駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計
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卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)總裝配.DWG
車支架右.DWG
駕駛室安裝架.DWG
駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計論文.doc
摘要
中型卡車駕駛室已經(jīng)平頭化，為了便于發(fā)動機的維修保養(yǎng)，要求駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn)。由于中型卡車駕駛室太重，單憑人力無法實現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)，必須要借助于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。
大多數(shù)中型卡車翻轉(zhuǎn)機構(gòu)都采用機械式雙扭桿式。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上的重要部件是扭桿彈簧，扭桿的彈力是駕駛室得到翻轉(zhuǎn)的主要動力源，因此，扭桿彈簧性能的好壞直接關(guān)系到駕駛室的翻轉(zhuǎn)。
本文針對某中型卡車駕駛室，根據(jù)駕駛室翻轉(zhuǎn)時的實際工作狀況，根據(jù)車架和駕駛室的尺寸，對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行設(shè)計，對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的重要部件扭桿進行設(shè)計，并且同時對扭桿其他部分尺寸進行設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞：中型卡車 翻轉(zhuǎn)機構(gòu) 扭桿彈簧
Abstract
The cab of the medium-sized truck has been flattened. In order to facilitate maintenance and repair of engine, the cab must be able to flip forward. The cab tilting mechanism must be needed because manpower is not strong enough to achieve its tilting.
The cab tilting mechanism of the majority of medium-sized truck is mechanical and torsion bar-type dual. One of the important parts is the torsion bar spring on the tilting mechanism. The elasticity of torsion bar is the main power that makes the cab tilting.
In this paper, the tilting mechanical hardware for the cab of the medium-sized truck was designed according to the actual working conditions at tilting time and the size of the truck frame and cab. Based on the principles of ergonomics, the torsion bar, which is the key part of the tilting mechanism, was designed. And the other parts of torsion bar were designed at the same time.
Key words：medium-sized truck；tilting mechanism hardware；torsion bar spring；
目錄
第一章 緒 論 4
1.1 引言 4
1.2 研究背景 5
1.3 研究目的和意義 5
第二章 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 7
2.1 引言 7
2.2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 7
2.2.1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理 7
2.2.2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)總成設(shè)計 8
2.3 扭桿彈簧的設(shè)計 11
2.3.1 駕駛室重心的測量 12
2.3.2 扭桿的材料的選用 14
2.3.3 扭桿結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 14
2.3.4 扭桿的其它的尺寸設(shè)計 18
2.4 扭桿加工工藝 20
2.4.1 端部加工 20
2.4.2 熱加工工藝 22
2.4.3 扭桿表面形變強化 23
2.4.4 感應(yīng)淬火表面強化 28
2.5 扭桿應(yīng)力校核 29
總結(jié) 31
致 謝 32
參考文獻 33
第一章 緒 論
1.1 引言
汽車問世以來對人類的出行產(chǎn)生了巨大影響。如今，汽車工業(yè)的發(fā)達程度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)水平的重要標志，汽車也已經(jīng)成為當代物質(zhì)文明與進步的象征及文明形態(tài)的一種代表。
中型卡車在日常生活中的應(yīng)用日益普遍，目前我國的中型卡車駕駛室已經(jīng)平頭化，為了便于發(fā)動機的維修保養(yǎng)，要求駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn)。由于中型卡車駕駛室太重，單憑人力無法實現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)，必須要借助于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的核心部件為提供翻轉(zhuǎn)扭力的扭桿彈簧。
扭桿彈簧作為一種彈性機械零件，越來越多的應(yīng)用于各種機械和汽車產(chǎn)品中。扭桿彈簧跟其它類型彈簧一樣，都是利用材料的彈性以及本身結(jié)構(gòu)和總體布置的特點，把機械功或動能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，或?qū)⒆冃文苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C械功或動能，實現(xiàn)能量儲備和穩(wěn)定作用。如各種越野車輛上的懸架裝置用它來做緩沖和減振；在高速內(nèi)燃機上的進排氣系統(tǒng)中，用它來避免或緩和汽門主圓柱螺旋彈簧在強烈振動的動載荷作用下所引起的顫動；在使用空氣彈簧做穩(wěn)壓器的車輛上，利用它做穩(wěn)壓器；在高速小轎車的懸架裝置，利用它做穩(wěn)壓桿，以增加車輛轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性；對于一些需要一定助力的機構(gòu)，如可翻的駕駛室、擋浪板、散熱器以及各種門、窗蓋等，常用它做儲能元件；在傳動軸和驅(qū)動軸中，為了減少扭振和緩和扭矩的變化，也常在軸中插入扭桿彈簧等等。由此可見，扭桿彈簧已被廣泛用于各類機械設(shè)備和裝備上，從精密儀器到各種控制及測力設(shè)備，從坦克裝甲車輛到民用各種越野車輛和工程機械，無所不用，并且它的應(yīng)用范圍正在逐漸擴大。
在中型卡車翻轉(zhuǎn)機構(gòu)中，扭桿彈簧的設(shè)計與制造工作決定著整個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的性能。在傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中，首先需要進行市場調(diào)研，確定對產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)等方面指針的要求；其次，進行概念設(shè)計，對每種不同設(shè)計方案都繪制出相應(yīng)的工程圖樣；然后，進行方案論證(通常是基于經(jīng)驗的且需要較長的時間)，確定出合適的方案：最后進行產(chǎn)品設(shè)計。在設(shè)計完成后，為了驗證設(shè)計，通常要試制出產(chǎn)品的實物樣機(物理樣機)，并針對該樣機設(shè)計多種試驗方案，同時在各種不同工況下進行測試，有時這些試驗甚至是破壞性的。當發(fā)現(xiàn)樣機存在缺陷時，又必須對設(shè)計方案及工程圖紙進行修改并進行新的一輪樣機試制、測試。只有通過周而復始的“設(shè)計——試驗——設(shè)計”過程，產(chǎn)品才能達到要求的性能。這一過程是冗長的，而且隨著產(chǎn)品復雜程度的提高，這種反復的物理樣機 50%-80%的產(chǎn)品及其相關(guān)成本取決于設(shè)計過程，通常有 25%以上的開發(fā)時間耗費在物理模型和樣機的制造上。顯然，在激烈競爭的市場背景下，基于實際樣機的設(shè)計驗證過程嚴重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，成本的降低以及對市場的占有。
進入 20 世紀 60 年代中期，世界各大汽車公司在設(shè)計中引入了電子計算機后形成了 CAD、CAE、CAM 等新方法，并使設(shè)計逐步實現(xiàn)半自動化和自動化。一些當代世界最新的科學技術(shù)與成果，也往往首先在汽車上或汽車工業(yè)中得到推廣應(yīng)用。如高速數(shù)值計算和仿真技術(shù)、精密機械制造技術(shù)、柔性加工、自動控制技術(shù)等。
為了與國際上的大公司競爭，就必須掌握先進有效的汽車設(shè)計技術(shù)。先進有效的設(shè)計手段可以大大降低開發(fā)費用、縮短開發(fā)周期，在日益激烈的市場競爭中這對于任何廠家來講都是至關(guān)重要的。企業(yè)為了提高競爭力，必須盡快改變品種，更新設(shè)計，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進行創(chuàng)新設(shè)計，這樣才能夠?qū)焖俣嘧兊氖袌鲂枨笞龀雒艚蓓憫?yīng)，從而在市場競爭中獲得相當?shù)氖袌龇蓊~和利潤。
總結(jié)
本文依據(jù)現(xiàn)有中型卡車，對駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和扭桿彈簧進行了設(shè)計，并對扭桿的加工和強化工藝進行理論分析，從而確定合理的加工強化工藝，為以后扭桿的制造做準備工作。
由于本人水平，在設(shè)計中難免會遇到不足，在今后的工作中一定會多加留心，學以致用。
致 謝
經(jīng)過幾個月的努力，畢業(yè)設(shè)計終于完成了。在這個過程中我對所學知識有了更深的了解，學到了很多有價值東西，能達到這樣的效果是所有曾經(jīng)指導過我的老師，幫助過我的同學，一直支持著我的家人對我的教誨、幫助和鼓勵的結(jié)果。我要在這里對他們表示深深的謝意
首先，要特別感謝我的指導老師——X老師。X老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。使我對完成畢業(yè)設(shè)計有了很大的興趣，同時明白許多待人接物與為人處世的道理。
其次，要感謝學院所有曾經(jīng)為我們指導過的老師，老師們教會我的不僅僅是專業(yè)知識，更多的是對待學習、對待生活的態(tài)度。
第三，感謝我的父母親，你們是我力量的源泉，只要有你們，不管面對什么樣的困難，我都不會害怕，謝謝你們對我的支持與鼓勵！
再次，感謝我的室友及班級好友，因為有你們的幫助，我的課程設(shè)計得以順利完成。我們之間相互探討，相互激勵，使我總能攻克困難。在我不開心的時候，你們總會安慰我，我開心的時候總能有你們陪伴，我不會忘記，謝謝你們！
最后對老師，同學和家人再次致以我最衷心的感謝！教導過我的老師，你們的人格魅力永記我心間。身邊的同學和朋友，有你們，我的大學才算完整。寢室的密友，你們的天賦猶如上天恩賜，有了你們我的生活更加精彩。
參考文獻
[1] 陳家瑞主編.汽車構(gòu)造（下冊）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.10：31-50.
