛室扭矩大小相等。下面分析在駕駛室未安裝在均應力翻轉機構時，一個支承臂相對於另一個支承臂 的夾角應該多大(或者說預加扭矩多大)。我們把需要預加的扭矩設為未知數Mx，相應產生的預扭角為Cix，此即最大扭矩點 B的預扭角，也就是駕駛室裝配之前，兩個支承臂之間的夾角。由此我們可以得到Mx= αχ*Κ'。此時為翻轉機構未裝駕駛室時的自然狀態，如圖5所示。其中K'為兩支承臂間的剛度由汽車工程手冊，設計篇2001版ρ819查得K' = π (D4-d4)G/32/L*Ji/180某駕駛室軸管材料20A ；軸管外徑D = Φ40πιπι;軸管內徑d= Φ32^;6 = 76000Mpa ；L為A、B兩點之間的軸管長度(即兩支承臂間的距離b)；則K 『 = π (D4-d4)G/32/L*Ji/180 = π (404_324) *76 0 00/32/480* π/180 = 410Nm/deg其中剛度K'乘上π/180，是進行角度單位換算，由弧度變為度。
在裝配時，駕駛室處於最高的斜放位置，翻轉機構的兩個支撐臂和駕駛室裝配成 一體。此時，駕駛室質心和重力線通過翻轉機構的軸管的軸線，兩個支承臂不承受駕駛室重 量產生的扭矩，又因為翻轉機構和駕駛室裝配成一體，圖5所示之兩個支承臂之間的夾角 消失，從而使得兩個支承臂只承受這個預加的扭矩，並且，一正一負，數值為預扭矩的一半。 因為不這樣，支承臂和駕駛室就不能平衡。所以，在駕駛室處於最高的斜放位置，駕駛室重力線通過翻轉機構的軸管的軸線時A 點扭矩為M/ = 0. 5MX ；B 點扭矩為MB' = -0. 5MX在駕駛室未翻轉時，水平工作位置A 點工作扭矩為Ma" = Ma' +Ma = 0. 5Mx+Ma/b ；B 點工作扭矩為Mb" = Mb' +Mb = -0. 5Mx+M(l+a/b)即是A、B兩點的工作扭矩分別等於預加扭矩加上前面計算出來的扭矩。在不知道 A、B兩點的工作扭矩真實數據之前，我們強制命令A、B兩點的工作扭矩相等。即令:Ma"= Mb"，代入上式0. 5Mx+Ma/b = _0· 5Mx+M(l+a/b)移項計算得MX= M(l+a/b) -Ma/b = M某駕駛室M = 2256匪(駕駛室重量產生的駕駛室扭矩)，代入得Mx = M = 2256Nm。這就計算出來了 A、B兩點的扭矩相等時的預加扭矩的數值。也就是A、B兩個支承 臂扭矩相同時，預加扭矩的數值。這個預加扭矩，就等於駕駛室重量產生的扭矩。因此，預扭角Cix = Mx/K' =WK'。即預扭角等於駕駛室的重量對軸管產生的駕 駛室扭角。代入前面計算出來的數據Mx = M = 2256Nm, K' = 410Nm/deg ；得α χ = Μχ/Κ' = Μ/Κ' = 2256/410 = 5· 5°。支承臂A、B兩點的工作扭矩Ma〃 = Mb〃 = 0. 5Mx+Ma/b = 0. 5X2256+2256X211/480 = 2119. 7工作扭矩比傳統翻轉機構的工作扭矩下降(3247. 7-2119. 7)/3247. 7 = 34. 7%由此我們可以看出，原來受力不均勻的左右支承臂和駕駛室，現在變成左右支承 臂和駕駛室兩側受力相同了。這就解決了上面所提出來的一系列的問題，把翻轉機構的設 計工作向前推進了 一步。上述的駕駛室均應力翻轉機構，2° <夾角<30°，優選夾角=5° -10°。上述的駕駛室均應力翻轉機構，所述扭杆另一端與軸管的一端通過花鍵連接。本發明同時提供了一種駕駛室均應力翻轉機構的製造方法，以其製造出的駕駛室 均應力翻轉機構在安裝駕駛室後，兩個支承臂及駕駛室左右受力均勻，駕駛室不會產生歪 斜變形。