驾驶室悬置机构总成设计规范

208第七篇车身系统设计规范第一章驾驶室悬置机构总成设计规范第一节不翻转驾驶室悬置驾驶室安装在车架上，为了减少车架的振动及变形对驾驶室的影响，通常是在驾驶室与车架之间加装弹性装置，即驾驶室的悬置系统。一、悬置的数量根据驾驶室悬置的数量不同，可以分为三点式和四点式悬置。1、三点式悬置三点式悬置机构为前面两点，后面一点。从理论上讲，三点可以决定一个平面，因此三点悬置式静定结构，当车架产生扭转变形时，对驾驶室的影响不大，即驾驶室不会随着受扭而变形。但是，三点悬置的驾驶室，其横向稳定性较差，随着车架的反复扭转而左右摇晃，驾驶室也因摇晃的惯性力而产生扭矩。由于驾驶室是三点悬置，只有前两点的支反力与左右摇晃的惯性力平衡，因此应力较大。2、四点式悬置四点悬置结构为前面两点，后面两点。从理论上讲，它是超稳定问题。四点悬置驾驶室的横向稳定性虽然较好，但当车架受扭而变形时，扭矩也传递给了驾驶室，使之产生扭转变形，如果驾驶室的整体扭转刚度很大时，势必要在悬置点和地板的悬置支架部分产生很大的应力。二、悬置形式悬置中的弹性元件起缓冲作用，根据它的不同，有一般悬置和全浮式悬置之分。1、一般悬置到目前为止，大多数载货汽车的驾驶室都是采用由橡胶制成各种形式的垫块充当弹性元件的一般悬置结构。悬置部件要在反复变换的拉力和压力情况下工作，但橡胶昀怕在这种交变载荷工况下工作，交变载荷易使橡胶件产生破坏。因此，一般悬置中的橡胶中的橡胶垫多数为上下两个或更多，每个垫块都只在单向压力下工作。209在驾驶室悬置设计工作中，应注意以下事项。1.1应使悬置几个的垂直方向较软，以便于缓冲和减小车架变形对驾驶室的影响；而在纵向及横向方向应较硬，以防止驾驶室传动。1.2当采用四点式悬置时，应注意调整各点高度，使之同时接触。若不能同时接触时，应利用垫片调整，切不可采用加力的办法使之接触，防止驾驶室产生装配应力，使橡胶垫额外加重负担。在驾驶室悬置机构中，弹性元件的刚度可以不同，当应使前两点的刚度相同，后两点的刚度也相同。1.3驾驶室悬置机构中的橡胶弹簧元件，应选择强度高、耐久性好、防振性也很好的橡胶材料。2、全浮式悬置一般形式驾驶室悬置，不论是三点式还是四点式，都存在着一些难以克服的缺点。近几年来，随着对汽车乘坐舒适性要求的提高，驾驶室的悬置也不断得到改进和完善，出现了所谓全浮式悬置。在这种悬置结构中采用与汽车悬挂结构相似得钢板弹簧或螺旋弹簧作为弹性元件，设计时考虑与悬挂匹配，并配置筒式减振器。因此，它不但具有良好得缓冲性能，而且还具有良好得减振性，大大提高了汽车得乘坐舒适性。在全浮式悬置结构中，其弹簧得变形量要比橡胶软件大许多倍。采用这种悬置得汽车，在车架受扭变形时，弹簧的变形可以抵消车架变形量的大部分，从而改善驾驶室的受力状况，对驾驶室起到保护作用。然而，由于全浮式悬置比一般悬置结构的重量重，成本高，安装空间大，因此并未得到广泛应用，尤其在中小吨位的载货汽车上，更难以实现。第二节翻转驾驶室悬置在现代平头汽车中，发动机大都位于驾驶室后部的座椅之下，为改善发动机的接近性，便于维修，往往采用可翻驾驶室。翻转机构（含锁止机构）是翻转车型中连接车身和车架总成，是翻转车型的悬置部件，同时也是驾驶室翻起时的运动部件。其主要功能有以下几点：1、连接驾驶室和车架，有适当的弹性，对车架的振动变形起隔振、缓冲的作用。2、作为驾驶室翻起时的运动部件，由扭杆提供适当的翻转力矩。2103、有适当的刚度，在驾驶室受到冲击时发生变形从而保护驾驶室。通常有两种机构：1）液压机构，2）借助弹性元件翻转机构。由于采用液压机构成本较高，目前只在一些重型车上应用，而借助弹性元件翻转机构因为翻转迅速、省力、制造成本较低，在中小吨位的汽车得到广泛应用。下面仅对第二种翻转机构设计做详细叙述。在可翻驾驶室的翻转机构中，使用的弹性元件有以下几种。1．螺旋弹簧虽然螺旋弹簧的工艺成熟，使用应力很低，又有很高的强度和很长的疲劳寿命，但它的体积大，重量重，在车身上不易布置，还需要专门的卷簧设备生产螺旋弹簧。