驾驶室翻转机构设计【带SolidWorks三维】【3张CAD图纸+毕业论文】

驾驶室翻转机构设计33页 14000字数+论文说明书+3张CAD图纸【详情如下】SolidWorks三维图纸.zip卡车驾驶室翻转机构总装配.DWG车支架右.DWG驾驶室安装架.DWG驾驶室翻转机构设计论文.doc摘要中型卡车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转。由于中型卡车驾驶室太重，单凭人力无法实现驾驶室的翻转，必须要借助于翻转机构。大多数中型卡车翻转机构都采用机械式双扭杆式。翻转机构上的重要部件是扭杆弹簧，扭杆的弹力是驾驶室得到翻转的主要动力源，因此，扭杆弹簧性能的好坏直接关系到驾驶室的翻转。本文针对某中型卡车驾驶室，根据驾驶室翻转时的实际工作状况，根据车架和驾驶室的尺寸，对翻转机构进行设计，对翻转机构的重要部件扭杆进行设计，并且同时对扭杆其他部分尺寸进行设计计算。关键词：中型卡车 翻转机构 扭杆弹簧AbstractThe 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；目录第一章 绪 论41.1 引言41.2 研究背景51.3 研究目的和意义5第二章 翻转机构的设计72.1 引言72.2 翻转机构的设计72.2.1 翻转机构结构与工作原理72.2.2 翻转机构总成设计82.3 扭杆弹簧的设计112.3.1 驾驶室重心的测量122.3.2 扭杆的材料的选用142.3.3 扭杆结构尺寸的设计142.3.4 扭杆的其它的尺寸设计182.4 扭杆加工工艺202.4.1 端部加工202.4.2 热加工工艺222.4.3 扭杆表面形变强化232.4.4 感应淬火表面强化282.5 扭杆应力校核29总结31致 谢32参考文献33第一章 绪 论1.1 引言汽车问世以来对人类的出行产生了巨大影响。如今，汽车工业的发达程度已经成为一个国家工业水平的重要标志，汽车也已经成为当代物质文明与进步的象征及文明形态的一种代表。中型卡车在日常生活中的应用日益普遍，目前我国的中型卡车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转。由于中型卡车驾驶室太重，单凭人力无法实现驾驶室的翻转，必须要借助于翻转机构，翻转机构的核心部件为提供翻转扭力的扭杆弹簧。扭杆弹簧作为一种弹性机械零件，越来越多的应用于各种机械和汽车产品中。扭杆弹簧跟其它类型弹簧一样，都是利用材料的弹性以及本身结构和总体布置的特点，把机械功或动能转变为变形能，或将变形能转变为机械功或动能，实现能量储备和稳定作用。如各种越野车辆上的悬架装置用它来做缓冲和减振；在高速内燃机上的进排气系统中，用它来避免或缓和汽门主圆柱螺旋弹簧在强烈振动的动载荷作用下所引起的颤动；在使用空气弹簧做稳压器的车辆上，利用它做稳压器；在高速小轿车的悬架装置，利用它做稳压杆，以增加车辆转向时的稳定性；对于一些需要一定助力的机构，如可翻的驾驶室、挡浪板、散热器以及各种门、窗盖等，常用它做储能元件；在传动轴和驱动轴中，为了减少扭振和缓和扭矩的变化，也常在轴中插入扭杆弹簧等等。由此可见，扭杆弹簧已被广泛用于各类机械设备和装备上，从精密仪器到各种控制及测力设备，从坦克装甲车辆到民用各种越野车辆和工程机械，无所不用，并且它的应用范围正在逐渐扩大。在中型卡车翻转机构中，扭杆弹簧的设计与制造工作决定着整个翻转机构的性能。在传统的机械产品设计和制造过程中，首先需要进行市场调研，确定对产品的功能、结构等方面指针的要求；其次，进行概念设计，对每种不同设计方案都绘制出相应的工程图样；然后，进行方案论证(通常是基于经验的且需要较长的时间)，确定出合适的方案：最后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要试制出产品的实物样机(物理样机)，并针对该样机设计多种试验方案，同时在各种不同工况下进行测试，有时这些试验甚至是破坏性的。当发现样机存在缺陷时，又必须对设计方案及工程图纸进行修改并进行新的一轮样机试制、测试。只有通过周而复始的“设计试验设计”过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，而且随着产品复杂程度的提高，这种反复的物理样机 50%-80%的产品及其相关成本取决于设计过程，通常有 25%以上的开发时间耗费在物理模型和样机的制造上。