专利名称：驾驶室均应力翻转机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种汽车驾驶室翻转机构，具体地说，是一种驾驶室单扭杆翻转 机构。
背景技术：
现代的轻型汽车大都采用平头驾驶室。为了维护保养方便，现代的平头驾驶室大 都采用可翻式驾驶室结构。为了操作方便、轻松、省力并使结构简单，一般对一排和一排半 的驾驶室，大都采用单扭杆来平衡驾驶室的重量。现有的单扭杆翻转机构前视剖视图的结构如图1所示，由扭杆1、轴管2、左支座3、 左支承臂4、右支承臂5、右支座6、调节臂7、调节臂固定孔8组成。其中扭杆1和轴管2左 端用花键9连接，轴管再固定在左支座3和右支座6的轴承孔中，可以转动，不能移动。调 节臂7与扭杆1右端的花键连接并固定在右支座的右侧。调节臂7上设计有长条形固定孔 8，可以调节扭杆的安装角度，从而可以调节扭杆扭力的大小。整个翻转机构由左右支座固 定在大梁上。翻转机构的前视右侧视图如图2所示，为翻转机构与驾驶室的局部安装状态。驾 驶室地板上两根纵梁与翻转机构的左右支承臂，用螺栓装配成一个整体。图2的宏观视图如图3所示，驾驶室的重量G，作用于重心A点。驾驶室重心A点， 与翻转机构旋转中心(扭杆的轴线)C的水平距离为L，垂直距离H。水平状态的驾驶室的 受力状态，也在图3中示出。我们由图3可以看出处于水平状态的驾驶室，其重量G对翻转机构的两个支承臂，要产生一个重力和 扭矩。重力由支承座承受，并传递给大梁。驾驶室重量产生的驾驶室扭矩M由左右支承臂 共同承受，并传递给轴管。轴管通过左端的花键传递给扭杆，使扭杆产生变形产生平衡扭 矩，并由扭杆右端的花键传递给调节臂，调节臂固定在支承座上并把扭矩再传递给大梁，由 大梁承受和支承。为了观察、分析问题方便，我们把图1前视剖视图摆正、正面放置如图4所示，驾驶 室重量对翻转机构两根支承臂产生的扭矩用Ma、Mb表示。这两个扭矩由两个支承臂作用在 它焊接的轴管上。图中，A、B分别表示左、右支承臂与轴管的焊接部，0表示轴管与扭杆的 花键连接部，a表示0点到B点的距离；b表示B点到A点的距离。我们分析轴管的扭矩分布情况轴管里面的扭杆右端通过支承臂固定在右支座 上，左端通过花键与轴管连接，。M为扭杆扭转变形产生的扭矩，通过左端的花键作用在轴管 上，再通过轴管上的左右支承臂，作用在驾驶室上，平衡驾驶室重量产生的扭矩。因此M就 等于驾驶室重量产生的扭矩。Ma和Mb的方向是经过多次计算的结果。由此得到轴管的受 力状态如图4所示。现在计算各个扭矩的数值。计算方法如下用计算正反两个方向的扭矩，相对于同一个固定点产生的扭转角 度相等的原理进行计算(在力学上称为达朗贝尔原理，也就是虚位移原理)。如图4所示， 设轴管的剪切模量为G，惯性矩为I[0010]以A为固定点时扭矩M相对于A点产生的扭角为M(a+b)/GI扭矩Mb相对于A点产生的扭角为MBb/GI因为翻转机构处于平衡状态，所以上面正反方向的两个扭角应该相等，即M(a+b)/GI = MBb/GI ；消去分母得M(a+b) = MBb 变换得:MB = M(a+b)/b再参见图4，由同一杆上所受到的正反两个方向的扭矩相等的原理可得Mb = Ma+M 移项算得 Ma = Mb-M将上式Mb 值代入算得 Ma = M (a+b) /b_M = Ma/bMb = M+Ma = M+Ma/b = M(l+a/b)这就是两个支承点A、B处的扭矩。