[2] 王立祥，王常清，賈國強.駕駛室翻轉(zhuǎn)扭桿的設(shè)計[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2004，（4）：21-23.
[3] 鹿云.汽車扭桿制造技術(shù)[J].汽車工藝與材料，1999，（11）：6-8.
[4] 徐勇剛，何仁.重型汽車駕駛室電動/手動液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)[J].重型卡車，2004，（1）：11-13.
[5] 孫為群，何鳳鳴 . 汽車扭桿彈簧的設(shè)計與制造 [J]. 設(shè)計與研究， 2002 ，(2):23-25
[6] 中國機械工程學會. 鋼鐵材料手冊 第8卷 彈簧鋼.北京：機械工業(yè)出版社.2004. 203-210
[7] 東風汽車公司，熊云奇，張瓊敏.常用彈簧鋼的彈性松弛趨勢評價.汽車工程，1994，（3），177-180.
[8] 劉青，劉攀，呂應(yīng)明.人機工程學在機車駕駛室中的應(yīng)用研究[J].機械研究與應(yīng)用，2006，（4）：28-29.
[9] 夏祁寒 . 應(yīng)變片測試原理及在實際工程中的應(yīng)用 [J]. 山西建筑， 2008 ，(10):99-100
[10] 楊伯源.材料力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.01：36-42.
[11] 王彥才.車輛扭桿彈簧設(shè)計與制造.北京：國防工業(yè)出版社，1996.
[12] 北京有色冶金設(shè)計研究總院 .機械設(shè)計手冊 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2002：5-209—5-229.
[13] Yannick Belliato, Jean Dominique Voisin, Alternative Manufacturing Technology of Torsion Bar swith Hexagonal Ends for Front Suspension of Trucks,Society of Automotive Engineers.1999,1:36-39
[14] 李茂山，張克儉.熱處理淬火介質(zhì)的新進展.金屬熱處理.1999(4):39 -41
[15] 包雪鵬.汽車懸架扭桿強化技術(shù)，汽車技術(shù)1998(5):29 -32
[16] 張英會等.彈簧.北京機械工業(yè)出版社，1982:11-25
[17] 黃明志，石德坷，金志浩.金屬力學性能.西安交通大學出版社，1986:78- 91
摘要 中型卡車駕駛室已經(jīng)平頭化，為了便于發(fā)動機的維修保養(yǎng)，要求駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn)。由于中型卡車駕駛室太重，單憑人力無法實現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)，必須要借助于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。 大多數(shù)中型卡車翻轉(zhuǎn)機構(gòu)都采用機械式雙扭桿式。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上的重要部件是扭桿彈簧，扭桿的彈力是駕駛室得到翻轉(zhuǎn)的主要動力源，因此，扭桿彈簧性能的好壞直接關(guān)系到駕駛室的翻轉(zhuǎn)。 本文針對某中型卡車駕駛室，根據(jù)駕駛室翻轉(zhuǎn)時的實際工作狀況，根據(jù)車 架和駕駛室的尺寸，對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行設(shè)計， 對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的重要部件扭桿進行設(shè)計，并且同時對扭桿其他部分尺寸進行設(shè)計計算。 關(guān)鍵詞： 中型卡車 翻轉(zhuǎn)機構(gòu) 扭桿彈簧 he of In to of be to be is to of of is of is on of is In of to at of on of is of of at 目錄 第一章 緒 論 ............................................................................................................................ 4 言 .............................................................................................................................. 4 究背景 ...................................................................................................................... 5 究目的和意義 .......................................................................................................... 5 第二章 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 .......................................................................................................... 7 言 .............................................................................................................................. 7 轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 .......................................................................................................... 7 轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理 ................................................................................ 7 轉(zhuǎn)機構(gòu)總成設(shè)計 ............................................................................................ 8 桿彈簧的設(shè) 計 ........................................................................................................ 11 駛室重心的測量 .......................................................................................... 12 桿的材料的選用 .......................................................................................... 