显然，在激烈竞争的市场背景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高，成本的降低以及对市场的占有。进入 20 世纪 60 年代中期，世界各大汽车公司在设计中引入了电子计算机后形成了 CAD、CAE、CAM 等新方法，并使设计逐步实现半自动化和自动化。一些当代世界最新的科学技术与成果，也往往首先在汽车上或汽车工业中得到推广应用。如高速数值计算和仿真技术、精密机械制造技术、柔性加工、自动控制技术等。为了与国际上的大公司竞争，就必须掌握先进有效的汽车设计技术。先进有效的设计手段可以大大降低开发费用、缩短开发周期，在日益激烈的市场竞争中这对于任何厂家来讲都是至关重要的。企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新设计，这样才能够对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。总结本文依据现有中型卡车，对驾驶室翻转机构和扭杆弹簧进行了设计，并对扭杆的加工和强化工艺进行理论分析，从而确定合理的加工强化工艺，为以后扭杆的制造做准备工作。由于本人水平，在设计中难免会遇到不足，在今后的工作中一定会多加留心，学以致用。致 谢经过几个月的努力，毕业设计终于完成了。在这个过程中我对所学知识有了更深的了解，学到了很多有价值东西，能达到这样的效果是所有曾经指导过我的老师，帮助过我的同学，一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意   首先，要特别感谢我的指导老师X老师。X老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。使我对完成毕业设计有了很大的兴趣，同时明白许多待人接物与为人处世的道理。    其次，要感谢学院所有曾经为我们指导过的老师，老师们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度。    第三，感谢我的父母亲，你们是我力量的源泉，只要有你们，不管面对什么样的困难，我都不会害怕，谢谢你们对我的支持与鼓励！    再次，感谢我的室友及班级好友，因为有你们的帮助，我的课程设计得以顺利完成。我们之间相互探讨，相互激励，使我总能攻克困难。在我不开心的时候，你们总会安慰我，我开心的时候总能有你们陪伴，我不会忘记，谢谢你们！   最后对老师，同学和家人再次致以我最衷心的感谢！教导过我的老师，你们的人格魅力永记我心间。身边的同学和朋友，有你们，我的大学才算完整。寝室的密友，你们的天赋犹如上天恩赐，有了你们我的生活更加精彩。参考文献1 陈家瑞主编.汽车构造（下册）M.北京:机械工业出版社,2000.10：31-50.2 王立祥，王常清，贾国强.驾驶室翻转扭杆的设计J.拖拉机与农用运输车，2004，（4）：21-23.3 鹿云.汽车扭杆制造技术J.汽车工艺与材料，1999，（11）：6-8.4 徐勇刚，何仁.重型汽车驾驶室电动/手动液压翻转机构J.重型卡车，2004，（1）：11-13.5 孙为群，何凤鸣 . 汽车扭杆弹簧的设计与制造 J. 设计与研究， 2002 ，(2):23-256 中国机械工程学会. 钢铁材料手册 第8卷 弹簧钢.北京：机械工业出版社.2004. 203-2107 东风汽车公司，熊云奇，张琼敏.常用弹簧钢的弹性松弛趋势评价.汽车工程，1994，（3），177-180.8 刘青，刘攀，吕应明.人机工程学在机车驾驶室中的应用研究J.机械研究与应用，2006，（4）：28-29.9 夏祁寒 . 应变片测试原理及在实际工程中的应用 J. 山西建筑， 2008 ，(10):99-10010 杨伯源.材料力学M.北京：机械工业出版社，2002.01：36-42.11 王彦才.车辆扭杆弹簧设计与制造.北京：国防工业出版社，1996.12 北京有色冶金设计研究总院 .机械设计手册 M.北京：化学工业出版社，2002：5-2095-229.13 Yannick Belliato, Jean Dominique Voisin, Alternative Manufacturing Technology of Torsion Bar swith Hexagonal Ends for Front Suspension of Trucks,Society of Automotive Engineers.1999,1:36-3914 李茂山，张克俭.