AB 处两点扭矩的比值Mb/Ma = (l+a/b)/(a/b) = 1+b/a。根据某台驾驶室和翻转机构的结构参数a = 211 ；b = 480 ；M = 2256 NM-—驾驶室重量产生的驾驶室扭矩算得Ma= Ma/b = 2256 * 211/480 = 991. 7Mb = M(l+a/b) = 2256 * (1+211/480) = 3247. 7可见左右支承臂受力不均勻，相差3347. 7/991. 7 = 3. 27倍下面计算轴管的变形角。某驾驶室轴管材料20A ；轴管外径D = Φ40πιπι;轴管内径d= 032mm;G = 76000Mpa ；L为计算的两点之间的轴管长度；轴管刚度K = π (D4_d4)G/32/L* Ji /180= Ji (404-324)*76000/32/L*ji/180 = 1. 968*105/L Nm/deg其中刚度系数K乘上π/180，是进行角度单位换算，由弧度变为度。现在计算轴管的变形角。下表中基点就是计算的基准点，即假设的固定点。计算 其他的点相对于基准点的转角数值。刚度IVKm^Kmb分别表示扭矩M、MA、MB所在的平面，相 对于基点的刚度；转角为相对于基点的转角。具体数据列表如下
轴管尺寸基点刚度公式刚度转角。刚度Kmb转角。外经Φ 40 内径Φ32AK=1.97/L IO5 Nm/degKm=2857.914107.91OKma=2853.489343.48由上面的计算结果可以看出相对于同一个基点，不同的扭转点的扭转角是相同 的。上面是迄今为止，所有的轻型平头车，单扭杆翻转驾驶室的设计、制造和工作状 态。由于驾驶室纵梁受到翻转机构的两个支承臂的支承扭矩的差别太大(本专利的例子相 差达到3. 38倍，更大的达到了六倍之多)，使得驾驶室受力不均勻，这就要产生以下严重的 设计、制造、使用和材料浪费等等多方面的诸多问题。1、设计不合理。两边受力相差如此之大，没有从设计的角度，把这个不合理性解 决，是一个严重的缺陷。2、由于设计不合理，两边受力相差太大，造成驾驶室发生歪斜，对车架、驾驶室左 右地板骨架、驾驶室前支承轴管和支承臂要求都提高很多，造成成本大幅度提高。[0036]3、更糟糕的是，驾驶室左右地板骨架都是采用同样的结构、尺寸和材料的零部件。 一边受力大，应力大，材料工作在应力的边缘状态。另一边应力又很小，材料处在极大的浪 费之中。4、这个歪斜力又不是一个稳定的力，而是随着车身的振动而一起产生歪斜振动， 又使得乘员很不舒服。这样的状态，所有的驾驶室和驾驶室翻转机构的设计人员都十分清楚，大家都在 想办法解决这个问题。可始终没有解决。
发明内容本实用新型解决的是现有的驾驶室翻转机构的两个支撑臂受力不均，驾驶室受力 不均、产生歪斜变形和歪斜振动，驾驶室左右受力不均造成左右零部件设计困难、寿命不一 致的等等问题，提供了一种结构简单、实施容易、应力比传统结构大幅度下降的驾驶室均应 力翻转机构。本实用新型的驾驶室均应力翻转机构，包括扭杆、轴管、两个支座、两个支承臂；扭 杆穿过轴管，其一端固定在一个支座上，另一端与轴管的一端连接；用于支撑驾驶室的两个 支承臂均固定在轴管上；轴管转动设置在两个支座上，两个支承臂在轴管的圆周方向成一 定的夹角；当一个支承臂带动轴管相对于另一个支承臂转动而使得夹角减小时，轴管产生 的扭矩与驾驶室的重量对轴管产生的驾驶室扭矩方向相反。