行李箱腳輪的設(shè)計(jì)探析
發(fā)表時(shí)間:2019/3/17 18:19:10
汽車(chē)行李箱蓋腳輪機(jī)構(gòu)是汽車(chē)行李箱蓋能否順利開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)布置合理直接影響著汽車(chē)的安全與舒適性，目前汽車(chē)行李箱蓋腳輪機(jī)構(gòu)組合方式通常有鵝頸式腳輪與扭桿組合方式、四連桿腳輪與氣彈簧組合方式、鵝頸式腳輪與氣彈簧組合方式、鵝頸式腳輪與拉簧、氣彈簧組合方式、鵝頸式腳輪與拉簧、氣彈簧組合方式等形式。就開(kāi)啟效果和穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，以上組合方式呈質(zhì)量遞增方向。本文將介紹鵝頸式腳輪與拉簧、氣彈簧組合方式（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鵝頸氣撐式）的行李箱蓋腳輪在汽車(chē)行李箱蓋上的相關(guān)布置設(shè)計(jì)。
1、鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪工作原理
1.1氣彈簧的定義
氣彈簧是指由一個(gè)密閉缸筒和可以在缸筒內(nèi)滑動(dòng)的活塞組件及活塞桿組成的以氣體壓強(qiáng)為貯能介質(zhì)的機(jī)構(gòu)。
1.2氣彈簧的結(jié)構(gòu)及工作原理
氣彈簧一般由接頭、活塞桿、導(dǎo)向件、活塞系統(tǒng)、缸筒等組成，如圖1所示。在密閉的活塞筒內(nèi)充入高壓氣體（一般為氮?dú)猓瑑蛇厷怏w壓強(qiáng)作用在活塞面，由于兩邊壓強(qiáng)的不同以及有桿腔和無(wú)桿腔的截面積差，形成活塞桿的輸出推力。
圖1 氣彈簧組成簡(jiǎn)圖
圖1 氣彈簧組成簡(jiǎn)圖
1.3工作原理
行李箱蓋處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，拉簧處于最大拉伸狀態(tài)，當(dāng)行李箱蓋鎖解鎖時(shí)，行李箱蓋隨同拉簧和氣彈簧作用的力繞腳輪軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)匹配時(shí)，拉簧產(chǎn)生的力矩略小于行李箱蓋的重力矩，需要通過(guò)氣彈簧的作用力才能使行李箱蓋開(kāi)啟，由于氣彈簧的開(kāi)啟比較平穩(wěn)，使得整個(gè)行李箱蓋開(kāi)啟過(guò)程較為平緩。
圖 2 鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖 2 鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2、鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪的布置
2.1布置形式
鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪在車(chē)身上的布置形式為拉簧布置在遠(yuǎn)離駕駛側(cè)，氣彈簧布置在接近駕駛側(cè)。
2.2布置安裝設(shè)計(jì)
腳輪系統(tǒng)布置，首先將行李箱蓋兩個(gè)腳輪布置Y向同軸；然后在考慮其他件的空間要求。一般要求氣彈簧到拉簧距離10mm以上，到其他件8mm以上，拉簧到其他件8mm以上，腳輪到其他件距離8mm以上。
2.3設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.1鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪計(jì)算原理
行李箱蓋在解鎖后至開(kāi)啟到最大位置的任意狀態(tài)，受到的力為：
(1)行李箱蓋系統(tǒng)自身質(zhì)量產(chǎn)生的重力G，方向豎直向下，產(chǎn)生的力矩為順時(shí)針?lè)较颍?br />(2)拉簧對(duì)腳輪的拉力F拉，方向沿拉簧的收縮方向，產(chǎn)生的力矩為逆時(shí)針?lè)较颍?br />(3)氣彈簧對(duì)腳輪的拉力F氣，方向沿氣彈簧的收縮方向，產(chǎn)生的力矩為順時(shí)針?lè)较颍?br />由于行李箱蓋開(kāi)啟過(guò)程比較平緩，可以視為在各個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)系統(tǒng)力矩平衡，即拉簧產(chǎn)生的力M拉、重力產(chǎn)生的重力矩MG和氣彈簧產(chǎn)生的力矩M氣力矩平衡。
MG=M拉+M氣
由于拉簧和氣彈簧的力值可以通過(guò)不同的加工工藝和結(jié)構(gòu)調(diào)整，在整個(gè)系統(tǒng)中屬于匹配設(shè)計(jì)工作；設(shè)定行李箱蓋的操作力，通過(guò)調(diào)整拉簧的彈性系數(shù)κ和氣彈簧的力值來(lái)滿足設(shè)定的行李箱蓋開(kāi)啟力，最終匹配計(jì)算出合適的拉簧的彈性系數(shù)κ和氣彈簧力值。