热处理淬火介质的新进展.金属热处理.1999(4):39 -4115 包雪鹏.汽车悬架扭杆强化技术，汽车技术1998(5):29 -3216 张英会等.弹簧.北京机械工业出版社，1982:11-2517 黄明志，石德坷，金志浩.金属力学性能.西安交通大学出版社，1986:78- 91 摘要 中型卡车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转。由于中型卡车驾驶室太重，单凭人力无法实现驾驶室的翻转，必须要借助于翻转机构。 大多数中型卡车翻转机构都采用机械式双扭杆式。翻转机构上的重要部件是扭杆弹簧，扭杆的弹力是驾驶室得到翻转的主要动力源，因此，扭杆弹簧性能的好坏直接关系到驾驶室的翻转。 本文针对某中型卡车驾驶室，根据驾驶室翻转时的实际工作状况，根据车 架和驾驶室的尺寸，对翻转机构进行设计， 对翻转机构的重要部件扭杆进行设计，并且同时对扭杆其他部分尺寸进行设计计算。 关键词： 中型卡车 翻转机构 扭杆弹簧 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 目录 第一章 绪 论 . 4 言 . 4 究背景 . 5 究目的和意义 . 5 第二章 翻转机构的设计 . 7 言 . 7 转机构的设计 . 7 转机构结构与工作原理 . 7 转机构总成设计 . 8 杆弹簧的设 计 . 11 驶室重心的测量 . 12 杆的材料的选用 . 14 杆结构尺寸的设计 . 14 杆的其它的尺寸设计 . 18 杆加工工艺 . 20 部加工 . 20 加工工艺 . 22 杆表面形变强化 . 23 应淬火表面强化 . 28 杆应力校核 . 29 总结 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 第一章 绪 论 言 汽车问世以来对人类的出行产生了巨大影响。如今，汽车工业的发达程度已经成为一个国家工业水平的重要标志，汽车也已经成为当代物质文明与进步的象征及文明形态的一种代表。 中型卡车在日常生活中的应用日益普遍，目前我国的中型卡车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转。由于中型卡车驾驶室太重，单凭人力无法实现驾驶室的翻转，必须要借助于翻转机构，翻转机构的核心部件为提供翻转扭力的扭杆弹簧。 扭杆弹簧作为一种弹性机械零件，越来越多的应用于各种机械和汽车产品中。扭杆弹簧跟其它类型弹簧一样，都是利用材料的弹性以及本身结构和总体布置的特点，把机械功或动能转变为变形能，或将变形能转变为机械功或动能，实现能量储备和稳定作用。如各种越野车辆上的悬架装置用它来做缓冲和减振；在高速内燃机上的进排气系统中，用它来避免或缓和汽门主圆柱螺旋弹簧在强烈振动的动载荷作用下所引起的颤动；在使用空气弹簧做稳压器的车辆上，利用它做稳压器；在高速小轿车的悬架装置，利用它做稳压杆，以增加车辆转向时的稳定性；对于一些需要一定助力的 机构，如可翻的驾驶室、挡浪板、散热器以及各种门、窗盖等，常用它做储能元件；在传动轴和驱动轴中，为了减少扭振和缓和扭矩的变化，也常在轴中插入扭杆弹簧等等。由此可见，扭杆弹簧已被广泛用于各类机械设备和装备上，从精密仪器到各种控制及测力设备，从坦克装甲车辆到民用各种越野车辆和工程机械，无所不用，并且它的应用范围正在逐渐扩大。 在中型卡车翻转机构中，扭杆弹簧的设计与制造工作决定着整个翻转机构的性能。在传统的机械产品设计和制造过程中，首先需要进行市场调研，确定对产品的功能、结构等方面指针的要求；其次，进行概念设计，对 每种不同设计方案都绘制出相应的工程图样；然后，进行方案论证 (通常是基于经验的且需要较长的时间 )，确定出合适的方案：最后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要试制出产品的实物样机 (物理样机 )，并针对该样机设计多种试验方案，同时在各种不同工况下进行测试，有时这些试验甚至是破坏性的。当发现样机存在缺陷时，又必须对设计方案及工程图纸进行修改并进行新的一轮样机试制、测试。