14 桿結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 ...................................................................................... 14 桿的其它的尺寸設(shè)計 .................................................................................. 18 桿加工工藝 ............................................................................................................ 20 部加工 .......................................................................................................... 20 加工工藝 ...................................................................................................... 22 桿表面形變強化 .......................................................................................... 23 應(yīng)淬火表面強化 .......................................................................................... 28 桿應(yīng)力校核 ............................................................................................................ 29 總結(jié) .......................................................................................................................................... 31 致 謝 ........................................................................................................................................ 32 參考文獻 .................................................................................................................................. 33 第一章 緒 論 言 汽車問世以來對人類的出行產(chǎn)生了巨大影響。如今，汽車工業(yè)的發(fā)達程度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)水平的重要標志，汽車也已經(jīng)成為當代物質(zhì)文明與進步的象征及文明形態(tài)的一種代表。 中型卡車在日常生活中的應(yīng)用日益普遍，目前我國的中型卡車駕駛室已經(jīng)平頭化，為了便于發(fā)動機的維修保養(yǎng)，要求駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn)。由于中型卡車駕駛室太重，單憑人力無法實現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)，必須要借助于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的核心部件為提供翻轉(zhuǎn)扭力的扭桿彈簧。 扭桿彈簧作為一種彈性機械零件，越來越多的應(yīng)用于各種機械和汽車產(chǎn)品中。扭桿彈簧跟其它類型彈簧一樣，都是利用材料的彈性以及本身結(jié)構(gòu)和總體布置的特點，把機械功或動能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，或?qū)⒆冃文苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C械功或動能，實現(xiàn)能量儲備和穩(wěn)定作用。如各種越野車輛上的懸架裝置用它來做緩沖和減振；在高速內(nèi)燃機上的進排氣系統(tǒng)中，用它來避免或緩和汽門主圓柱螺旋彈簧在強烈振動的動載荷作用下所引起的顫動；在使用空氣彈簧做穩(wěn)壓器的車輛上，利用它做穩(wěn)壓器；在高速小轎車的懸架裝置，利用它做穩(wěn)壓桿，以增加車輛轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性；對于一些需要一定助力的 機構(gòu)，如可翻的駕駛室、擋浪板、散熱器以及各種門、窗蓋等，常用它做儲能元件；在傳動軸和驅(qū)動軸中，為了減少扭振和緩和扭矩的變化，也常在軸中插入扭桿彈簧等等。由此可見，扭桿彈簧已被廣泛用于各類機械設(shè)備和裝備上，從精密儀器到各種控制及測力設(shè)備，從坦克裝甲車輛到民用各種越野車輛和工程機械，無所不用，并且它的應(yīng)用范圍正在逐漸擴大。 在中型卡車翻轉(zhuǎn)機構(gòu)中，扭桿彈簧的設(shè)計與制造工作決定著整個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的性能。在傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中，首先需要進行市場調(diào)研，確定對產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)等方面指針的要求；其次，進行概念設(shè)計，對 每種不同設(shè)計方案都繪制出相應(yīng)的工程圖樣；然后，進行方案論證 (通常是基于經(jīng)驗的且需要較長的時間 )，確定出合適的方案：最后進行產(chǎn)品設(shè)計。在設(shè)計完成后，為了驗證設(shè)計，通常要試制出產(chǎn)品的實物樣機 (物理樣機 )，并針對該樣機設(shè)計多種試驗方案，同時在各種不同工況下進行測試，有時這些試驗甚至是破壞性的。當發(fā)現(xiàn)樣機存在缺陷時，又必須對設(shè)計方案及工程圖紙進行修改并進行新的一輪樣機試制、測試。只有通過周而復始的“設(shè)計 —— 試驗 —— 設(shè)計”過程，產(chǎn)品才能達到要求的性能。這一過程是冗長的，而且隨著產(chǎn)品復雜程度的提高，這種反復的物理樣機 50%產(chǎn)品及其相關(guān)成本取決于設(shè)計過程，通常有 25%以上的開發(fā)時間耗費在物理模型和樣機的制造上。顯然，在激烈競爭的市場 背景下，基于實際樣機的設(shè)計驗證過程嚴重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，成本的降低以及對市場的占有。 進入 20 世紀 60 年代中期，世界各大汽車公司在設(shè)計中引入了電子計算機后形成了 新方法，并使設(shè)計逐步實現(xiàn)半自動化和自動化。一些當代世界最新的科學技術(shù)與成果，也往往首先在汽車上或汽車工業(yè)中得到推廣應(yīng)用。如高速數(shù)值計算和仿真技術(shù)、精密機械制造技術(shù)、柔性加工、自動控制 技術(shù)等。 為了與國際上的大公司競爭，就必須掌握先進有效的汽車設(shè)計技術(shù)。先進有效的設(shè)計手段可以大大降低開發(fā)費用、縮短開發(fā)周期，在日益激烈的市場競爭中這對于任何廠家來講都是至關(guān)重要的。