該駕駛室均應力翻轉機構的製造方法，所述駕駛室均應力翻轉機構包括扭杆、軸 管、兩個支座、兩個支承臂；扭杆穿過軸管，其一端固定在一個支座上，另一端與軸管的一端 連接；所述製造方法包括將用於支撐駕駛室的兩個支承臂固定在軸管上的步驟，固定在 軸管的圓周方向的兩個支承臂成一定的夾角；當一個支承臂帶動軸管相對於另一個支承臂轉動而使得夾角減小時，軸管產生的扭矩與駕駛室重量對軸管產生的駕駛室扭矩方向相 反。上述的製造方法，計算出駕駛室扭矩對兩個支承臂之間的軸管產生的扭角，把靠 近扭杆與軸管連接處一端的支承臂沿駕駛室翻轉方向相反的方向旋轉半個駕駛室扭角而 將其固定在軸管上；把另一個支承臂沿駕駛室翻轉方向旋轉半個駕駛室扭角而將其固定在 軸管上。上述的製造方法，兩個支承臂均焊接在軸管上。上述的製造方法，扭杆另一端與軸管的一端通過花鍵連接。
圖1是駕駛室單扭杆翻轉機構的立體剖視圖。圖2是駕駛室單扭杆翻轉機構與駕駛室相連的局部示意圖(圖1的右側視圖)。圖3是駕駛室水平狀態時，單扭杆翻轉機構的受力示意圖。圖4是現有的駕駛室單扭杆翻轉機構的前剖視圖。圖5是本發明的駕駛室均應力翻轉機構未裝駕駛室的側視圖。
具體實施例方式參見圖5 (並參考圖1，可看作是圖1的右側視圖)所示的駕駛室均應力翻轉機構， 包括扭杆1、軸管2、左支座3、左支承臂4、右支承臂5、右支座6、調節臂7等組成。扭杆1 和軸管2左端用花鍵9連接，軸管再固定在左支座3和的右支座6軸承孔中，可以轉動，不 能移動。調節臂7與扭杆1右端的花鍵10連接並通過調節臂固定孔8，由螺栓固定在右支 座上。調節臂7上的長條形固定孔8，可以調節扭杆的安裝角度，從而可以調節扭杆扭力的 大小。用於支撐駕駛室的左支承臂和右支承臂均焊接在軸管上。左支承臂和右支承臂在軸 管的圓周方向成一定的夾角αχ，如Cix = 5.5°。當左支承臂帶動軸管相對於右支承臂轉動至所述夾角為0°時，軸管產生的扭矩 與駕駛室的重量對軸管產生的駕駛室扭矩大小相等、方向相反。均應力駕駛室翻轉機構設計、製造的方法如下1.按傳統的方法把駕駛室的翻轉機構設計出來。在此基礎上進行下面的工作。2.計算出左右支承臂之間的軸管剛度。3.計算出水平位置時，駕駛室重量相對於旋轉中心產生的駕駛室扭矩。4.計算出駕駛室扭矩在左右支承臂之間產生的扭角，稱為駕駛室扭角或預扭角。5.改變傳統設計支承臂的焊接位置把靠近軸管花鍵端的左支承臂沿駕駛室翻 轉相反的方向旋轉半個駕駛室扭角，把軸管自由端的支承臂沿駕駛室翻轉方向旋轉半個駕 駛室扭角。6.按上面計算的角度和尺寸設計圖紙，焊接總成。7.現場裝車，確認各項工作無誤後，便可以試驗和投入使用。傳統的翻轉機構，在設計時兩個支承臂與大梁上平面的夾角是相同的(或者說， 安裝駕駛室的左右支承臂與駕駛室地板平面的安裝角度是相同的)，因而產生一系列問題。 因此本專利的主要措施和思路就是，讓兩個支承臂與大梁上平面的夾角是不同的(安裝駕駛室的左右支承臂與駕駛室地板平面的安裝角度是不相同的)，如圖5所示。在駕駛室裝配 時，駕駛室強大的剛度，強制兩個支承臂與駕駛室地板平面的夾角變成相同。所述的左右支 承臂在駕駛室安裝完畢後，駕駛室處在設計的水平落座位置時，兩個支承臂及駕駛室連接 縱梁等零部件的受力基本上相同。與傳統的翻轉機構相比，應力下降了 30-50%。原來受力不均勻的駕駛室，現在變成左右支承臂受力相同了。這就解決了上面所 提出來的一系列的問題，把翻轉機構的設計工作向前推進了一步。由此可見，本產品結構簡單，實施容易，與傳統結構相比，受力情況大大改善，應力 比傳統結構大幅度下降且應力分布均勻、受力狀態合理，在駕駛室和翻轉機構的工作平穩 性、應力狀態、材料利用率等等方面都有了很大的改進，解決了長期困擾工程師們的翻轉機 構左右受力不均的問題、以及駕駛室受力不均、產生歪斜變形和歪斜振動，影響乘員舒適性 以及駕駛室左右受力不均造成左右零部件設計困難、壽命不一致等等問題。