本实用新型的有益效果本实用新型突破了传统翻转机构在设计时两个支承臂与 大梁上平面的夹角是相同的思路，即两个支承臂是平行的，两个支承臂在轴管的圆周方向 上的夹角为0°的思路。而让两个支承臂与大梁上平面的夹角是不同的。即两个支承臂在 轴管的圆周方向成一定的夹角。在驾驶室装配时，驾驶室强大的刚度，强制两个支承臂与大梁上平面的夹角变成 相同，从而就给左右支承臂施加了一个预加扭矩，预加扭矩的方向与(传统翻转机构中的) 支承臂处于水平位置时其所产生的最大扭矩的方向相反，把最大扭矩平衡一部分，使支承 臂在正常工作时，左右两支承臂上的应力基本相等，从而解决了上面的一系列问题。上述的驾驶室均应力翻转机构，当一个支承臂带动轴管相对于另一个支承臂转动 至所述夹角为0°时，轴管产生的扭矩与驾驶室的重量对轴管产生的驾驶室扭矩大小相等。下面分析在驾驶室未安装在均应力翻转机构时，一个支承臂相对于另一个支承臂 的夹角应该多大(或者说预加扭矩多大)。我们把需要预加的扭矩设为未知数Mx，相应产生的预扭角为Cix，此即最大扭矩点 B的预扭角，也就是驾驶室装配之前，两个支承臂之间的夹角。由此我们可以得到Mx= αχ*Κ'。此时为翻转机构未装驾驶室时的自然状态，如图5所示。其中K为两支承臂间的刚度由汽车工程手册，设计篇2001版ρ819查得K' = π (D4-d4)G/32/L*Ji/180某驾驶室轴管材料20A ；轴管外径D = Φ40πιπι;轴管内径d= 032mm;G = 76000Mpa ；L为A、B两点之间的轴管长度(即两支承臂间的距离b)；则K ‘ = π (D4-d4)G/32/L*Ji/180 = π (404_324) *76 0 00/32/480* π/180 = 410Nm/deg[0051]其中刚度K'乘上π/180，是进行角度单位换算，由弧度变为度。在装配时，驾驶室处于最高的斜放位置，翻转机构的两个支撑臂和驾驶室装配成 一体。此时，驾驶室质心和重力线通过翻转机构的轴管的轴线，两个支承臂不承受驾驶室重 量产生的扭矩，又因为翻转机构和驾驶室装配成一体，图5所示之两个支承臂之间的夹角 消失，从而使得两个支承臂只承受这个预加的扭矩，并且，一正一负，数值为预扭矩的一半。 因为不这样，支承臂和驾驶室就不能平衡。所以，在驾驶室处于最高的斜放位置，驾驶室重力线通过翻转机构的轴管的轴线时A 点扭矩为M/ = 0. 5ΜΧ ；B 点扭矩为MB' = -0. 5ΜΧ在驾驶室未翻转时，水平工作位置A 点工作扭矩为Ma" = Ma' +Ma = 0. 5Mx+Ma/b ；B 点工作扭矩为Mb" = Mb' +Mb = -0. 5Mx+M(l+a/b)即是A、B两点的工作扭矩分别等于预加扭矩加上前面计算出来的扭矩。在不知道 A、B两点的工作扭矩真实数据之前，我们强制命令A、B两点的工作扭矩相等。即令:Ma"= Mb"，代入上式0. 5Mx+Ma/b = _0· 5Mx+M(l+a/b)移项计算得MX= M(l+a/b) = Ma/b = M某驾驶室M = 2256匪(驾驶室重量产生的驾驶室扭矩)，代入得Mx = M = 2256Nm。这就计算出来了 A、B两点的扭矩相等时的预加扭矩的数值。也就是A、B两个支承 臂扭矩相同时，预加扭矩的数值。