2．扭转弹簧扭杆弹簧的种类很多，常用的有下列几种。（1）扭杆弹簧这种弹簧在驾驶室翻转机构中应用昀广。其优点是结构简单，容易加工，操作省力，使用方便；结构紧凑，便于布置；保养维修简便；使用可靠，疲劳寿命很长。（2）扭片弹簧这种弹簧在重量和尺寸方面比扭杆弹簧要大。它的优点是可以通过增减扭片的数量，很容易实现弹簧刚度的改变，适用于各种不同重量的系列产品驾驶室。（3）扭管弹簧这种弹簧的优点是重量轻，材料利用合理，其缺点是结构复杂、制造困难。（4）扭杆－扭管组合或扭片－扭管组合弹簧这种弹簧的优点是可以获得昀理想的效果，工作应力可以取得很低；长度短，便于布置。其缺点是结构复杂，制造困难。综上所述，在用以实现驾驶室翻转的助力弹簧中，以扭杆弹簧的优点昀为突出，因此使用的也昀多。下面仅以扭杆弹簧为例，对其结构设计进行说明。第三节扭杆翻转系统结构设计一、驾驶室重量、重心位置的确定211驾驶室的重量和重心位置是扭杆和翻转中心设计的依据，它们准确与否将直接关系到驾驶室翻转时的轻便性。如果将驾驶室的重量估计的过重或重心位置偏低、偏后，则设计处的扭杆扭矩必然过大，致使驾驶室向前翻转的速度过快，回位困难，甚至不能回位。反之，如果将驾驶室的重量估计的过轻或重心位置偏高，在翻转驾驶室时将会感到沉重，甚至翻不起来。因此，在设计时对驾驶室的重量和重心位置必须认真对待。在新车设计中，驾驶室的重量和重心位置可以采用以下方法确定。1、根据样车的驾驶室来定如果有参考样车，应首先把样车驾驶室的重量和重心位置测出，并估计新设计的驾驶室与样车驾驶室的差别，定出其重量及重心的位置。样车驾驶室的重量和重心位置的测定可参照JZQS04-04-02《EQ1040G/T驾驶室重量及重心测定》中的方法。2、估计根据所设计的新车驾驶室外廓尺寸、结构、材料、内部设施及其布置等，与已知重量、重心位置的一种或几种驾驶室对照比较，可以估计出新车驾驶室的重量和重心位置。这种方法以经验为基础，不易估计得很准确。3、计算根据驾驶室得每块板的尺寸、形状、料厚等分别计算出它们的重量和重心位置，同时计算出驾驶室内各种设施的重量和重心位置，然后再详细计算车总的重量和重心位置。这种方法非常复杂，也不易计算得很准确。利用以上各种方法得到驾驶室得大致重量和重心位置，然后计算出扭杆得尺寸，用以布置设计，待驾驶室制造出来以后，再实测出其重量和重心位置，昀后进行精确计算，修改扭杆设计。特别说明：通常在设计时认为驾驶室的重心位置在左右对称的中心面内（即Y0平面内），下文中所以关于扭杆计算的角度也是认为在Y0平面内。二、翻转中心位置及驾驶室翻转角的确定1、确定翻转中心的原则1.1应有足够的刚度和强度。翻转中心也是驾驶室的悬置点。当驾驶室被翻起来时，它的整个重量全由两个支承点来承担。汽车运行中的各种力、力矩和振动等也由此点传递给驾驶室。212因此，连接地板梁与翻转轴的翻转支架必须有足够的刚度和强度。在设计中往往采用5～10mm厚的钢板冲压而成，或采用铸钢件。实际在设计时由于我们生产的驾驶室自重不是太大，而翻转支架的钢材用的较好（通常用16MnREL或Q345），采用4mm的厚度即可。翻转支架与驾驶室的连接要可靠，大多数在纵梁和横梁的交接处连接。在某些汽车中，也有应用一厚壁钢管焊在纵梁前部经过加强的部位，既可做前横梁又做翻转轴。1.2要从运动状态和间隙方面考虑在驾驶室翻起的全过程中，驾驶室上的任何部分都不能与固定在车架上的任何不翻转部分产生运动干涉。由于现在的货车对外型美观要求得越来越高，不允许外观上有较大的间隙，而在以前的翻转车身，为了保证翻转，车身和安装在车架上得保险杠往往留有很大的间隙。但通过对前围适当的造型，合理适当的翻转中心位置可以使驾驶室在锁止时能保证和保险杠间隙较小又能保证驾驶室翻转时的运动间隙。1.3接近性要好为保证车辆在维修时便于方便的拆装驾驶室，以及对翻转系统的维护保养，翻转点应当易于接近。