企業(yè)為了提高競爭力，必須盡快改變品種，更新設(shè)計，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進行創(chuàng)新設(shè)計，這樣才能夠?qū)焖俣嘧兊氖袌鲂枨笞龀雒艚蓓憫?yīng)，從而在市場競爭中獲得相當?shù)氖袌龇蓊~和利潤。 究背景 中型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)可分為機械式、液壓式。機械式又可分為單扭桿式和雙扭桿式。由于液壓式可靠性差、價格 昂貴、故障較多，所以大多數(shù)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)都采用機械式。機械式翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的扭桿在全部應(yīng)力范圍內(nèi)工作，扭桿在絕大多數(shù)時間內(nèi)都承載。由于雙扭桿式比單扭桿式可以承載更大扭矩，使駕駛室左右受力均勻，不會形成扭曲現(xiàn)象，所以大多數(shù)中卡翻轉(zhuǎn)機構(gòu)都采用雙扭桿式。 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的扭桿在全部應(yīng)力范圍內(nèi)工作。扭桿要保證駕駛室翻起時保持平衡。這種扭桿在絕大多數(shù)時間內(nèi)都承載，只有在它所平衡的機構(gòu)起作用時扭桿才能放松。因此，蠕變破壞比不斷翻起的疲勞破壞更重要。扭桿端部直徑大于桿體的直徑，對于桿類零件，在直徑變化之處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，也是蠕變破壞最嚴重 的部位。 究目的和意義 中型卡車駕駛室依靠翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行翻轉(zhuǎn)，其中翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的關(guān)鍵部件為扭桿彈簧，扭桿彈簧作為緩沖和儲能元件，具有單位儲能大、體積小、便于加工等特點，合理地設(shè)計駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)及扭桿扭力，可以使駕駛員輕松、方便地翻轉(zhuǎn)，還能較長時間保持操作輕便性；設(shè)計不合理時駕駛員翻轉(zhuǎn)要用比較大的力，扭桿如果設(shè)計不合理，熱處理不當，扭力衰退較快，將嚴重影響駕駛員操作輕便性和安全性。 本課題分析的是某中型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的重要部件扭桿彈簧。利用某中型卡車的車架和駕駛室對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行設(shè)計，以及對 扭桿進行直徑方面的尺寸設(shè)計。 第二章 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 言 近些年，隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，中型卡車用戶對車輛的整車性能、駕駛環(huán)境及操作維修的方便性都有了更高的要求。為了便于發(fā)動機的維修保養(yǎng)，要求駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn)，駕駛室的翻轉(zhuǎn)單憑人力無法實現(xiàn)，必須要借助于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，其中翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的核心部件為扭桿彈簧。扭桿彈簧是一種利用扭桿的扭轉(zhuǎn)變形起作用的彈性元件，常用于轎車、越野車的懸架系統(tǒng)和中型卡車的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)中。扭桿彈簧主要有以下優(yōu)點。 （ 1）扭桿 彈簧單位體積的變形能較大，其值要顯著大于常見的鋼板彈簧，因此，在相同的載荷條件下，使用扭桿彈簧比使用鋼板彈簧可節(jié)省很多彈簧鋼。扭桿彈簧單位體積的變形能可按下式計算： 14u G?? (2式中， τ為作用于扭桿的剪切應(yīng)力； （ 2）由于扭桿彈簧一般固定在車架或車身上，因而扭桿彈簧用于懸架時，懸架非簧載質(zhì)量較小，有利于提高汽車行駛平順性。 （ 3）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于在汽車上布置。 （ 4）具有較高的疲勞 壽命，在合理的使用應(yīng)力水平下，扭桿彈簧一般可達到 510 ～610 次的疲勞壽命。 本章的主要內(nèi)容是基于某中型卡車駕駛室對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以及對扭桿彈簧的尺寸進行設(shè)計計算，并介紹了扭桿的加工工藝。 轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理 中型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)采用的是雙扭桿結(jié)構(gòu)，如圖 2圖 2示。 1、 翻轉(zhuǎn)中心； 2、駕駛室安裝架； 3、右扭桿； 4、右力臂； 5、左扭桿； 6、左 力臂；7、支架 圖 2扭桿翻轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 扭桿 3、 5 一端（固定端）和支架 7 通過花鍵連接，另一端穿過支架，并和翻轉(zhuǎn)臂 4、 6 也通過花鍵連接，駕駛室通過滾輪作用于翻轉(zhuǎn)臂上的力會使扭桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。通常情況下，駕駛室處于水平位置，鎖止機構(gòu)鎖緊，扭桿處于扭轉(zhuǎn)極限狀態(tài)。當需要把駕駛室翻起來時，打開鎖止機構(gòu)，扭桿通過力臂作用在駕駛室上的彈力，使其繞翻轉(zhuǎn)中心翻轉(zhuǎn)（該過程需要借助人操作力），待翻轉(zhuǎn)到極限位置，支撐桿撐起，固定駕駛室。 1、駕駛室翻轉(zhuǎn)中心； 2、駕駛室側(cè)面； 3、鎖緊機構(gòu)； 4、左右力臂； 5、左扭 桿； 6、右扭桿； 7、支架 圖 2駛室水平位置示意圖 轉(zhuǎn)機構(gòu)總成設(shè)計 根據(jù)某中型卡車車架和駕駛室的尺寸，對其翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行設(shè)計，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計總成的三維圖如圖 2由支架、駕駛室安裝架、扭桿、力臂、駕駛室支撐桿、滾輪、龍門架、鎖緊機構(gòu)、鎖鉤把手、推力把手等裝置組成。其中支架固定安裝在中型卡車的車架上，駕駛室安裝在圖 2駛室可繞翻轉(zhuǎn)中心做翻轉(zhuǎn)運動。 圖 2轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 駕駛室支撐桿一端固定在駕駛室上，一端固定在車架上，其可伸縮和彎曲，當 駕駛室翻起到支撐桿至伸直狀態(tài)時，駕駛室停止轉(zhuǎn)動，此時可轉(zhuǎn)動此支撐桿的鎖鈕，使支撐桿鎖死，防止外力造成支撐桿鉸接處彎曲，引起駕駛室下落現(xiàn)象，從而確保檢修人員的安全。 駕駛室翻轉(zhuǎn)時，兩個力同時作用才能實現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)，一個力為扭桿通過力臂作用在滾輪上向上的扭矩力，另一個力為操作人員通過推力把手（如圖 2用在駕駛室上的向上的操作力。力臂和駕駛室通過滾輪接觸，滾輪和駕駛室固定在一起。