ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－９４９２．２０１４．０５．０４３ 扭杆弹簧在行李箱盖系统中的设计与应用 徐璐 （广州Ｉ汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 ５１０６４０） 摘要：扭杆弹簧即为一端固定而另一端与工作部件连接的杆形弹簧，主要依靠扭转弹簧力来吸收震动能量。扭杆弹簧在汽车制 造业已经有非常广泛的应用。重点介绍扭杆弹簧匹配鹅颈式铰链作为汽车行李箱盖开启助力机构，在汽车开发中的设计方法与 应用。 关键词：扭杆弹簧；鹅颈式铰链；行李箱盖保持限位系统 中图分类号：Ｕ４６３．３３＋４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９４９２（２０１４）０５—０１６９一Ｏ７ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｏｒｓｉｏｎ－Ｂａｒ Ｓｐｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ａｕｔｏ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＸＵ Ｌｕ （ＧＡＣ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｒｓｉｏｎ—Ｂａｒ Ｓｐｒｉｎｇ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｐｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｏｎｅ ｅｎｄ ｆｉｘｅｄ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｅｎｄ ａｔｔａｃｈｉｎｇ ｔｏ ａ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒｔ，ｕｓｉｎｇ ｔｏｒｓｉｏｎ ｓｐｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｔｏ ａｂｓｏｒｂ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ Ｔｏｒｓｉｏｎ－Ｂａｒ Ｓｐｒｉｎｇ ｉｓ ｎＯＷ ｗｉｄｅｌｙ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｍｐｈ￣ｉｚｅｓ ｏｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｈｏｗ ｔｏ ｍａｔｃｈ Ｔｏｒｓｉｏｎ－Ｂａｒ Ｓｐｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｇｏｏｓｅｎｅｃｋ ｈｉｎｇｅ，ａｌｓｏ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｏｐｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒｕｎｋ ｌｉｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ￣：ｔｏｒｓｉｏｎ－ｂａｒ ｓｐｒｉｎｇ；ｇｏｏｓｅｎｅｃｋ ｈｉｎｇｅ；ｓｔａｙ ｌｉｎｋ ｏｆ ｔｕｎｋ ｒｌｉｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ １行李箱盖扭杆弹簧概述 一（３）扭杆弹簧材料为钢丝材质，生产工艺简 般行李箱盖开启助力机构包括气弹簧、扭 单，只需折弯机成型处理即可，材料利用率基本 为１００％，成本低廉； （４）扭杆弹簧作为助力机构，使行李箱盖操 作力状态稳定，而其性能受温度影响小，不存在 高低温环境操作力差异大情况。 