这个预加扭矩，就等于驾驶室重量产生的扭矩。因此，预扭角Cix = Mx/K' =WK'。即预扭角等于驾驶室的重量对轴管产生的驾 驶室扭角。代入前面计算出来的数据Mx = M = 2256Nm, K' = 410Nm/deg ；得α χ = Μχ/Κ' = Μ/Κ' = 2256/410 = 5· 5°。支承臂A、B两点的工作扭矩Ma〃 = Mb〃 = 0. 5Mx+Ma/b = 0. 5X2256+2256X211/480 = 2119. 7工作扭矩比传统翻转机构的工作扭矩下降(3247. 7-2119. 7)/3247. 7 = 34. 7%由此我们可以看出，原来受力不均勻的左右支承臂和驾驶室，现在变成左右支承 臂和驾驶室两侧受力相同了。这就解决了上面所提出来的一系列的问题，把翻转机构的设 计工作向前推进了 一步。上述的驾驶室均应力翻转机构，2° <夹角<30°，优选夹角=5° -10°。上述的驾驶室均应力翻转机构，所述扭杆另一端与轴管的一端通过花键连接。上述的驾驶室均应力翻转机构的制造方法，包括将用于支撑驾驶室的两个支承臂 固定(如焊接)在轴管上的步骤，固定在轴管的圆周方向的两个支承臂成一定的夹角；当一 个支承臂带动轴管相对于另一个支承臂转动而使得夹角减小时，轴管产生的扭矩与驾驶室 重量对轴管产生的驾驶室扭矩方向相反。可以计算出驾驶室扭矩对两个支承臂之间的轴管产生的扭角，把靠近扭杆与轴管 连接处一端的支承臂沿驾驶室翻转方向相反的方向旋转半个驾驶室扭角而将其固定在轴 管上；把另一个支承臂沿驾驶室翻转方向旋转半个驾驶室扭角而将其固定在轴管上。
图1是驾驶室单扭杆翻转机构的立体剖视图。图2是驾驶室单扭杆翻转机构与驾驶室相连的局部示意图(图1的右侧视图)。图3是驾驶室水平状态时，单扭杆翻转机构的受力示意图。图4是现有的驾驶室单扭杆翻转机构的前剖视图。图5是本实用新型的驾驶室均应力翻转机构未装驾驶室的侧视图。
具体实施方式
参见图5 (并参考图1，可看作是图1的右侧视图)所示的驾驶室均应力翻转机构， 包括扭杆1、轴管2、左支座3、左支承臂4、右支承臂5、右支座6、调节臂7等组成。扭杆1 和轴管2左端用花键9连接，轴管再固定在左支座3和的右支座6轴承孔中，可以转动，不 能移动。调节臂7与扭杆1右端的花键10连接并通过调节臂固定孔8，由螺栓固定在右支 座上。调节臂7上的长条形固定孔8，可以调节扭杆的安装角度，从而可以调节扭杆扭力的 大小。用于支撑驾驶室的左支承臂和右支承臂均焊接在轴管上。左支承臂和右支承臂在轴 管的圆周方向成一定的夹角αχ，如Cix = 5.5°。当左支承臂带动轴管相对于右支承臂转动至所述夹角为0°时，轴管产生的扭矩 与驾驶室的重量对轴管产生的驾驶室扭矩大小相等、方向相反。均应力驾驶室翻转机构设计、制造的方法如下1.按传统的方法把驾驶室的翻转机构设计出来。在此基础上进行下面的工作。2.计算出左右支承臂之间的轴管刚度。3.计算出水平位置时，驾驶室重量相对于旋转中心产生的驾驶室扭矩。4.计算出驾驶室扭矩在左右支承臂之间产生的扭角，称为驾驶室扭角或预扭角。5.改变传统设计支承臂的焊接位置把靠近轴管花键端的左支承臂沿驾驶室翻 转相反的方向旋转半个驾驶室扭角，把轴管自由端的支承臂沿驾驶室翻转方向旋转半个驾 驶室扭角。6.按上面计算的角度和尺寸设计图纸，焊接总成。7.