由于扭桿的旋轉(zhuǎn)中心和駕駛室的旋轉(zhuǎn)中心不重合，因此在駕駛室翻轉(zhuǎn)的過程中，力臂和駕駛室之間將有一定的滑動，若不設(shè)此滾輪，駕駛室與 力臂之間的滑動摩擦力將嚴重阻礙駕駛室的翻轉(zhuǎn)，導致人的操作力勢必很大。設(shè)計此滾輪，可將滑動摩擦力轉(zhuǎn)化為滾動摩擦力，大大的提高駕駛室上翻和下翻的輕便性。 龍門架與中型卡車的車架固定安裝，在一般工況下，駕駛室為水平放置，裝在駕駛室上的鎖鉤鉤掛在龍門架上的鎖環(huán)上，實現(xiàn)鎖止。設(shè)計鎖止機構(gòu)時，考慮到翻轉(zhuǎn)駕駛室的方便性和安全問題，鎖止機構(gòu)設(shè)計了一個鎖鉤和一個鎖緊副鉤，鎖鉤的彎曲弧度較大（如圖 2示），這樣鎖緊后不會脫開，但如果只有一鎖鉤時，當打開此鎖鉤時，一般需操作人員用手向下扳動鎖鉤把手，把手與鎖鉤用鋼桿剛性連接， 當鎖鉤打開的一瞬間，駕駛室會在扭桿的彈力下，快速彈起，此時操作人員會出現(xiàn)躲閃不及的現(xiàn)象，危險性較大。 圖 2門架及鎖止機構(gòu)圖 因此這里設(shè)計一鎖緊副鉤（如圖 2示），當鎖鉤打開后，鎖緊副鉤還在鎖止狀態(tài)。鎖緊副鉤設(shè)計時，鉤為平直狀，這樣安裝一拉桿，拉桿用鋼桿與鎖緊副鉤剛性連接，操作人員拉動拉桿即可輕松將鎖緊副鉤拉開，操作人員有足夠的空間和時間避開駕駛室的上彈，并且還可以利用這個上彈的速度將駕駛室輕松翻起，增加上翻的輕便性。 圖 2止機構(gòu)圖 當駕駛室下落到水平位置時，鎖緊副鉤首先鎖止， 然后再向上扳動鎖鉤把手，將鎖鉤鎖止。鎖鉤的設(shè)計利用凸輪運動的原理，如圖 2扳動把手時，把手拉動凸輪運動，凸輪的運動首先使鎖鉤向下運動，使鉤脫離鎖環(huán)，然后隨著凸輪的運動，使鎖鉤完全偏離鎖環(huán)，此時鎖緊副鉤仍然處于鎖緊狀態(tài)。 在一般工況下，駕駛室為水平位置，即駕駛室與龍門架處于接觸狀態(tài)，在車輛運動的時候，由于發(fā)動機的振動和路面不平度引起的振動，會使駕駛室與龍門架不斷的撞擊，因此設(shè)計一彈簧緩沖塊，減小二者之間的碰撞造成的噪音和駕駛員的不適感。 桿彈簧的設(shè)計 作為某中型卡車駕駛室的翻轉(zhuǎn)扭桿彈簧，要求其 具有三基本性能： ①力學性能，扭桿彈簧是用來幫助人使駕駛室得到翻轉(zhuǎn)，因此扭桿彈簧要有較高的彈性極限、抗扭強度、硬度、韌性、屈強比等。 ②疲勞性能，扭桿彈簧在使用過程中，要經(jīng)常性的被扭轉(zhuǎn)，使得扭桿彈簧在交變應(yīng)力工作，因此扭桿彈簧要有較好的抗疲勞性能，這是決定扭桿彈簧疲勞壽命的重要因素，也是扭桿彈簧破壞的最主要形式之一。要求有合理的熱處理工藝，來提高扭桿彈簧的疲勞壽命。 ③抗彈減性能（又稱抗松弛性能），扭桿彈簧在長期靜、動載荷作用下工作，則要求其具有在室溫下的蠕變抗力。松弛抗力低，扭桿彈簧在工作一定時間后明顯變 形，承載能力大大下降，以致失效。這是扭桿彈簧破壞的另一主要形式。一般采用固溶強化、細化晶粒強化等可提高抗彈減性能，可通過調(diào)整化學成分和熱處理工藝來達到。 扭桿彈簧要具有以上性能，對于其制造工藝的要求較高，熱處理、預(yù)扭、噴丸等任一工序的質(zhì)量波動都可能對其使用壽命和性能產(chǎn)生很大影響。扭桿彈簧的性能直接影響到翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。在實際應(yīng)用中，扭桿的性能取決于扭桿的材料、尺寸、加工工藝等因素。本文針對某中型卡車駕駛室，根據(jù)駕駛室翻轉(zhuǎn)時扭桿的實際工作狀況，基于人機工程學原理（借助翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，駕駛員可以輕松實現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)），提出 一種新的扭桿設(shè)計方法。 駛室重心的測量 駕駛室的質(zhì)量及其重心的位置是扭桿設(shè)計的主要參數(shù)，因此在對扭桿進行設(shè)計之前，對駕駛室的質(zhì)量和重心進行測量，找出駕駛室重心的精確坐標。某中型卡車駕駛室是帶臥鋪的駕駛室，重量和外形都較大，而駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)中心到駕駛室質(zhì)心的距離是很重要的設(shè)計參數(shù)。故而準確地測得駕駛室質(zhì)心位置坐標值及駕駛室質(zhì)量意義重大。重心的測量方法有兩種：一是靜平衡法；二是懸掛法。 1、 靜平衡法 如圖 22示，選定駕駛室的翻轉(zhuǎn)中心為 X 軸和 Z 軸零點坐標，以底部過駕駛室翻轉(zhuǎn) 中心的一個面和垂直于底部且過駕駛室翻轉(zhuǎn)中心的一個面為測量基準面。分別用三個腳支撐將駕駛室支撐起來。①腳支撐安放在三臺地磅秤上，稱得其總重及三支撐分別重量，可求得重心坐標 X 值。②以駕駛室前面為支撐面，重復上述操作，稱得重量，可求得 上所求的 X， Z 值即為駕駛室橫向坐標值，即重心的所在位置。 第一次稱重得到駕駛室總重 1+3， 于零點處的地磅值， 圖 2所示的“不可調(diào)支撐”處的兩個地磅值。重心到零點坐標的 X 方向的坐標值利用力學平衡原理計算。 第二 次稱重得到駕駛室總重 1+3， 于零點處的地磅值， 圖 2所示的“不可調(diào)支撐”處的兩個地磅值。重心到零點坐標的 Z 方向的坐標值利用力學平衡原理計算。 2、懸掛法 ①用平行于 Y 軸的一根軸橫于駕駛室內(nèi)，將駕駛室吊起，在軸的兩端中心處懸掛二鉛錘，平衡后，將兩垂線劃在駕駛室左右兩外表面上。②換一位置，等于將駕駛室繞 Y 軸轉(zhuǎn)一角度，再次吊起，重復上次劃線，在駕駛室左右兩外表面垂線交點即質(zhì)心位置（ X、Z 軸吊線不變），最后量出 X、 Z 值。以上方法如圖 2： 圖 2掛法找重心 方案比較： 第一種方法較復雜，需定基準點，且制作活動升降支承，并需作 X 軸 Z 軸至支承點的精確測量，但所得數(shù)據(jù)較準確，可得精確的 X、 Z 坐標值。 第二種方法較簡單，但有如下缺點：①用鉛錘線可直接劃在駕駛室左右兩個外表面上，但從坐標零點到兩線交點的 X、 Z 軸坐標值仍需人工測量，會帶來一定的誤差；②由于只一個懸掛點，懸掛點的受力太大，會使駕駛室受到損壞。 通過比較以上兩種方案，從保護駕駛室和得到精確重心坐標的方面考慮，決定采用第一種方案來測量駕駛室質(zhì)心的坐標。 圖 2量駕駛室重心的精確 X 坐標 圖 2量駕駛室重心的精確 Z 坐標 桿的材料的選用 由于 60簧鋼具有良好的彈性極限、強度極限、屈強比、疲勞強度，一定的淬透性和較高的抗彈減性能，因此 60現(xiàn)行使用最廣泛的扭桿彈簧鋼。本文中扭桿彈簧材料亦選用 60簧鋼，其化學成分如表 2示： 表 2桿的成分 桿結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 計思路 在翻轉(zhuǎn)過程中，駕駛室重力對翻轉(zhuǎn)中心的重力矩和左右扭桿作用于翻轉(zhuǎn)中心 的力矩與翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線如圖 2示。 經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，左右扭桿對翻轉(zhuǎn)中心的力矩與翻轉(zhuǎn)角度近似是一種線性關(guān)系，如上圖的23直線的斜率和扭桿的剛度有關(guān)，改變扭桿的預(yù)扭角可以使直線上下平移。 設(shè)計思想為：確定一個扭桿的最優(yōu)剛度，使得小，再確定分為上翻操作力矩和下翻操作力矩，兩者值分 別為2 扭桿的剛度和扭桿直徑、材料、有效工作長度有關(guān)，在扭桿的材料確定、有效工作長度變化很小的情況下，剛度只和扭桿的直徑有關(guān)，就可以求出直徑。 當求出可以得出扭桿的預(yù)扭角。 