杆弹簧、螺旋弹簧和电控驱动机构四种形式，对 于经济型三厢车来说，广泛使用前三种。 １．１行李箱盖扭杆弹簧定义 行李箱盖扭杆弹簧（下文简称扭杆弹簧或扭 杆）是一种弹性元件，通过安装在行李箱盖铰链 上，利用在行李箱盖开启与关闭运动过程中其扭 ２扭杆弹簧典型结构、制造工艺及材料 ２．１典型结构 转产生的弹性势能，克服行李箱盖重力，减轻举 升操作力与减缓关闭的冲击力，并保持开启功 能，构成行李箱盖开启助力机构。 扭杆弹簧一端固定在铰链座上，另外一端安 装在铰链臂上，通过铰链臂的旋转，产生扭矩， 如图１所示。 １．２扭杆弹簧在汽车开发中的应用优点 （１）扭杆弹簧匹配鹅颈式行李箱盖铰链结 构，安装在行李箱舱衣帽架下方，为内藏式结 构，节省布置空间，利于实现三厢汽车尾部造型； （２）且此结构可增大行李箱开口尺寸，优化 图１扭杆弹簧典型结构 人机操作性能，提升客户感受； 收稿１３期：２０１３—１０—１５ 姗 ２．２典型成型工艺 理、在总装工艺完成装配。需根据各汽车制造厂 生产工艺而定。 扭杆弹簧的成型工艺步骤如下：开料一成型 一回火一检测一表面处理一打标识一检测一包装。 ２．３材料介绍 ４扭杆弹簧设计技术目标参数 扭杆弹簧技术目标一般包括以下内容。 （１）能够利用行李箱盖运动过程中扭杆弹簧 扭转产生的弹力克服行李箱盖重力，减缓举升操 行李箱盖扭杆弹簧为弹性杆件，一般采用 碳素弹簧钢丝材料。可采用国内材料５５ＣｒＳｉ（油 淬火一回火弹簧钢丝ＧＢ／Ｔ １８９８３） ，也可采用 日本牌号材料ＳＷＯＳＣ—Ｂ（弹簧用油淬回火钢丝 ＪＩＳ Ｇ ３５６０） 。ＳＷＯＳＣ—Ｖ（阀门用油淬回火钢丝 ＪＩＳＧ ３５６１） 。 作力和关闭的冲击力。 （２）须能满足行李箱盖２００００次疲劳耐久使 用要求。 （３）需满足行李箱盖开启要求：①启动开启 装置后，能使行李箱盖自动弹起一定高度并保持 静止，便于人手操作；②能使在半开（一定的打 开角度）状态下的行李箱盖可以保持静止不动； 扭杆弹簧最大允许剪切强度为抗拉强度的 ４２％一５０％（经验值），若最大允许剪切强度过 低，接近甚至小于扭杆弹簧的实际剪切强度，易 产生扭转断裂，导致功能失效，故抗拉强度越 高，剪切强度越高，性能越好，越安全。但性能 好的材料，成本也会很高。有些材料抗拉强度、 ③能使行李箱盖在全开位置可以保持停住状态。 （４）需满足操作力使用要求，使行李箱盖关 闭与开启操作力维持在一个顾客感受舒适的力 度，其中关闭操作力为３０—５Ｏ Ｎ，开启操作力为 ｌＯ～２０Ｎ。 剪切强度均符合设计要求，但在耐久试验过程 中，耐久后的扭矩衰减较大，容易引起功能失 效，不符合试验要求，为减少设计风险，需确认 材料耐久性能。选择合适的扭杆弹簧材料，既要 满足设计要求，试验性能要求，又要避免性能过 剩，控制成本。 （５）需满足风阻要求：使行李箱盖在最大打 开位置时具有足够的保持力，以免在风力作用下 行李箱盖自行落下关闭引起事故。 （６）需满足驻坡功能：当整车停在１０％ （５．７５。）的上坡路面（车头朝上）行李箱盖打开 时，能使行李箱盖仍能保持开启不下落。 （７）需满足空间布置要求：当行李箱盖在开 启或关闭运动过程中（包括过开或过关情况）， ３扭杆弹簧的装配工艺 ３．