只有通过周而复始的“设计 试验 设计”过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，而且随着产品复杂程度的提高，这种反复的物理样机 50%产品及其相关成本取决于设计过程，通常有 25%以上的开发时间耗费在物理模型和样机的制造上。显然，在激烈竞争的市场 背景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高，成本的降低以及对市场的占有。 进入 20 世纪 60 年代中期，世界各大汽车公司在设计中引入了电子计算机后形成了 新方法，并使设计逐步实现半自动化和自动化。一些当代世界最新的科学技术与成果，也往往首先在汽车上或汽车工业中得到推广应用。如高速数值计算和仿真技术、精密机械制造技术、柔性加工、自动控制 技术等。 为了与国际上的大公司竞争，就必须掌握先进有效的汽车设计技术。先进有效的设计手段可以大大降低开发费用、缩短开发周期，在日益激烈的市场竞争中这对于任何厂家来讲都是至关重要的。企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新设计，这样才能够对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。 究背景 中型卡车驾驶室翻转机构可分为机械式、液压式。机械式又可分为单扭杆式和双扭杆式。由于液压式可靠性差、价格 昂贵、故障较多，所以大多数翻转机构都采用机械式。机械式翻转机构的扭杆在全部应力范围内工作，扭杆在绝大多数时间内都承载。由于双扭杆式比单扭杆式可以承载更大扭矩，使驾驶室左右受力均匀，不会形成扭曲现象，所以大多数中卡翻转机构都采用双扭杆式。 翻转机构的扭杆在全部应力范围内工作。扭杆要保证驾驶室翻起时保持平衡。这种扭杆在绝大多数时间内都承载，只有在它所平衡的机构起作用时扭杆才能放松。因此，蠕变破坏比不断翻起的疲劳破坏更重要。扭杆端部直径大于杆体的直径，对于杆类零件，在直径变化之处会产生应力集中，也是蠕变破坏最严重 的部位。 究目的和意义 中型卡车驾驶室依靠翻转机构进行翻转，其中翻转机构的关键部件为扭杆弹簧，扭杆弹簧作为缓冲和储能元件，具有单位储能大、体积小、便于加工等特点，合理地设计驾驶室翻转机构及扭杆扭力，可以使驾驶员轻松、方便地翻转，还能较长时间保持操作轻便性；设计不合理时驾驶员翻转要用比较大的力，扭杆如果设计不合理，热处理不当，扭力衰退较快，将严重影响驾驶员操作轻便性和安全性。 本课题分析的是某中型卡车驾驶室翻转机构，及翻转机构的重要部件扭杆弹簧。利用某中型卡车的车架和驾驶室对翻转机构进行设计，以及对 扭杆进行直径方面的尺寸设计。 第二章 翻转机构的设计 言 近些年，随着我国国民经济的发展，人们生活水平的提高，中型卡车用户对车辆的整车性能、驾驶环境及操作维修的方便性都有了更高的要求。为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转，驾驶室的翻转单凭人力无法实现，必须要借助于翻转机构，其中翻转机构的核心部件为扭杆弹簧。扭杆弹簧是一种利用扭杆的扭转变形起作用的弹性元件，常用于轿车、越野车的悬架系统和中型卡车的翻转机构中。扭杆弹簧主要有以下优点。 （ 1）扭杆 弹簧单位体积的变形能较大，其值要显著大于常见的钢板弹簧，因此，在相同的载荷条件下，使用扭杆弹簧比使用钢板弹簧可节省很多弹簧钢。扭杆弹簧单位体积的变形能可按下式计算： 14u G (2式中， 为作用于扭杆的剪切应力； （ 2）由于扭杆弹簧一般固定在车架或车身上，因而扭杆弹簧用于悬架时，悬架非簧载质量较小，有利于提高汽车行驶平顺性。 （ 3）结构简单、紧凑，易于在汽车上布置。 （ 4）具有较高的疲劳 寿命，在合理的使用应力水平下，扭杆弹簧一般可达到 510 610 次的疲劳寿命。 本章的主要内容是基于某中型卡车驾驶室对翻转机构的结构进行设计，以及对扭杆弹簧的尺寸进行设计计算，并介绍了扭杆的加工工艺。 转机构的设计 转机构结构与工作原理 中型卡车驾驶室翻转机构采用的是双扭杆结构，如图 2图 2示。 1、 翻转中心； 2、驾驶室安装架； 3、右扭杆； 4、右力臂； 5、左扭杆； 6、左 力臂；7、支架 图 2扭杆翻转机构结构图 扭杆 3、 5 一端（固定端）和支架 7 通过花键连接，另一端穿过支架，并和翻转臂 4、 6 也通过花键连接，驾驶室通过滚轮作用于翻转臂上的力会使扭杆产生扭转。通常情况下，驾驶室处于水平位置，锁止机构锁紧，扭杆处于扭转极限状态。