轎車行李箱蓋鉸鏈受力分析及在設計中的應用

1、轎車行李箱蓋鉸鏈受力分析及在設計中的應用行李箱平衡鉸鏈，是指使用彈性元件，可以在行李箱蓋開啟和關閉時平衡蓋重力的鉸鏈結構， 因為平衡鉸鏈結構簡單、有足夠強度和可靠耐久等優(yōu)點，大部分車型特別是中低檔車型，基本上采用這種結構的鉸鏈，其彈性元件采用扭桿。在行李箱蓋使用過程中，一般要求啟動開啟裝置后，能自動彈開一定高度，介在半開（一定的打開角度）狀態(tài)下要保持靜止不動以防落下傷人，同時在最在打開位置時有足夠的保持力， 以防風力作用下自行落下關閉。一、轎車行李箱蓋平衡鉸鏈的受力分析1、鉸鏈情況介紹:行李箱蓋平衡鉸鏈簡圖如圖 1 所示，圖 2 為左側鉸鏈的側視圖。圖 1行李箱鉸鏈簡圖（只裝一邊扭桿）圖 2

2、左側鉸鏈的左側視圖從圖 2 可以看出，扭桿的運動受鉸鏈支架和聯(lián)桿的約束，只能繞安裝口旋轉。因此，支架、鉸鏈、了四連桿機構，其中鉸鏈支架為固定桿，其它均可以活動。圖 2 只為鉸鏈的側視聯(lián)桿、扭桿圖，實際零件并不在一個平面內(nèi)。但是，把各零件投影到同一個平面內(nèi)，并不影響受力分析，所以可以把鉸鏈的四連機構看作一個平面四連桿機構來分析。此平面四連桿機構的受力如圖 3 所示：圖 3：鉸鏈平面四連桿機構的受力圖（數(shù)據(jù)為設定的）圖 3 中，AD 表示鉸鏈支架，AB 為扭桿，BC 為聯(lián)桿，CD 為鉸鏈，其長度，而四連桿的之間角度1、2、3 和4 的初始值（即行李箱蓋鉸鏈的角度）也已經(jīng)在圖 3 中表示。另外，把扭

3、桿的扭矩記為 MT，而鉸鏈所受的重力（包含行李箱蓋和鉸鏈本身）記為 G，但是在分析中，把 G 換為重力對 D 點的力矩可能更為方便，因此鉸鏈 CD 就受到重力矩 MG 的作用。顯然，MT和 MG 都為變量，隨行李箱鉸鏈的開啟角度變化而改變。2、桿的受力分析：存在摩擦力作用時，BC 桿不能視作為一根二，在行李運動時，BC 桿的受力如圖 4 所示。其中摩擦力作用的效果是一個摩擦力隅。另外，如果把圖 4 中的摩擦力隅 MB 和 MC 定義為正負值，則圖 4 可以用于行李箱蓋打開和關閉時的受力。圖 4：BC 桿受力情況圖由圖 4 可得以下：F1=F2MB+MC （1）F3=F4=LBC因為 F1=F2

4、 和 F3=F4，下面統(tǒng)一只使用 F1 和 F3 列方程式。根據(jù)圖 5 可得 AB 桿（扭桿）和 CD 桿平衡方程：圖 5：AB 桿和 CD 桿的受力情況根據(jù)（1）、（2）和（3）并把 LAB 和 LCD 值代入，可得：3、運動分析：這里的分析，是使用行李箱蓋的打開角度 Ø 來表示（4）式中的3 和4，從而簡化方程并最終找到平衡的條件。如果以打開角度 Ø 為變量，根據(jù)機械原理可得：4、鉸鏈各項作用力分析： (1)扭桿的作用力扭桿的長度（大于 1000MM）遠大于其直徑（6.5MM），且工作則其扭矩 M 為：折彎較少，可以只考慮扭轉作用，（9）式中，d 為扭桿的直徑，L 為扭

5、桿的有效長度（設轎車扭桿長度 L=1072MM），G 為扭桿材料的剪切彈性模量（），為扭桿的變形角，即是轉角。再考慮涂裝時對扭桿約有 8%的熱衰減作用，也就是產(chǎn)生了（行李箱蓋扭轉角度，我們設為 179 度，一般轎車都用這個值）8%的一個提前角度，扭桿的實際轉動角度為：其中 133 度為初始角度，因此兩根扭桿產(chǎn)生的扭矩為：（2）鉸鏈各連接點的摩擦力隅鉸鏈設計時，單側軸銷的摩擦力矩系數(shù)值范圍為 2.216-3.284N.M,為簡單化取值為 2.75N.M,對于兩側鉸鏈合力則應為雙倍。摩擦力是有方向，上述的摩擦力隅是個范圍值，可取負數(shù)，因此實際的摩擦力隅在-05.50 到5.50N.M 之間。而鉸鏈