１扭杆弹簧与行李箱盖铰链的匹配 为方便安装，减小行李箱盖开启时铰链与车 身骨架之间的撞击，首先需确保安装减震垫与扭 杆弹簧固定卡夹，然后安装扭杆弹簧，最后将扭 杆弹簧卡人固定卡夹，即装配完毕，如图２所示。 应与周边车身结构件保持一定安全间隙，不发生 干涉。 ５扭杆弹簧在汽车工程的设计应用 扭 关于扭杆弹簧在汽车开发中的设计过程，以 某车型扭杆弹簧随整车涂装、在总装工艺完成装 配为例，详细说明设计计算与分析过程与方法。 ５．１输入条件 首先需获得扭杆弹簧设计输入信息，相关参 数详见表１所示。 如图３，扭杆弹簧的运动受铰链支架和连杆 图２扭杆弹簧的固定 减震垫 约束，只能绕安装卡口旋转。支架、铰链方管、 连杆和扭杆构成了一个四连杆机构。 ３．２扭杆弹簧的整车装配工序 扭杆弹簧装配工序策略直接影响到扭杆弹簧 的设计计算及制造工艺，一般有三种形式：在整 车焊装工艺完成装配；扭杆弹簧随整车涂装、在 总装工艺完成装配；扭杆弹簧供应商完成表面处 据扭杆与铰链方管运动关系，可知图４所 示，行李箱盖从“关闭”位置到“打开”位置， 铰链方管转角：８６。，而扭杆旋转９２．１。。 行李箱盖在“开启”位置，扭杆旋转角度 匿 徐 璐：扭杆弹簧在行李箱盖系统中的设计与应用 经验 表１ 行李箱盖相关参数输入 转的有效长度：１ １０２．６ ｍｍ；平衡范围（预估）： ２０。一６０。；风力矩：５．６９ Ｎ・ｍ（经验值）；关闭状 态时扭杆两端面的夹角 ＝５５。（扭杆数据测量）。 ５．２线径的选取、平衡角度的定义 由重心坐标以及旋转中心坐标可以算出旋转 中心到重心的距离： 厶 ＝√（Ｘ２一Ｘ１ ＋（ｚ１一ｚ２ ＝４６０．８ｍｍ 由此可以算出重力矩。按式（５．１）计算：Ｔ重＝ ｍｇ・Ｌ重；重力臂按式（５．２）计算：Ｌ重心＝厶・ＣＯＳＯ／， ａ为重心和转重心连线与 轴夹角，如图５所 示。 旋转中心（２９５５．５，０，８８８．１）重心（３４０４．７，一０．２，７８５．２） 图３ 左侧铰链左侧视图 图５ 行李箱盖结构简图 为：ｊｌ；行李箱盖在“关闭”位置，扭杆旋转角度 为：五 ＋９２．１。；全关时重心一转轴连线与水平面 夹角：１２．９。（根据已知坐标测量结果）；扭杆扭 强 由此根据重力矩曲线与旋转角度的关系可 知，当扭杆在弹起后处于第一个平衡点时Ｔ扭＝ 重＋ ２・ 摩，其中摩擦阻力不变，扭杆在第一个平衡点 往上移时扭矩不断减小，只有在重力矩减小时才 能实现，所以平衡位置会出现在重力矩开始变小 以后（重力矩在ｌ３。时最大）。暂定平衡范围为 ２０ｏ～６Ｏｏ，得出扭矩一摩擦力矩、扭矩、扭矩＋摩 擦力矩的示意图，如图６所示。 扭括旋 由此可算出 值（斜率）＝Ｏ．２３，按式（５．１） 计算，得出ｄ＝６．５９ ｍｍ，扭杆弹簧线径规格（直 径），根据线径计算结果，查询行业规格，选取近 似值，取整数６．５ ｍｍ，代人５．１式，可以算出 ０．２１８，选取合适的材料，查表得出化学成分及材 图４ 左侧铰链运动示意图 料性能（抗拉性能），见表２。 臣 ］圈 交流 为ＡＢ与ＢＣ的夹角，咖 为ＢＣ与ＤＣ的夹角；铰链 畲．Ｎｖ疑茕 船 窖酣髓雒薹弓糟Ｏ ｌ在关闭位置可得如下参数值：ＡＢ＝Ｉ １５．２ ｍｍ；ＢＣ＝ ８２．２ ｍｍ；ＣＤ＝１２２．７ ｍｍ；ＡＤ＝８８．７ ｍｍ； 咖ｌ＝ ３１。；咖２＝１４９。； ３＝３３。；咖 ＝１４７。。 ５．３．２受力分析 存在摩擦力作用时，ＢＣ杆不能视作二力杆， 在行李箱向上运动时，ＢＣ受力如下图所示，其中 Ｏ ｌＢ ２ｏ ３Ｏ 托§Ｏ ｅＯ ７ 釉 ∞ 麓转囊度（。） 摩擦力作用效果为一个摩擦力偶。