当需要把驾驶室翻起来时，打开锁止机构，扭杆通过力臂作用在驾驶室上的弹力，使其绕翻转中心翻转（该过程需要借助人操作力），待翻转到极限位置，支撑杆撑起，固定驾驶室。 1、驾驶室翻转中心； 2、驾驶室侧面； 3、锁紧机构； 4、左右力臂； 5、左扭 杆； 6、右扭杆； 7、支架 图 2驶室水平位置示意图 转机构总成设计 根据某中型卡车车架和驾驶室的尺寸，对其翻转机构进行设计，翻转机构设计总成的三维图如图 2由支架、驾驶室安装架、扭杆、力臂、驾驶室支撑杆、滚轮、龙门架、锁紧机构、锁钩把手、推力把手等装置组成。其中支架固定安装在中型卡车的车架上，驾驶室安装在图 2驶室可绕翻转中心做翻转运动。 图 2转机构结构图 驾驶室支撑杆一端固定在驾驶室上，一端固定在车架上，其可伸缩和弯曲，当 驾驶室翻起到支撑杆至伸直状态时，驾驶室停止转动，此时可转动此支撑杆的锁钮，使支撑杆锁死，防止外力造成支撑杆铰接处弯曲，引起驾驶室下落现象，从而确保检修人员的安全。 驾驶室翻转时，两个力同时作用才能实现驾驶室的翻转，一个力为扭杆通过力臂作用在滚轮上向上的扭矩力，另一个力为操作人员通过推力把手（如图 2用在驾驶室上的向上的操作力。力臂和驾驶室通过滚轮接触，滚轮和驾驶室固定在一起。由于扭杆的旋转中心和驾驶室的旋转中心不重合，因此在驾驶室翻转的过程中，力臂和驾驶室之间将有一定的滑动，若不设此滚轮，驾驶室与 力臂之间的滑动摩擦力将严重阻碍驾驶室的翻转，导致人的操作力势必很大。设计此滚轮，可将滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，大大的提高驾驶室上翻和下翻的轻便性。 龙门架与中型卡车的车架固定安装，在一般工况下，驾驶室为水平放置，装在驾驶室上的锁钩钩挂在龙门架上的锁环上，实现锁止。设计锁止机构时，考虑到翻转驾驶室的方便性和安全问题，锁止机构设计了一个锁钩和一个锁紧副钩，锁钩的弯曲弧度较大（如图 2示），这样锁紧后不会脱开，但如果只有一锁钩时，当打开此锁钩时，一般需操作人员用手向下扳动锁钩把手，把手与锁钩用钢杆刚性连接， 当锁钩打开的一瞬间，驾驶室会在扭杆的弹力下，快速弹起，此时操作人员会出现躲闪不及的现象，危险性较大。 图 2门架及锁止机构图 因此这里设计一锁紧副钩（如图 2示），当锁钩打开后，锁紧副钩还在锁止状态。锁紧副钩设计时，钩为平直状，这样安装一拉杆，拉杆用钢杆与锁紧副钩刚性连接，操作人员拉动拉杆即可轻松将锁紧副钩拉开，操作人员有足够的空间和时间避开驾驶室的上弹，并且还可以利用这个上弹的速度将驾驶室轻松翻起，增加上翻的轻便性。 图 2止机构图 当驾驶室下落到水平位置时，锁紧副钩首先锁止， 然后再向上扳动锁钩把手，将锁钩锁止。锁钩的设计利用凸轮运动的原理，如图 2扳动把手时，把手拉动凸轮运动，凸轮的运动首先使锁钩向下运动，使钩脱离锁环，然后随着凸轮的运动，使锁钩完全偏离锁环，此时锁紧副钩仍然处于锁紧状态。 在一般工况下，驾驶室为水平位置，即驾驶室与龙门架处于接触状态，在车辆运动的时候，由于发动机的振动和路面不平度引起的振动，会使驾驶室与龙门架不断的撞击，因此设计一弹簧缓冲块，减小二者之间的碰撞造成的噪音和驾驶员的不适感。 杆弹簧的设计 作为某中型卡车驾驶室的翻转扭杆弹簧，要求其 具有三基本性能： 力学性能，扭杆弹簧是用来帮助人使驾驶室得到翻转，因此扭杆弹簧要有较高的弹性极限、抗扭强度、硬度、韧性、屈强比等。 疲劳性能，扭杆弹簧在使用过程中，要经常性的被扭转，使得扭杆弹簧在交变应力工作，因此扭杆弹簧要有较好的抗疲劳性能，这是决定扭杆弹簧疲劳寿命的重要因素，也是扭杆弹簧破坏的最主要形式之一。要求有合理的热处理工艺，来提高扭杆弹簧的疲劳寿命。 抗弹减性能（又称抗松弛性能），扭杆弹簧在长期静、动载荷作用下工作，则要求其具有在室温下的蠕变抗力。松弛抗力低，扭杆弹簧在工作一定时间后明显变 形，承载能力大大下降，以致失效。这是扭杆弹簧破坏的另一主要形式。一般采用固溶强化、细化晶粒强化等可提高抗弹减性能，可通过调整化学成分和热处理工艺来达到。 扭杆弹簧要具有以上性能，对于其制造工艺的要求较高，热处理、预扭、喷丸等任一工序的质量波动都可能对其使用寿命和性能产生很大影响。扭杆弹簧的性能直接影响到翻转机构。在实际应用中，扭杆的性能取决于扭杆的材料、尺寸、加工工艺等因素。本文针对某中型卡车驾驶室，根据驾驶室翻转时扭杆的实际工作状况，基于人机工程学原理（借助翻转机构，驾驶员可以轻松实现驾驶室的翻转），提出 一种新的扭杆设计方法。 