现场装车，确认各项工作无误后，便可以试验和投入使用。传统的翻转机构，在设计时两个支承臂与大梁上平面的夹角是相同的(或者说， 安装驾驶室的左右支承臂与驾驶室地板平面的安装角度是相同的)，因而产生一系列问题。 因此本专利的主要措施和思路就是，让两个支承臂与大梁上平面的夹角是不同的(安装驾 驶室的左右支承臂与驾驶室地板平面的安装角度是不相同的)，如图5所示。在驾驶室装配 时，驾驶室强大的刚度，强制两个支承臂与驾驶室地板平面的夹角变成相同。所述的左右支 承臂在驾驶室安装完毕后，驾驶室处在设计的水平落座位置时，两个支承臂及驾驶室连接 纵梁等零部件的受力基本上相同。与传统的翻转机构相比，应力下降了 30-50%。原来受力不均勻的驾驶室，现在变成左右支承臂受力相同了。这就解决了上面所 提出来的一系列的问题，把翻转机构的设计工作向前推进了一步。由此可见，本产品结构简单，实施容易，与传统结构相比，受力情况大大改善，应力 比传统结构大幅度下降且应力分布均勻、受力状态合理，在驾驶室和翻转机构的工作平稳性、应力状态、材料利用率等等方面都有了很大的改进，解决了长期困扰工程师们的翻转机 构左右受力不均的问题、以及驾驶室受力不均、产生歪斜变形和歪斜振动，影响乘员舒适性 以及驾驶室左右受力不均造成左右零部件设计困难、寿命不一致等等问题。
权利要求1.驾驶室均应力翻转机构，包括扭杆、轴管、两个支座、两个支承臂；扭杆穿过轴管，其 一端固定在一个支座上，另一端与轴管的一端连接；用于支撑驾驶室的两个支承臂均固定 在轴管上；轴管转动设置在两个支座上，其特征是两个支承臂在轴管的圆周方向成一定 的夹角；当一个支承臂带动轴管相对于另一个支承臂转动而使得夹角减小时，轴管产生的 扭矩与驾驶室的重量对轴管产生的驾驶室扭矩方向相反。
2.如权利要求1所述的驾驶室均应力翻转机构，其特征是当一个支承臂带动轴管相 对于另一个支承臂转动至所述夹角为0°时，轴管产生的扭矩与驾驶室的重量对轴管产生 的驾驶室扭矩大小相等。
3.如权利要求2所述的驾驶室均应力翻转机构，其特征是2°<夹角<30°。
4.如权利要求1所述的驾驶室均应力翻转机构，其特征是2°<夹角<30°。
5.如权利要求4所述的驾驶室均应力翻转机构，其特征是夹角=5.5°。
6.如权利要求1所述的驾驶室均应力翻转机构，其特征是所述扭杆另一端与轴管的 一端通过花键连接。
专利摘要本实用新型解决的是现有的驾驶室翻转机构的两个支撑臂受力不均，驾驶室受力不均、产生歪斜变形和歪斜振动，驾驶室左右受力不均造成左右零部件设计困难、寿命不一致的等等问题，提供了一种结构简单、实施容易、应力比传统结构大幅度下降的驾驶室均应力翻转机构。它包括扭杆、轴管、两个支座、两个支承臂；扭杆穿过轴管，其一端固定在一个支座上，另一端与轴管的一端连接；用于支撑驾驶室的两个支承臂均固定在轴管上；轴管转动设置在两个支座上，两个支承臂在轴管的圆周方向成一定的夹角；当一个支承臂带动轴管相对于另一个支承臂转动而使得夹角减小时，轴管产生的扭矩与驾驶室的重量对轴管产生的驾驶室扭矩方向相反。
文档编号B62D33/063GK201923230SQ201020659780
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者周洪亮, 张奠忠, 熊保平, 田耀霁 申请人:南京开瑞汽车技术有限公司