把摩擦力偶 ‰，Ｍｘ定义为有正负值。则可以推断，ＢＣ受力 图６ 行李箱盖与扭杆弹簧的关系 分析，如图８所示。 表２扭杆弹簧参数 ５．３设计计算 ５．３．１设计计算简介 将行李箱盖铰链与扭杆弹簧的四连杆机构看 图８ ＢＣ杆受力分析 作一个平面四连杆机构分析，如图７所示。 ＦＩ＝Ｆ２ Ｆ３＝Ｆ４＝（ ＋ ）／Ｌ．。 （３） ＡＢ、ＣＤ受力分析，如图９所示。根据ＡＢ与 ＣＤ列平衡方程： Ｍ￣－Ｍ：Ａ 一Ｆ１・厶口・ｓｉｎ ３＋Ｆ３・厶Ｂ・ＣＯＳ咖３＝０ （４） 图７ 行李箱盖与扭杆弹簧的参数 如图７，ＡＤ表示铰链支架，ＡＢ为扭杆，ＢＣ 为连杆，ＣＤ为铰链。把扭杆的扭矩记为 ，铰链 所受重力为Ｇ，相对于Ｄ点的转动扭矩记为 ， 咖 为ＡＤ与ＤＣ的夹角，咖：为ＡＤ与ＡＢ的夹角，咖 图９ ＡＢ、ＣＤ杆受力分析 ■ 图 徐 璐：扭杆弹簧在行李箱盖系统中的设计与应用 经验 Ｍ Ｍ Ｍｆｎ・Ｆ１・Ｌｃｏ・ｓｉｎ由广Ｆ３・Ｌｃｏ・ＣＯＳ由４＝０ （５） １．２５ Ｎ・ｉｎ。对于两侧铰链合力则为双倍，得到 式（１３）： ＝将（５．３）、（５．４）和（５．５）式以及厶 ， ，， ２．５ Ｎ・ｍ （１３） 代人，经过转化可得式（６）： 一 铰链方管与铰链支架之间摩擦力范围定义为 １．５—２．０ Ｎ・ｍ，为简化计算，取１．７５ Ｎ・ｍ。对于 两侧铰链合力则为双倍，得到式（５．１４）：‰＝ ３．５ Ｎ・ｍ； ×（ ＬｃＤ）ｘｓｉｎ咖３／ｓｉｎ咖 ＝ ＋‰＋（ （６） ＋Ｊ７Ｉ Ｘ（厶Ｂ，Ｌｃｏ）Ｘ ｓｉｎ ／ｓｉｎ咖 一（ Ｂ，ＬＢｃ）Ｘ（ Ａ ＋Ｍ￣）ｘ（ｃｏｓ西３＋ｃｏｔ ４Ｘ ｓｉｎ咖３） 运动分析，需建立行李箱开启角度于扭杆转 动角度之间的关系，如果以设劝行李箱的开启角 度，则假设行李箱在关闭时０＝０可根据以下公式 （７）得出扭杆变化角度与咖 的关系：咖 ＝３０．８。＋ ０。定义如下： Ａ＝２厶正ｃｏｓｉｎ ｌ 扭杆与支架或连杆固定配合，因此存在摩擦 力偶，估算式（１５）： ＝０．５ Ｎ・ｉｎ （１５） 如图５．３所示，可知重心与水平面间的夹角为 １２．９。，则此设计中行李箱重力矩为式（１６）： ＝６０．９６ｃｏｓ（ 一１２．９ｏ） （１６） Ｂ＝２ＬＡＢ Ｌｃｏｃｏｓ咖ｌ一厶岫） 将式（５．６）的右侧记为尬，，则代人式 Ｃ＝Ｌ￣ｄ—Ｌｃｏ２厶ｆｆ－ＬＡｆ＋２ＬｃｏＬＡＤＣＯＳ咖１ Ｄ＝２ＬＢｃＬｃｏｓｉｎ １ （１３）、（１４）和（１５）后可变为式（１７）： Ｍｒ＝１．０＋６．５７２ｘ（ｓｉｎ咖３／ｓｉｎ咖 ）一３．４２ｘ ｆＣＯＳ ３＋ ｃｏｔ ４・ｓｉｎ ３） （１７） Ｅ＝２ ｃ（Ｌｃｏｃｏｓ咖１一厶Ｄ） Ｆ＝ＬＢｃ ＋ ｃＤ ＋厶Ｄ２￣ＬＡＢ２—２ＬｃｏＬＡＤＣＯＳ咖１ 可得，式（８）： ＝令 ’＝Ｍ￣ｘ０．９６ｘ（ｓｉｎ ３／ｓｉｎ ） 可简化公式，为： ＿＝＝＿ ）／ （８） ’＝胁一尬 将式（７）、式（８）、式（９）、式（１０）、 １８０。～咖，＋２ Ｘ ａｒｃｔａｎ（（Ｄ一 一 ） 式（）： 式（１１）和式（１６）、式（１７）结合，得到计算结 果见表３。 ｚ＝１８０。一２ｘａｒｃｔａｎ（（Ａ一√Ａ。＋ 一 ）／（ —ｃ）） （９） 式（１Ｏ）： ＝３６０。一咖。一 ：一咖 （１Ｏ） 表３ 铰链平衡计算结果 铰链作用力分析，扭杆有效长度１ １０２．６ ｍｍ， 远大于扭杆直径，且中间折弯较少，所以只考虑 扭转作用，其扭矩 为式（１１） 】： ＭＴ＝￣ｒｄ４Ｇｘｌｒ／（３２Ｌ￣ｘｌ８０） （１１） 扭杆直径ｄ＝６．５ ｍｍ， 为扭杆的实际变化角 度。 因扭杆弹簧定义在总装装配，设计计算时不 存在力矩衰减，且行李箱盖全关时扭杆扭转角度 定义为１６８。