驶室重心的测量 驾驶室的质量及其重心的位置是扭杆设计的主要参数，因此在对扭杆进行设计之前，对驾驶室的质量和重心进行测量，找出驾驶室重心的精确坐标。某中型卡车驾驶室是带卧铺的驾驶室，重量和外形都较大，而驾驶室翻转机构的翻转中心到驾驶室质心的距离是很重要的设计参数。故而准确地测得驾驶室质心位置坐标值及驾驶室质量意义重大。重心的测量方法有两种：一是静平衡法；二是悬挂法。 1、 静平衡法 如图 22示，选定驾驶室的翻转中心为 X 轴和 Z 轴零点坐标，以底部过驾驶室翻转 中心的一个面和垂直于底部且过驾驶室翻转中心的一个面为测量基准面。分别用三个脚支撑将驾驶室支撑起来。脚支撑安放在三台地磅秤上，称得其总重及三支撑分别重量，可求得重心坐标 X 值。以驾驶室前面为支撑面，重复上述操作，称得重量，可求得 上所求的 X， Z 值即为驾驶室横向坐标值，即重心的所在位置。 第一次称重得到驾驶室总重 1+3， 于零点处的地磅值， 图 2所示的“不可调支撑”处的两个地磅值。重心到零点坐标的 X 方向的坐标值利用力学平衡原理计算。 第二 次称重得到驾驶室总重 1+3， 于零点处的地磅值， 图 2所示的“不可调支撑”处的两个地磅值。重心到零点坐标的 Z 方向的坐标值利用力学平衡原理计算。 2、悬挂法 用平行于 Y 轴的一根轴横于驾驶室内，将驾驶室吊起，在轴的两端中心处悬挂二铅锤，平衡后，将两垂线划在驾驶室左右两外表面上。换一位置，等于将驾驶室绕 Y 轴转一角度，再次吊起，重复上次划线，在驾驶室左右两外表面垂线交点即质心位置（ X、Z 轴吊线不变），最后量出 X、 Z 值。以上方法如图 2： 图 2挂法找重心 方案比较： 第一种方法较复杂，需定基准点，且制作活动升降支承，并需作 X 轴 Z 轴至支承点的精确测量，但所得数据较准确，可得精确的 X、 Z 坐标值。 第二种方法较简单，但有如下缺点：用铅锤线可直接划在驾驶室左右两个外表面上，但从坐标零点到两线交点的 X、 Z 轴坐标值仍需人工测量，会带来一定的误差；由于只一个悬挂点，悬挂点的受力太大，会使驾驶室受到损坏。 通过比较以上两种方案，从保护驾驶室和得到精确重心坐标的方面考虑，决定采用第一种方案来测量驾驶室质心的坐标。 图 2量驾驶室重心的精确 X 坐标 图 2量驾驶室重心的精确 Z 坐标 杆的材料的选用 由于 60簧钢具有良好的弹性极限、强度极限、屈强比、疲劳强度，一定的淬透性和较高的抗弹减性能，因此 60现行使用最广泛的扭杆弹簧钢。本文中扭杆弹簧材料亦选用 60簧钢，其化学成分如表 2示： 表 2杆的成分 杆结构尺寸的设计 计思路 在翻转过程中，驾驶室重力对翻转中心的重力矩和左右扭杆作用于翻转中心 的力矩与翻转角度的关系曲线如图 2示。 经过研究发现，左右扭杆对翻转中心的力矩与翻转角度近似是一种线性关系，如上图的23直线的斜率和扭杆的刚度有关，改变扭杆的预扭角可以使直线上下平移。 设计思想为：确定一个扭杆的最优刚度，使得小，再确定分为上翻操作力矩和下翻操作力矩，两者值分 别为2 扭杆的刚度和扭杆直径、材料、有效工作长度有关，在扭杆的材料确定、有效工作长度变化很小的情况下，刚度只和扭杆的直径有关，就可以求出直径。 当求出可以得出扭杆的预扭角。 图 2驶室重力矩和扭杆对翻转中心力矩与翻转角度关系曲线 其中： 1T 驾驶室的重力矩， N . m； 23, 左右扭杆作用于翻转中心的力矩， N . m； 驾驶员上翻驾驶室所需最大力矩， N . m； 驾驶员下翻驾驶室所需最大力矩， N . m； 扭杆预扭状态对翻转中心的力矩， N . m； 计过程 在前期我们已经测量出驾驶室重量为 6958 牛， X、 Z 坐标为 扭杆材料的剪切模量为 80 1、 驾驶室翻转过程的分析与研究 图 2驶室翻转过程示意图 驾驶室翻转过程如图 2示， O 为驾驶室翻转中心、1心、2驶室翻转角时，驾驶室受力为：重力 G，操作力 F，左右扭杆作用于滚轮的力 图 2示）和翻转中心的支座反力（忽略摩擦）。由于支座反力对翻转中 心不产生力矩，所以驾驶室的翻转状态取决于重力矩和操作力矩以及 翻转中心的力矩。 1）、驾驶室翻转角度和左右扭杆旋转角度之间的关系 如图 2示，左右扭杆旋转中心和驾驶室翻转中心不为同一点，在驾驶室翻转过程中，驾驶室翻转角和左右扭杆转动角1 2,不相等，在结构上1 和 、2和 没有固定的几何关系。