圖 3 鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪力學(xué)原理圖
圖 3 鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪力學(xué)原理圖
2.3.2計(jì)算模型的建立
以下以某車(chē)型布置數(shù)據(jù)為例建立并計(jì)算行李箱蓋腳輪的力學(xué)模型。
2.3.2.1重力矩部分
行李箱蓋重力力學(xué)模型如圖4所示，行李箱由重力產(chǎn)生的重力矩為：
圖4 鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪力學(xué)原理圖
圖4 鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪力學(xué)原理圖
MG=G×R×COS（α-β）；
式中α為行李箱蓋開(kāi)啟角度，β為行李箱蓋關(guān)閉位置與地面線的夾角，R為行李箱蓋重心到腳輪軸線的距離，G為行李箱蓋總成重量。
2.3.2.2拉力矩部分
行李箱蓋拉簧力學(xué)模型如圖5所示，行李箱由拉簧產(chǎn)生的拉力矩為：
圖5 鵝頸氣撐式行李箱蓋拉簧力學(xué)原理圖
圖5 鵝頸氣撐式行李箱蓋拉簧力學(xué)原理圖
M拉=κ（x-X）*L*sin（∠BCO）；
X=L2+l2-2Llcos(γ-α)；
sin（∠BCO）=1-cos2(∠BCO)；
cos（∠BCO）=(l-Lcos(γ-α)/L2+l2-2Llcos（γ-α）；
式中α為行李箱蓋開(kāi)啟角度,k為拉簧的彈性系數(shù)，γ為行李箱蓋關(guān)閉位置與拉簧力臂的夾角，L為腳輪軸線到腳輪上拉簧安裝點(diǎn)的距離（OB），l為腳輪軸線到車(chē)身上拉簧安裝點(diǎn)的距離（OC），X為拉簧自由狀態(tài)下長(zhǎng)度。
2.3.2.3氣彈簧力矩部分
行李箱蓋氣彈簧力學(xué)模型如圖6所示，行李箱由氣彈簧產(chǎn)生的彈力矩為：
圖6 鵝頸氣撐式行李蓋箱氣彈簧力學(xué)原理圖
圖6 鵝頸氣撐式行李蓋箱氣彈簧力學(xué)原理圖
M氣=F*h*sin（∠BDE）
sin（∠ODE）=1-cos2(∠ODE)；
cos（∠ODE）=(h-Hcos(ε+α)/H2+h2-2Hhcos（ε+α）
式中α為行李箱蓋開(kāi)啟角度,F為氣彈簧作用力，ε為行李箱蓋關(guān)閉位置時(shí)氣彈簧安裝兩點(diǎn)與腳輪軸線連線的夾角，H為腳輪軸線到腳輪上氣彈簧安裝點(diǎn)的距離（OE），h為腳輪軸線到車(chē)身上氣彈簧安裝點(diǎn)的距離（OD）。
2.3.2.4力矩匹配
為避免行李箱蓋解鎖后，行李箱蓋彈開(kāi)速度較快，力矩平衡時(shí)，將拉簧的作用力矩設(shè)定略小于尾門(mén)重力矩，圖7為某車(chē)型拉簧力矩與重力矩的作用關(guān)系。
圖7 某車(chē)型重力矩與拉簧力矩的關(guān)系
圖7 某車(chē)型重力矩與拉簧力矩的關(guān)系
氣彈簧的作用力是保證行李箱蓋開(kāi)啟平緩，通過(guò)氣彈簧的作用力，使行李箱蓋的重力矩小于拉簧作用力矩與氣彈簧力矩之和，這樣就能保證行李箱蓋的順利開(kāi)啟。圖8為某車(chē)型拉簧力矩、重力矩和氣彈簧力矩之和即行李箱蓋收到的合力矩。
圖 8 某車(chē)型行李箱蓋關(guān)閉力曲線圖
圖 8 某車(chē)型行李箱蓋關(guān)閉力曲線圖
由于氣彈簧作用力大小受溫度影響比較大，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要對(duì)不同溫度下行李箱蓋的受力進(jìn)行分析，以保證后續(xù)裝車(chē)的開(kāi)啟效果。圖9為某車(chē)型行李箱蓋在不同工況下的受力分析圖。
圖 9 某車(chē)型行李箱蓋各工況下關(guān)閉力曲線圖
圖 9 某車(chē)型行李箱蓋各工況下關(guān)閉力曲線圖
3、實(shí)車(chē)狀態(tài)
通過(guò)實(shí)車(chē)裝配，行李箱蓋開(kāi)啟狀態(tài)平緩，關(guān)閉手感舒適。
4、結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)鵝頸氣撐式行李箱蓋腳輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合物理學(xué)中的力學(xué)平衡原理，并考慮到環(huán)境對(duì)氣彈簧固有特性的影響下，對(duì)汽車(chē)行李箱蓋的腳輪、拉簧和氣彈簧的布置及設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程做了比較詳細(xì)的分析和介紹，可為其他車(chē)型正向設(shè)計(jì)提供參考。
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