權利要求
1.駕駛室均應力翻轉機構，包括扭杆、軸管、兩個支座、兩個支承臂；扭杆穿過軸管，其 一端固定在一個支座上，另一端與軸管的一端連接；用於支撐駕駛室的兩個支承臂均固定 在軸管上；軸管轉動設置在兩個支座上，其特徵是兩個支承臂在軸管的圓周方向成一定 的夾角；當一個支承臂帶動軸管相對於另一個支承臂轉動而使得夾角減小時，軸管產生的 扭矩與駕駛室的重量對軸管產生的駕駛室扭矩方向相反。
2.如權利要求1所述的駕駛室均應力翻轉機構，其特徵是當一個支承臂帶動軸管相 對於另一個支承臂轉動至所述夾角為0°時，軸管產生的扭矩與駕駛室的重量對軸管產生 的駕駛室扭矩大小相等。
3.如權利要求2所述的駕駛室均應力翻轉機構，其特徵是2°<夾角<30°。
4.如權利要求1所述的駕駛室均應力翻轉機構，其特徵是2°<夾角<30°。
5.如權利要求4所述的駕駛室均應力翻轉機構，其特徵是夾角=5.5°。
6.如權利要求1所述的駕駛室均應力翻轉機構，其特徵是所述扭杆另一端與軸管的 一端通過花鍵連接。
7.駕駛室均應力翻轉機構的製造方法，所述駕駛室均應力翻轉機構包括扭杆、軸管、 兩個支座、兩個支承臂；扭杆穿過軸管，其一端固定在一個支座上，另一端與軸管的一端連 接；所述製造方法包括將用於支撐駕駛室的兩個支承臂固定在軸管上的步驟，其特徵是 固定在軸管的圓周方向的兩個支承臂成一定的夾角；當一個支承臂帶動軸管相對於另一個 支承臂轉動而使得夾角減小時，軸管產生的扭矩與駕駛室重量對軸管產生的駕駛室扭矩方 向相反。
8.如權利要求7所述的製造方法，其特徵是計算出駕駛室扭矩對兩個支承臂之間的 軸管產生的扭角，把靠近扭杆與軸管連接處一端的支承臂沿駕駛室翻轉方向相反的方向旋 轉半個駕駛室扭角而將其固定在軸管上；把另一個支承臂沿駕駛室翻轉方向旋轉半個駕駛 室扭角而將其固定在軸管上。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵是兩個支承臂均焊接在軸管上。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵是扭杆另一端與軸管的一端通過花鍵連接。
全文摘要
本發明解決的是現有的駕駛室翻轉機構的兩個支撐臂受力不均，駕駛室受力不均、產生歪斜變形和歪斜振動，駕駛室左右受力不均造成左右零部件設計困難、壽命不一致的等等問題，提供了一種結構簡單、實施容易、應力比傳統結構大幅度下降的駕駛室均應力翻轉機構。它包括扭杆、軸管、兩個支座、兩個支承臂；扭杆穿過軸管，其一端固定在一個支座上，另一端與軸管的一端連接；用於支撐駕駛室的兩個支承臂均固定在軸管上；軸管轉動設置在兩個支座上，兩個支承臂在軸管的圓周方向成一定的夾角；當一個支承臂帶動軸管相對於另一個支承臂轉動而使得夾角減小時，軸管產生的扭矩與駕駛室的重量對軸管產生的駕駛室扭矩方向相反。
文檔編號B62D33/067GK102050154SQ201010587940
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月15日 優先權日2010年12月15日
發明者周洪亮, 張奠忠, 熊保平, 田耀霽 申請人:南京開瑞汽車技術有限公司