为了建立翻转过程的数学模型，采用最小二乘法拟合1 和 、2和 的关系： 图 2杆扭矩与扭杆作用于翻转中心力矩的关系 实车测量的1 、2和 的几组数据如表 2 表 2量数据 2）、扭杆扭矩和扭杆作用于翻转中心力矩的关系 如图 2示，根据力矩平衡可得： 2211（ 2 3322（ 2 图 2驶室受到扭杆的作用力示意图 式中 2T3N . m），2 T 3 N . m），1 到1 实车测量的11 22值如表 2示： 表 2量数据 杆的其它的尺寸设计 杆尺寸的设计 扭杆的尺寸如图 2示： 图 2杆结构尺寸 根据参考文献，得到以下经验公式 ： 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： 为扭杆工作长度； 12, 为小、大头直径 ； 12, 为过渡圆角半径； 12, 分别为小头和大头的花键长； 12, 分别为小头和大头的等效过渡长度； 12, 分别为小头和大头的过度长； 扭杆有效工作长度。 根据参考文献取得： 1D= 2D=30121001230上面值计算得出扭杆尺寸如表 2示： 表 2杆具体尺寸 经计算得：扭杆的刚度 为 N m) / 键的设计 花键的结构如图 2示： 图 2键端面图 根据要求选用标准压力角为 45，模数为 1 据公式： Dz m (2( 0 m z (2( 1 m z (2求得花键参数如表 2示。 表 2键参数值 杆加工工艺 扭杆弹簧的工作应力一般都较高，因此扭杆弹簧制造工艺复杂，质量保证体系要求较为严格，其强化技术难度较大。扭杆弹簧随用途和结构的不同其制造工艺也不同。对于某中型卡车驾驶室翻转扭杆，其生产工艺流程为： 切料 端部成型 缓冷 机械加工 热处理 喷丸 预扭强化 防锈涂漆。 部加工 扭杆固定端部形式主要有两种：六角端头和花键端头。美国较多地采用六角端头，而亚洲和欧洲国家大多采用花键端头。花键端部的 加工一般采用闭模模锻和开模镦粗两种工艺。闭模模锻是采用不同吨位的锻机热锻进行端头成形，材料采用弹簧钢，要求很高的表面质量，热处理淬火后常常需要车削和磨削。开模镦粗热成形工艺的原理见图2 图 2模镦粗原理 由于过渡区不接触模具，因此扭杆过渡区部分非常光滑且没有表面缺陷。开模镦粗的另一优点是用电来加热端头，加热时间短，减少了表面脱碳现象，确保了过渡区喷丸的效果，提高疲劳寿命。同时，在碳钢镦粗过程中，由于加热时间短和机械化空冷，不会产生对于弹簧钢常见的热裂现象。花键端头扭杆经镦粗后，镦粗顶 端呈圆形，所以花键辊铣加工前必须切削。 一些六角固定端头开模镦粗直接成形的试验研究工作已经完成，但试验结果不尽人意。主要原因是理论计算得到的填充六角模具所需的压力与实际金属流动条件下获得所需过渡区形状的实际条件不一致。 六角端头成形可以采用开模镦粗成圆形，然后进行机械加工出六角端部来完成。尽管有一些加工方法和设备，可以通过工件转动和刀具运动加工出六角端头形状，但其生产率很低。随着特种加工机械的发展，发现常用的相互磨削方法对于六角端头加工很有效。由于材料具有较好的机加工性能，采用金属切削的方法生产主要适合于锻 造的端头形状。尽管碳钢经镦粗后金属流线发生变化，但其硬度值仍保持在适合机械加工的范围。 采用镦粗和机械加工结合的方法制造六角端头可以获得很高的精度。平面部分的精度可以达到 面部分的曲率可以调节。由于两端同时加工，六角端头的相互位相关系相当精确。 加工工艺 扭杆弹簧生产制造中需要通过热处理来优化所需要的各种性能：包括硬度、强度、韧性、塑性、加工性能、组织均匀性、弹性和疲劳性能等，以满足加工和设计要求。扭杆弹簧的热处理主要包括端头成形后的退火处理、成形后的淬火回火处理和感应淬火表面处 理等。 国内外汽车扭杆弹簧广泛采用的材料为合金弹簧钢，经淬火回火热处理及强化工艺处理制成。高淬透性的合金弹簧钢扭杆镦锻成形时必须控制冷却速度防止开裂，并在端头加工前进行退火处理。软化退火处理是把钢材加热到 以上的适当温度后，随炉冷却到室温。 经过去扭杆生产厂家宁波跃进汽车前桥有限公司的实际调研，从成本看，弹簧钢 60于价格相对合适、为大多数使用厂家广泛使用的扭杆弹簧钢。 热处理淬火和回火用来使材料硬度和弹性极限较低的轧制或退火组织转变 为具有较高弹性极限和韧性的组织。扭杆弹簧的热处理淬 火温度应根据弹簧材料的临界温度而定，加热到钢材上临界点以上 20温度，如果加热不足，钢中的一些合金元素就不能充分溶入奥氏体中去，这些合金元素就发挥不了其应有的作用，起不到提高钢的淬透性及强化基体的作用，这也必然会导致扭杆强度的降低。