圖 2駛室重力矩和扭桿對翻轉(zhuǎn)中心力矩與翻轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線 其中： 1T—— 駕駛室的重力矩， N . m； 23, 左右扭桿作用于翻轉(zhuǎn)中心的力矩， N . m； 駕駛員上翻駕駛室所需最大力矩， N . m； 駕駛員下翻駕駛室所需最大力矩， N . m； 扭桿預(yù)扭狀態(tài)對翻轉(zhuǎn)中心的力矩， N . m； 計過程 在前期我們已經(jīng)測量出駕駛室重量為 6958 牛， X、 Z 坐標為 扭桿材料的剪切模量為 80 1、 駕駛室翻轉(zhuǎn)過程的分析與研究 圖 2駛室翻轉(zhuǎn)過程示意圖 駕駛室翻轉(zhuǎn)過程如圖 2示， O 為駕駛室翻轉(zhuǎn)中心、1心、2駛室翻轉(zhuǎn)θ角時，駕駛室受力為：重力 G，操作力 F，左右扭桿作用于滾輪的力 圖 2示）和翻轉(zhuǎn)中心的支座反力（忽略摩擦）。由于支座反力對翻轉(zhuǎn)中 心不產(chǎn)生力矩，所以駕駛室的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)取決于重力矩和操作力矩以及 翻轉(zhuǎn)中心的力矩。 1）、駕駛室翻轉(zhuǎn)角度和左右扭桿旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系 如圖 2示，左右扭桿旋轉(zhuǎn)中心和駕駛室翻轉(zhuǎn)中心不為同一點，在駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中，駕駛室翻轉(zhuǎn)角θ和左右扭桿轉(zhuǎn)動角1 2,??不相等，在結(jié)構(gòu)上1 ?和θ 、2?和 θ沒有固定的幾何關(guān)系。為了建立翻轉(zhuǎn)過程的數(shù)學模型，采用最小二乘法擬合1 ?和θ 、2?和θ 的關(guān)系： 圖 2桿扭矩與扭桿作用于翻轉(zhuǎn)中心力矩的關(guān)系 實車測量的1 ?、2?和 θ 的幾組數(shù)據(jù)如表 2 表 2量數(shù)據(jù) 2）、扭桿扭矩和扭桿作用于翻轉(zhuǎn)中心力矩的關(guān)系 如圖 2示，根據(jù)力矩平衡可得： '2211（ 2 '3322（ 2 圖 2駛室受到扭桿的作用力示意圖 式中 '2T'3N . m），2 T 3 N . m），1 到1 實車測量的11 22值如表 2示： 表 2量數(shù)據(jù) 桿的其它的尺寸設(shè)計 桿尺寸的設(shè)計 扭桿的尺寸如圖 2示： 圖 2桿結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)參考文獻，得到以下經(jīng)驗公式 ： 21 1 11 1 1 / 2b r D d d d??? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???(222 2 22 1 1 / 2b r D d d d??? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???(2321 111 1 1 18 1 0 1 5 1 5 148 Dd d d dL a r c t D D d d??? ? ? ? ? ???? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???(2322 222 2 2 28 1 0 1 5 1 5 148 Dd d d dL a r c t D D d d? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (21 1 2 2a b c b L L L L? ? ? ? ?(212e a e L L? ? ?(2其中： 為扭桿工作長度； 12, 為小、大頭直徑 ； 12, 為過渡圓角半徑； 12, 分別為小頭和大頭的花鍵長； 12, 分別為小頭和大頭的等效過渡長度； 12, 分別為小頭和大頭的過度長； 扭桿有效工作長度。 根據(jù)參考文獻取得： 1D= 2D=30121001230上面值計算得出扭桿尺寸如表 2示： 表 2桿具體尺寸 經(jīng)計算得：扭桿的剛度 為 N m) / 鍵的設(shè)計 花鍵的結(jié)構(gòu)如圖 2示： 圖 2鍵端面圖 根據(jù)要求選用標準壓力角為 45°，模數(shù)為 1 據(jù)公式： Dz m? (2( 0 m z?? (2( 1 m z?? (2求得花鍵參數(shù)如表 2示。 表 2鍵參數(shù)值 桿加工工藝 扭桿彈簧的工作應(yīng)力一般都較高，因此扭桿彈簧制造工藝復雜，質(zhì)量保證體系要求較為嚴格，其強化技術(shù)難度較大。扭桿彈簧隨用途和結(jié)構(gòu)的不同其制造工藝也不同。對于某中型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)扭桿，其生產(chǎn)工藝流程為： 切料 — 端部成型 — 緩冷 — 機械加工 — 熱處理 — 噴丸 — 預(yù)扭強化 — 防銹涂漆。 部加工 扭桿固定端部形式主要有兩種：六角端頭和花鍵端頭。美國較多地采用六角端頭，而亞洲和歐洲國家大多采用花鍵端頭?；ㄦI端部的 加工一般采用閉模模鍛和開模鐓粗兩種工藝。閉模模鍛是采用不同噸位的鍛機熱鍛進行端頭成形，材料采用彈簧鋼，要求很高的表面質(zhì)量，熱處理淬火后常常需要車削和磨削。開模鐓粗熱成形工藝的原理見圖2 圖 2模鐓粗原理 由于過渡區(qū)不接觸模具，因此扭桿過渡區(qū)部分非常光滑且沒有表面缺陷。開模鐓粗的另一優(yōu)點是用電來加熱端頭，加熱時間短，減少了表面脫碳現(xiàn)象，確保了過渡區(qū)噴丸的效果，提高疲勞壽命。同時，在碳鋼鐓粗過程中，由于加熱時間短和機械化空冷，不會產(chǎn)生對于彈簧鋼常見的熱裂現(xiàn)象?；ㄦI端頭扭桿經(jīng)鐓粗后，鐓粗頂 端呈圓形，所以花鍵輥銑加工前必須切削。 一些六角固定端頭開模鐓粗直接成形的試驗研究工作已經(jīng)完成，但試驗結(jié)果不盡人意。主要原因是理論計算得到的填充六角模具所需的壓力與實際金屬流動條件下獲得所需過渡區(qū)形狀的實際條件不一致。 六角端頭成形可以采用開模鐓粗成圓形，然后進行機械加工出六角端部來完成。盡管有一些加工方法和設(shè)備，可以通過工件轉(zhuǎn)動和刀具運動加工出六角端頭形狀，但其生產(chǎn)率很低。隨著特種加工機械的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)常用的相互磨削方法對于六角端頭加工很有效。由于材料具有較好的機加工性能，采用金屬切削的方法生產(chǎn)主要適合于鍛 造的端頭形狀。盡管碳鋼經(jīng)鐓粗后金屬流線發(fā)生變化，但其硬度值仍保持在適合機械加工的范圍。 采用鐓粗和機械加工結(jié)合的方法制造六角端頭可以獲得很高的精度。平面部分的精度可以達到± 面部分的曲率可以調(diào)節(jié)。由于兩端同時加工，六角端頭的相互位相關(guān)系相當精確。 加工工藝 扭桿彈簧生產(chǎn)制造中需要通過熱處理來優(yōu)化所需要的各種性能：包括硬度、強度、韌性、塑性、加工性能、組織均勻性、彈性和疲勞性能等，以滿足加工和設(shè)計要求。扭桿彈簧的熱處理主要包括端頭成形后的退火處理、成形后的淬火回火處理和感應(yīng)淬火表面處 理等。 國內(nèi)外汽車扭桿彈簧廣泛采用的材料為合金彈簧鋼，經(jīng)淬火回火熱處理及強化工藝處理制成。高淬透性的合金彈簧鋼扭桿鐓鍛成形時必須控制冷卻速度防止開裂，并在端頭加工前進行退火處理。軟化退火處理是把鋼材加熱到 以上的適當溫度后，隨爐冷卻到室溫。 經(jīng)過去扭桿生產(chǎn)廠家寧波躍進汽車前橋有限公司的實際調(diào)研，從成本看，彈簧鋼 60于價格相對合適、為大多數(shù)使用廠家廣泛使用的扭桿彈簧鋼。 熱處理淬火和回火用來使材料硬度和彈性極限較低的軋制或退火組織轉(zhuǎn)變 為具有較高彈性極限和韌性的組織。扭桿彈簧的熱處理淬 火溫度應(yīng)根據(jù)彈簧材料的臨界溫度而定，加熱到鋼材上臨界點以上 20溫度，如果加熱不足，鋼中的一些合金元素就不能充分溶入奧氏體中去，這些合金元素就發(fā)揮不了其應(yīng)有的作用，起不到提高鋼的淬透性及強化基體的作用，這也必然會導致扭桿強度的降低。