6、與支架連接的軸銷沒有加襯套，在電泳前摩擦力幾乎可以忽略，則估算電泳后有：扭桿直接與支架或聯(lián)桿固定配合，由于配合面經(jīng)過電泳處理，因此摩擦力隅（兩側）估算取值：（3）行李箱蓋重力矩行李箱蓋質量如下：表 1：行李箱蓋實測值另外，由于重心肯定在行李箱蓋上表面的下方，因此測量重量方法還不能確定重心的 Z 軸方向位置， 因此只能估算重心與鉸鏈銷軸中心線的連線，與軸銷所在的 XY 平面成 6 度的夾角（如圖 6 所示），計算重力矩的變化。圖 6：行李箱蓋重心移動示意圖則行李箱蓋的重力矩為：（4）鉸鏈的平衡計算：把式（4）的右側記作為 Mf，則代入（11）、（12）和（13）式后可變?yōu)椋?2345平均值質量（

7、Kg）10.1610.1010.1410.0410.0610.10距銷軸距離（MM）720MM則把式（5）至（10）、（14）和（15）結合起來計算，可以得出表 2 所示的計算結果：表 2 ：轎車鉸鏈平衡計算結果（NM)根據(jù)上面MT'、MG'Mf 和MG'+M（f 其實表 2 中的MT 總是大于MG'，可以省略 MG'-Mf）的值，作出曲線圖 7 所顯示的結果：由表 2 和圖 7 可以看到，行李箱蓋大約打開到 9.5°至 56°的范圍內(nèi),MT 與 MG'的差值在±Mf 的范圍內(nèi)。由此可見，即可實現(xiàn)行李箱蓋半開啟時保持

8、靜止不動的狀態(tài)。在上述角度范圍外，扭桿的作用扭矩大于車身固定阻力扭矩，可實現(xiàn)行李箱蓋開啟時自動彈起，而全開時有一定保持力。實測轎車的行李箱蓋半開保持靜止不動的狀態(tài)的下限約 6°至 8°，上限約為 45°至 48°，與計算的結果有一定差距，但比較接近。實際上，開啟機構啟動后，行李箱蓋在密封條的較在彈力下和上述的 MT 與 MG'的差值作用下以一定的速度向上運動，過了9.5°以后才,因此最終行李箱蓋打開的角度可能是的15°, 如果是15°,Ø扭矩MT重力矩 MG'MT'-MG'Mf備注0

9、°77.1047864.7736412.331145.9348812°76.0830165.241910.841115.9919514°75.065265.0049.4651556.0433716°74.0508565.850568.2002896.0898628°73.0395465.99577.0438366.132038。52°51.0420146.092544.9494696.56750856°49.0274042.0462216.5651846.58971658°48.0164240.561137.455

10、2906.600836。則行李箱蓋彈起高度在約為 155MM。二、使用鉸鏈受力分析結果對扭桿進行設計的應用轎車取消了原來裝在行李箱蓋內(nèi)板上的工具箱（改用放在行李箱地板上），這樣相對于鉸鏈銷軸，整個行李箱蓋的重力矩減少了約 10.10N。M。因此，需要改變相關部件設計才能保證行李箱蓋半開平衡的要求。由于不太可能在行李箱上配重以增加其重量，而鉸鏈也很難變更增大摩擦力隅。因此主要的考慮對象應該是杻桿，即改變扭桿的扭矩。根據(jù)（9）式，可改變的量只有直徑 d 和角度，或者容易聯(lián)想到把扭桿的開角減小。因為扭桿都是標準的線材，改變扭桿直徑不實際，因此只能改變開角。對于這個變化，開角減少 20 度，由于減少應力較大，衰減系數(shù)可取 4%，則扭矩減小約 11%，詳細的推導如上，只給出如圖 8 所示曲線，可以看到平衡的角度范圍大約是 17 度 57 度。使用設計變更后的扭桿可使行李箱蓋開啟時彈起高度約 10-12CM，可保持靜止狀態(tài)的最大打開角度約為度，能較好滿足使用的要求，證明分析結果是可以有效使用的。三、結論：通過對轎車行李箱鉸鏈進行抽象簡化建立模型，運用理論力分析，解決了以下問題：動學和