1.4要求翻转轻便，运动自如翻转中心越是靠近驾驶室的重心，翻转驾驶室时所需的翻转力矩越小。但翻转重心越靠近驾驶室，前围部分的运动范围就越大，要求的空间就越大，车身和保险杠的间隙也同时增大。所以翻转中心的布置要综合考虑。2、驾驶室翻转角度的确定从翻转中心到驾驶室重心的连线与水平面之间的夹角称之为驾驶室的重心角。驾驶室翻转到昀大角度时以重心过翻转中心的垂线为好。这时扭杆与驾驶室脱离接触，限位器受力不大，而放下时只需轻轻拉动驾驶室，不用使很大的劲。设计时保证翻转角度与驾驶室重心角互为余角即可。对于我们现生产的车型，一般定义的翻转角度为40°。三、扭杆位置的确定扭杆中心相对于翻转中心的位置可有以下几种情况。1、扭杆中心与翻转中心重合为了保证驾驶室能翻起来，应满足下式：213M扭＝MG(3-1)α扭＝αG(3-2)式中M扭――扭杆的扭矩MG――驾驶室的重力距α扭――扭杆的扭转角度αG――驾驶室的翻转角度这时驾驶室在翻转过程中，扭杆在驾驶室上的力的作用点与驾驶室之间无相对滑动。这也是我们在设计单扭杆方案时常常采用的中心布置方式。2、扭杆中心位于翻转中心之前，即扭杆中心和驾驶室重心在翻转中心的两侧。这时有：M扭MG(3-3)α扭αG(3-4)在驾驶室翻转过程中，扭杆臂与驾驶室支座之间有相对滑动。3、扭杆中心位于翻转中心之后，即扭杆中心和驾驶室重心在翻转中心的同侧。这时有：M扭MG(2-5)α扭αG(2-6)在驾驶室翻转过程中，扭杆臂与驾驶室支座之间也有相对滑动。由上述分析可知，第一种情况时昀好。但是由于驾驶室前面区域中布置了各种机构，如各种管路、拉丝、电线束，翻转支架本身的结构尺寸，车身和车架的间隙等诸多限制，往往布置起来较为困难。在采用其它两种结构情况时（此时我们往往采用双扭杆结构），若将扭杆布置在如图3-1所示的阴影区内，则扭杆臂与驾驶室支座之间的相对滑动量较小。214图3-1（O为翻转中心）四、扭杆的计算在考虑到扭杆支架（又称前悬置支架）的强度及扭杆的尺寸等因素之后，我们希望扭杆中心与翻转中心尽量靠近。1、翻转驾驶室所需要的扭矩下面仅以扭杆位于驾驶室翻转中心之前为例来说明。在驾驶室翻转前、后的情况下，驾驶室的重心、翻转中心、扭杆中心之间的几何关系如图3-2所示图中G――驾驶室的重量，kgg――重力加速度，m/s2a――驾驶室翻转前重心位置a1――驾驶室翻转后重心位置o――驾驶室翻转中心o1――扭杆中心b――驾驶室翻转前，扭力臂在驾驶室上的力作用点b1――驾驶室翻转后，扭力臂在驾驶室上的力作用点，通常假设翻转后的作用点不变。α――驾驶室重心角，（°）O21βα(β)θψδ图3-2215β――驾驶室翻转角，驾驶室锁止时为0，图中的β为昀大值，（°）ψ――扭杆的扭转角，（°）从图2－3中可得驾驶室翻转过程中，重力距随翻转角的变化关系为MG=G·g×oa×cos（α＋β）(3-7)式中MG――重力距，Nmα――驾驶室的重心角，为常量，α＝tg-1odad(3-8)oa――翻转中心与驾驶室重心的连线，也是常量，oa＝αcosod(3-9)MG随翻转角度β变化如图3-3所示，为余弦曲线的一部分在驾驶室翻转过程中，由于预先把扭杆扭过一定角度，因此在打开锁止机构后，驾驶室在扭杆扭矩的作用下，可以自行翻转一定的角度，然后处于平衡状态。锁止时，需要在驾驶室上施加一定的拉力（选择拉力为100~150N），在乘以扭杆中心到把手的距离，即得到锁止时需要的附加力矩M附，则MG＋M附＝Mmax(3-10)式中Mmax――翻转驾驶室时需要的昀大力矩，Nm2、扭杆计算的扭矩依据Mmax是驾驶室由锁止开启时翻转所需要翻转力矩，也是扭杆施加于驾驶室的扭矩。由于各根扭杆的安装位置不同，为使每根扭杆施加于驾驶室的扭矩相同，原则上应当分别设计各根扭杆。然而，为了减少零件种类、简化生产工艺，一般时应用两根或几根相同的扭杆，而采用使每根扭杆施加于驾驶室的扭矩不同的方式，以nMmax（n为扭杆数量）做为计算扭杆的依据，算出扭杆尺寸。然后根据每根扭杆的实际安装位置，算出每根