保溫時間隨截面尺寸而定。淬火加熱保溫應(yīng)在保護氣氛中進行，同時應(yīng)該采用低的淬火溫度和盡可能縮短高溫保溫時間，以減少彈簧材料的晶粒粗大、脫碳和表面粗糙等缺陷。同時淬火時將扭桿垂直淬入油中，防止變形和開裂。扭桿彈簧在熱處理淬火后應(yīng)盡可能快的進行回火，以免由于內(nèi)應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋 ?；鼗鸲嗖捎弥袦鼗鼗?，以便得到穩(wěn)定的組織和良好的綜合機械性能。 通常規(guī)定高應(yīng)力扭桿 (800 和 800上 )淬火回火后的硬度為 47C，處理表面質(zhì)量和心部質(zhì)量優(yōu)良的鋼材時，熱處理后硬度值可以達到 54于 60，采用寧波躍進的扭桿原材料，參考他們原有工藝，根據(jù)我們建議的熱處理工藝生產(chǎn)了部分扭桿新件。熱處理工藝為：熱處理工藝為：高溫淬火加熱溫度 890～ 900℃（快速加熱）－油冷－中溫回火加熱溫度 400～ 410℃－水冷。可以得到想要的組織：回火屈氏體，其具有較高的彈性極限，高強度和良 好的韌性。且由于加熱較快，奧氏體不宜長大，因此得到的組織晶粒細小，可提高抗彈減性能。 桿表面形變強化 對扭桿彈簧進行滾壓、噴丸和強扭等表面形變強化處理，可以提高扭桿彈簧的疲勞極限。滾壓可使扭桿彈簧的表層產(chǎn)生塑性變形而形成一定深度的冷作硬化層和殘余壓應(yīng)力區(qū)，殘余壓應(yīng)力值可以達到 2000上。疲勞裂紋的形成因桿表面的殘余壓應(yīng)力的作用而被廣泛地抑制，降低了表面缺陷對疲勞強度的不利影響，使疲勞壽命顯著提高。扭桿桿體滾壓強化，尤其是兩端的花鍵部分滾壓強化，對改善扭桿彈簧疲勞壽命的效果極其顯著。滾壓 的塑性變形深度一般在 度可以提高 3勞極限提高 20%但因成本高，一般用于軍工車輛。 高應(yīng)力汽車用扭桿彈簧機械強化處理一般同時采用噴丸和預(yù)扭強化處理。 桿表面噴丸強化 機械零件在服役中的失效形式種類繁多，其中 60%疲勞斷裂。而噴丸是用來改善金屬部件疲勞和應(yīng)力腐蝕斷裂抗力的一種表面強化工藝。作為一種表面強化工藝，噴丸在汽車工業(yè)中應(yīng)用可以追溯到本世紀 30 年代，是表面強化研究中的一個重要組成部分。噴丸強化使金屬表面層產(chǎn)生循環(huán)塑性變形，從而使表 面應(yīng)變層引起組織強化和應(yīng)力強化，而對其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不發(fā)生影響。部件表面層在噴丸后產(chǎn)生一定厚度的應(yīng)變硬化層，該層內(nèi)形成較高的殘余壓應(yīng)力和密度極高的位錯，此層深隨噴丸強度增加而增加。 許多研究表明：對于拉伸和彎曲疲勞來講，表面硬化延緩和阻止裂紋的形成，殘余壓應(yīng)力阻止和延緩裂紋擴展，因此提高了零件的疲勞強度。當材料抗拉強度較低時，表面硬化顯著提高疲勞強度，隨材料強度和硬度的提高，殘余壓應(yīng)力的大小對阻止和延緩裂紋在次表層形成的影響作用增強，并起主要作用。 對于調(diào)質(zhì)處理和感應(yīng)淬火處理的彈簧材料，噴丸后的殘余應(yīng)力分布是 提高疲勞極限的重要因素。早期研究表明：如果在疲勞壽命中殘余應(yīng)力與平均應(yīng)力一樣保持不變，則循環(huán)載荷下殘余應(yīng)力的作用可以通過外加平均應(yīng)力來產(chǎn)生或抵消。拉壓和彎曲載荷下平均應(yīng)力對疲勞極限的影響常用 系式來描述，見圖 2 圖 2系圖 可見，殘余拉應(yīng)力使材料的疲勞極限下降，殘余壓應(yīng)力使其提高。殘余應(yīng)力作用的大小與平均應(yīng)力敏感系數(shù)密切相關(guān)。 對于扭桿等部件，扭轉(zhuǎn)疲勞載荷是切應(yīng)力，當扭桿彈簧在高的切應(yīng)力下切斷時，平均應(yīng)力似乎對扭轉(zhuǎn)性能不起作用。多數(shù)扭桿彈簧在疲勞極限應(yīng)力附 近運轉(zhuǎn)斷裂時，是由正應(yīng)力引起的正斷。無論是夾雜附近的裂紋擴展過程或是宏觀斷裂面的開裂過程均表現(xiàn)為裂紋沿最大主應(yīng)力面的擴展。研究表明：當交變切應(yīng)力a?和靜扭屈服強度s?為正應(yīng)力破壞，表現(xiàn)為 45°斷口；大于 切應(yīng)力破壞，出現(xiàn)沿軸向或沿徑向的開裂。汽車懸架扭桿彈簧的靜扭屈服強度在 1000右，其交變疲勞載荷一般在 850下，為正斷或正斷和切斷綜合作用的斷口。因此，表面殘余應(yīng)力對 以正斷為斷裂特征的扭轉(zhuǎn)疲勞極限必然起重要作用。 圖 2丸和預(yù)扭強化對扭轉(zhuǎn)疲勞極限的影響 研究表明：硬度為 51 45簧鋼扭轉(zhuǎn)試樣，經(jīng)噴丸和預(yù)應(yīng)變處理后的扭轉(zhuǎn)疲勞極限比磨削態(tài)提高 20%～ 30%，見圖 2 噴丸強化可消除扭桿表面的細微裂紋，提高表面硬度和強度，是提高扭桿疲勞壽命的重要方法，也是扭桿制造中經(jīng)常采用的強化措施之一。噴丸中特別值得注意的是扭桿兩端的花鍵部位必須噴到，為使細齒根部也能噴到，鋼丸直徑應(yīng)小于細齒根部圓角半徑之一半。 桿預(yù)扭強化 扭桿工作 環(huán)境使它的兩端承受的是大小不斷變化的動扭矩作用。為了提高它的承載能力，在使用前，必須對其進行強扭處理，選擇合理的強扭規(guī)范，以提高扭桿彈簧工作時的承載能力，延長其使用壽命。 1、預(yù)扭強化基本原理 預(yù)扭強化處理是制造高強度扭桿彈簧的主要工藝措施，它可以提高扭桿彈簧的許用應(yīng)力和承載能力，并可以消除或減少使用中的殘余變形。德國相關(guān)標準規(guī)定，彈簧鋼制扭桿不經(jīng)過預(yù)扭處理的設(shè)計許用剪切應(yīng)力為 700經(jīng)預(yù)扭強化的扭桿是 1070高幅度極其顯著。 扭桿彈簧的強扭處理是在規(guī)定的扭矩作用下，使其表面及一定深度的工 作應(yīng)力超過屈服極限 (但低于強度極限 )。扭桿表層區(qū)產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)。但截面中心區(qū)還是彈性區(qū)，并極力恢復到原始狀態(tài)，而表層塑性區(qū)會阻止它的恢復造成沿扭桿半徑方向上各層間存在相互作用。結(jié)果使其表層塑性區(qū)產(chǎn)生反向的壓應(yīng)力，而中心的彈性區(qū)產(chǎn)生正應(yīng)力。如圖 2a)所示 (圖中 r 為扭桿半徑 )。經(jīng)強扭后，如工作扭角不超過扭桿彈簧的強扭角，則工作應(yīng)力與應(yīng)變呈正比，截面各層工作應(yīng)力τ與半徑 r 呈線性關(guān)系，見圖2b)。加載后所產(chǎn)生的應(yīng)力和殘余應(yīng)力相加，得扭桿截面應(yīng)力分布見圖 2c)。由圖2看出， 靠近中心的彈性區(qū)，在原存留的殘余應(yīng)力基礎(chǔ)上，又承擔了施加的剪切應(yīng)力；而靠近表層的附近，其原預(yù)扭存留的殘余應(yīng)力對施加的剪切應(yīng)力將抵消一部分，從而使截面上應(yīng)力分布趨于均勻，見圖 2a)，充分發(fā)揮了扭桿內(nèi)部材料的性能，提高了扭力桿的承載能力。 圖 2桿截面應(yīng)力分布 預(yù)扭強化處理時的載荷和變形的曲線如圖 2示。圖中 預(yù)扭加載曲線，卸載曲線， 的斜率等于彈簧的剛度。由于預(yù)扭強化后，剪切模量 G 值將略有下降，導致 的斜率略低于 斜率，但數(shù)日后 G 值仍將恢復到原數(shù)值。實 踐證明，經(jīng)強扭處理的扭桿彈簧比未經(jīng)強扭處理的許用扭矩可以由 A 點提高到 D 點，扭桿彈簧承載能力可提高 30%。 