，则扭杆的实际转动角度为：户 １６８。一（１４９￣一咖２）＝１６ｏ＋ ：，其中１４９。为咖 的初始 角度，因此两根扭杆产生的扭矩为式（１２）： １Ｔ Ｇ× （３２ Ｌ扭杆×１８０）×（１６。＋ ２）ｘ２＝ 根据以上数据计算扭矩 ，重力矩 ・， 以及Ｍ广尬，如图ｌ０示。 可知箱盖大约在２０。～６Ｏ。的打开范围内，胁 与 ’的差值在± 范围内，即可实现行李箱盖 半开启时保持静止不动的状态。在此角度范围 外，扭杆的作用扭矩均大于车身固有阻力扭 矩，可实现行李箱盖开启时自动弹起，并且全 （１２） ０．４３５５ｘ（１６。＋咖２） 铰链设计时，连杆与铰链方管之间单侧销轴 的摩擦力矩范围为１～１．５ Ｎ・ｍ，为简化计算，取 露羹 亟 豳 交 ９ｏ 求：扭杆力矩＞重力矩＋风力矩＋摩擦力矩。设 扭杆为满足开启状态不受风刮影响，摩擦力矩 为一６ Ｎ・Ｉｎ，所以ｉ 需满足式（１９）条件： ＭＴ＞Ａ ＋Ｍ风＋ 摩擦 （１９） Ｓ０ ７０ 。６ｏ 酾 穴∞ ２ｏ １０ Ｏ 依据以上公式，将各参数值代入， ＭＴ＞１３．５ｘ９．８ｘ０．４６０８ｘｃｏｓ（８６。－１２．９。１＋５．６９－６ 解得： Ｏ １０ ２ｏ ３ｏ 钓 ５ｏ ８ｏ ７ｏ 釉 ９ｏ ＞１７．４ Ｎ・Ｉｎ，由扭杆曲线图可知因 为 最小值出现在行李箱盖全开（８６。），最小值 籽辅拜囊角霞，（ ） 为３Ｏ Ｎ・ｍ，完全能够避免风刮影响。 ５＿４．４驻坡功能验证 图１０ 行李箱盖与扭杆弹簧的平衡关系 汽车在上坡路面行李箱盖打开，要求整车在 １０％的斜坡上（５．７５。）时，行李箱盖仍有保持开 启功能。此时，铰链全开角度保持不变，仍为 ８６。，但铰链中心由之前的１２．９。增大到约ｌ９。，其 结构简图如１１所示。 开时有一定的保持力。 ５．４设计校核 ５．４．１材料性能验证 当ｄ＝６．５ ｍｍ时，解得：Ｋ＝２１７．８ Ｎ・ｍｍ，．，＝＝ １６８。； Ｔｍ ＝２１７．８ｘ１６８＝３６ ５９０ Ｎ・ｍｍ； ＝（１６／盯× ）・ Ｉ咖＝６７８ Ｎ／ｍｍ ； 扭矩应不能超过抗拉强度（ｏｒ ）的４２％，即 需满足式（１８）：Ｔｍａｘ＝ｏ＂ｂｘ４２％； 得￣１］ｒｍａｘ＝１７１０Ｘ４２％＝７１８．２ Ｎ／ｍｍ ； 所以Ｔ＜ｚｍａｘ，符合材料抗扭性能要求。 （１８） ５．４．２人机操作性验证 （１）依据扭杆与铰链的平衡，当行李箱盖由 关闭位置开启时，在扭杆弹簧弹力作用下，自动 弹起到下平衡点，弹起到２０。，用５０％分位男性 假人（身高１．７７ ＩＴＩ）校核，行李箱盖弹起后，弹 图１１ 行李箱盖结构简图 起高度小于２４５ ｍｍ，行李箱盖弹起外侵距离约 １０２ ｍｍ，不会因弹起高度或外侵空间过大而影响 到操作者。 （２）当行李箱盖在外力作用下，由下平衡 由此根据重力矩曲线与旋转角度关系，重新 计算扭矩 ，重力矩 ，， 以及 一尬，，得到 关系曲线如图１２所示。 ９０ ８０ 点，运动到上平衡点，行李箱盖弹起角度约为 ５７。，操作者可以并进行物品搬运操作；行李箱盖 弹起后，弹起高度为７２８．７ ｍｍ，行李箱盖弹起内 侵距离约５３ ｍｍ。 （３）当行李箱盖全开时，李箱盖开启最大角 度为８６。，离地空间为１．７ Ｉｎ，内倾空间量约为 １９０ ｍｍ，满足使用要求。 ５．４．３风阻要求验证 ７０ ６０ 熹５０ ４０ ３Ｏ ２０ １０ ０ ０ １０ ２Ｏ ３０ ４０ ５０ ６Ｏ ７０ ８Ｏ ９Ｏ 因行李箱盖在最大开启时可会受风力矩（约 ５．６９ Ｎ・ｍ）的影响，故还需满足如下方程要 行李糖开窟角度／（。） 图ｌ２ 行李箱盖与扭杆弹簧的平衡关系 圈誓夏