圖 2扭強化處理的載荷特性曲線 預(yù)扭處理的工藝參數(shù)可以通過公式 2定 ： 114.6 （ 2 其中： φ — 扭轉(zhuǎn)角 (° )； γ — 切應(yīng)變 ( L— 扭桿的有效工作長度 (; D— 扭桿的直徑 ( 對于 50右硬度的合金鋼調(diào)質(zhì)處理扭桿彈簧，推薦采用使其產(chǎn)生切應(yīng)變γ=預(yù)加載荷，這樣可以使 扭桿產(chǎn)生小于 塑性切應(yīng)變。 研究表明，預(yù)扭強化可以使扭桿屈服強度提高 100上，可以增加設(shè)計許用應(yīng)力，減少使用中的蠕變變形和失效發(fā)生。但是有研究表明，在噴丸前后進行預(yù)應(yīng)變均使疲勞極限下降。這種下降和預(yù)應(yīng)變時造成的損傷或在夾雜周圍造成裂紋有關(guān)。 2、扭桿彈簧強扭工藝方法 扭桿彈簧強扭工藝有兩種：一種是扭桿彈簧在超過彈性變形的某一轉(zhuǎn)矩下，保持足夠的時間（一般在 24～ 48h 以上）使材料金屬晶格的滑移保持穩(wěn)定后卸載；另一種是扭桿彈簧在一定的強扭角狀態(tài)下，經(jīng)多次連續(xù)加載和卸載，（一般經(jīng) 5～ 6 次） ，目的是得到穩(wěn)定的殘余變形。目前較多采用的為后一種方法。 圖 2桿彈簧預(yù)扭強化方法 多次連續(xù)加載和卸載預(yù)扭強化處理又有兩種方法，下面對其在原理上予以分析比較。第一種方法如圖 2a)所示，每次強扭角θ保持不變進行多次加載、卸載強扭處理。第一次強扭1?角，卸載后殘余扭轉(zhuǎn)角為1?；第二次強扭2?角 （1?=2?） ，卸載后殘余扭轉(zhuǎn)角為2?；第三次強扭3?角 (1?=3?)，卸載后殘余扭轉(zhuǎn)角為3?；其余類推。其強扭曲線（ θ曲線）見圖 2a)。 圖 2桿彈簧強扭 T 曲線 第二 種方法如圖 2b)所示，每次預(yù)扭強化扭轉(zhuǎn)到第一次強扭角的最終位置的強化處理方法。第一次強扭1?角，卸載后殘余扭轉(zhuǎn)角為1?；第二次強扭2?角為第一次的卸載彈回角，卸載后殘余扭轉(zhuǎn)角為2?，第三次強扭角3?為第二次卸載角，卸載后殘余扭轉(zhuǎn)角為3?；其強扭曲線（ T - θ曲線）見圖 2b)。由圖 2知，扭桿強扭后 T - θ曲線圖由原來Ⅰ、Ⅱ已改造成為呈線性關(guān)系的Ⅱ、Ⅲ，彈性極限點由Ⅰ點提高到Ⅱ點。因為強扭角總是大于使用時最大工作扭角，因此消除了工作中可能產(chǎn)生的殘余變形，保證工作穩(wěn)定性。 采用上面介紹的扭桿彈簧強扭工藝方法一，將扭桿沿其工作時的承載方向施加一扭角 50°（大于使用時的最大工作扭角），使扭桿的表層應(yīng)力超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形，然后再卸載，經(jīng)過連續(xù)加載卸載，使扭桿表層的塑性變形趨于穩(wěn)定，并保 證最后一次卸載后殘余變形小于規(guī)定值（ 。 應(yīng)淬火表面強化 感應(yīng)熱處理加熱速度快，能獲得細化或超細化的奧氏體晶粒，淬火后得到細致的馬氏體組織，再經(jīng)回火得到高度彌散的回火組織，使零件強度和韌性得到提高；由于感應(yīng)淬火是表面淬火，淬火層中的馬氏體比容增大，而心部保持原始組織，故處理后零件表面形成相當大的殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力可達 1000N/響深度在 上，可以大幅度提高零件的疲勞極限和疲勞壽命；感應(yīng)熱處理加熱速度快、保溫時間極短，零件的表面氧化脫碳少，表面質(zhì)量高，避免了表面缺陷造 成應(yīng)力集中而影響疲勞壽命；因此感應(yīng)熱處理是一種經(jīng)濟、節(jié)能的熱處理工藝及強化處理工藝。 扭桿彈簧是一種承受單向扭轉(zhuǎn)負荷的彈性元件，其應(yīng)力分布特點是表面剪切應(yīng)力最大而軸心剪切應(yīng)力為零，在沒有應(yīng)力集中因素的情況下，從軸心到表面應(yīng)力呈線性增加。扭桿彈簧經(jīng)感應(yīng)淬火處理后，外部形成高硬度 (高強度 )的淬硬層，心部維持預(yù)調(diào)質(zhì)處理后的硬度和強度，淬硬層和心部之間存在一個過渡層。這種強度分布與其承受的應(yīng)力狀態(tài)相似，所以有時也稱之為仿應(yīng)力強化，見圖 2應(yīng)力強化和處理表層高的殘余壓應(yīng)力共同作用的結(jié)果使感應(yīng)淬火強化比整體熱處 理強化在更大程度上發(fā)揮了材料的強度潛力，因此可以用合金元素含量較低，價格較為便宜的材料代替價格較高的彈簧鋼材料。 圖 2應(yīng)淬火和調(diào)質(zhì)處理扭桿彈黃截面應(yīng)力分布 研究表明，感應(yīng)淬火扭桿彈簧在一定硬化層深度范圍內(nèi)扭桿彈簧的強度指標達到甚至超過淬火回火處理扭桿彈簧的水平；組織變化導致的表面殘余應(yīng)力值高于噴丸強化的水平，同時中頻感應(yīng)處理快速加熱具有較好的表面質(zhì)量，有利于疲勞強度和使用壽命的提高。研究表明：感應(yīng)淬火扭桿彈簧的疲勞壽命提高效果極其顯著。 采用中頻淬火處理的扭桿彈簧不需要調(diào)質(zhì)扭桿鋼材的高淬透性 ，因此，可以采用普通中碳鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼材料。這樣可以大幅度降低材料成本，節(jié)約合金資源。同時，這些鋼材具有良好的工藝性能，可以取消熱處理退火和降低廢品率。 桿應(yīng)力校核 扭桿的最大應(yīng)力（過渡圓?。?yīng)該滿足： ? ?m a xm a x 360 d ?? ? ? ? ????(2式中： — 為扭桿最大應(yīng)力 ， N—— 安全系數(shù) — 為扭桿最大扭轉(zhuǎn)角度， (° ) 為圓弧過渡的應(yīng)力集中系數(shù) ??? —— 為材料許用應(yīng)力， 材料熱處理后經(jīng)噴丸和預(yù)扭 ,在計算時，一般可取： [τ ] = 0? Pa， 45°，N =有：958 1000計的扭桿符合應(yīng)力極限要求 總結(jié) 本 文 依據(jù)現(xiàn)有中型卡車，對駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和扭桿彈簧進行了設(shè)計，并對扭桿的加工和強化工藝進行理論分析，從而確定合理的加工強化工藝，為以后扭桿的制造做準備工作 。 由于本人水平，在設(shè)計中難免會遇到不足，在今后的工作中一定會多加留心，學以致用。 致 謝 經(jīng)過幾個月的努力，畢業(yè)設(shè)計終于完成了。在這個過程中我對所學知識 有了更深的了解，學到了很多有價值東西，能達到這樣的效果 是所 有曾經(jīng)指導過我的老師，幫助過我的同學，一直支持著我的家人對我的教誨、幫助和鼓勵的結(jié)果。我要在這里對他們表示深深的謝意！ 首先，要特別感謝我的指導老師 —— X 老師。 X 老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度 ， 樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。 使我對完成畢業(yè) 設(shè)計有了很大的興趣 ， 同時明白 許多待人接物與為人處世的道理。 其次，要感謝學院所有曾經(jīng)為我們 指導過的 老師，老師們教會我的不僅僅是專業(yè)知識，更多的是對待學習、對待生活的態(tài)度。 第三，感謝我的父母親，你們是我力量的源泉，只要有你們，不管面對 什么樣的困難，我都不會害怕，謝謝你們對我的支持與鼓勵！ 再次，感謝我的室友及 班級 好友，因為有你們的幫助，我的 課程設(shè)計 得以順利完成。我們之間相互探討，相互激勵，使我總能攻克困難。 在我不開心的時候， 你們總會安慰我，我開心的時候總能有你們陪伴，我不會忘記，謝謝你們！ 最后對老師，同學和家人再次致以我最衷心的感謝！教導過我的老師，你們的人格魅力永記我心間。身邊的同學和朋友，有你們，我的大學才算完整。寢室的密友，你們的天賦猶如上天恩賜，有了你們我的生活更加精彩。 參考文獻 [1] 陳家瑞主 編 冊） [M]機械工業(yè)出