保温时间随截面尺寸而定。淬火加热保温应在保护气氛中进行，同时应该采用低的淬火温度和尽可能缩短高温保温时间，以减少弹簧材料的晶粒粗大、脱碳和表面粗糙等缺陷。同时淬火时将扭杆垂直淬入油中，防止变形和开裂。扭杆弹簧在热处理淬火后应尽可能快的进行回火，以免由于内应力过大而产生裂纹 。回火多采用中温回火，以便得到稳定的组织和良好的综合机械性能。 通常规定高应力扭杆 (800 和 800上 )淬火回火后的硬度为 47C，处理表面质量和心部质量优良的钢材时，热处理后硬度值可以达到 54于 60，采用宁波跃进的扭杆原材料，参考他们原有工艺，根据我们建议的热处理工艺生产了部分扭杆新件。热处理工艺为：热处理工艺为：高温淬火加热温度 890 900（快速加热）油冷中温回火加热温度 400 410水冷。可以得到想要的组织：回火屈氏体，其具有较高的弹性极限，高强度和良 好的韧性。且由于加热较快，奥氏体不宜长大，因此得到的组织晶粒细小，可提高抗弹减性能。 杆表面形变强化 对扭杆弹簧进行滚压、喷丸和强扭等表面形变强化处理，可以提高扭杆弹簧的疲劳极限。滚压可使扭杆弹簧的表层产生塑性变形而形成一定深度的冷作硬化层和残余压应力区，残余压应力值可以达到 2000上。疲劳裂纹的形成因杆表面的残余压应力的作用而被广泛地抑制，降低了表面缺陷对疲劳强度的不利影响，使疲劳寿命显著提高。扭杆杆体滚压强化，尤其是两端的花键部分滚压强化，对改善扭杆弹簧疲劳寿命的效果极其显著。滚压 的塑性变形深度一般在 度可以提高 3劳极限提高 20%但因成本高，一般用于军工车辆。 高应力汽车用扭杆弹簧机械强化处理一般同时采用喷丸和预扭强化处理。 杆表面喷丸强化 机械零件在服役中的失效形式种类繁多，其中 60%疲劳断裂。而喷丸是用来改善金属部件疲劳和应力腐蚀断裂抗力的一种表面强化工艺。作为一种表面强化工艺，喷丸在汽车工业中应用可以追溯到本世纪 30 年代，是表面强化研究中的一个重要组成部分。喷丸强化使金属表面层产生循环塑性变形，从而使表 面应变层引起组织强化和应力强化，而对其内部组织结构不发生影响。部件表面层在喷丸后产生一定厚度的应变硬化层，该层内形成较高的残余压应力和密度极高的位错，此层深随喷丸强度增加而增加。 许多研究表明：对于拉伸和弯曲疲劳来讲，表面硬化延缓和阻止裂纹的形成，残余压应力阻止和延缓裂纹扩展，因此提高了零件的疲劳强度。当材料抗拉强度较低时，表面硬化显著提高疲劳强度，随材料强度和硬度的提高，残余压应力的大小对阻止和延缓裂纹在次表层形成的影响作用增强，并起主要作用。 对于调质处理和感应淬火处理的弹簧材料，喷丸后的残余应力分布是 提高疲劳极限的重要因素。早期研究表明：如果在疲劳寿命中残余应力与平均应力一样保持不变，则循环载荷下残余应力的作用可以通过外加平均应力来产生或抵消。拉压和弯曲载荷下平均应力对疲劳极限的影响常用 系式来描述，见图 2 图 2系图 可见，残余拉应力使材料的疲劳极限下降，残余压应力使其提高。残余应力作用的大小与平均应力敏感系数密切相关。 对于扭杆等部件，扭转疲劳载荷是切应力，当扭杆弹簧在高的切应力下切断时，平均应力似乎对扭转性能不起作用。多数扭杆弹簧在疲劳极限应力附 近运转断裂时，是由正应力引起的正断。无论是夹杂附近的裂纹扩展过程或是宏观断裂面的开裂过程均表现为裂纹沿最大主应力面的扩展。研究表明：当交变切应力a和静扭屈服强度s为正应力破坏，表现为 45断口；大于 切应力破坏，出现沿轴向或沿径向的开裂。汽车悬架扭杆弹簧的静扭屈服强度在 1000右，其交变疲劳载荷一般在 850下，为正断或正断和切断综合作用的断口。因此，表面残余应力对 以正断为断裂特征的扭转疲劳极限必然起重要作用。 图 2丸和预扭强化对扭转疲劳极限的影响 研究表明：硬度为 51 45簧钢扭转试样，经喷丸和预应变处理后的扭转疲劳极限比磨削态提高 20% 30%，见图 2 喷丸强化可消除扭杆表面的细微裂纹，提高表面硬度和强度，是提高扭杆疲劳寿命的重要方法，也是扭杆制造中经常采用的强化措施之一。喷丸中特别值得注意的是扭杆两端的花键部位必须喷到，为使细齿根部也能喷到，钢丸直径应小于细齿根部圆角半径之一半。 杆预扭强化 扭杆工作 环境使它的两端承受的是大小不断变化的动扭矩作用。为了提高它的承载能力，在使用前，必须对其进行强扭处理，选择合理的强扭规范，以提高扭杆弹簧工作时的承载能力，延长其使用寿命。 1、预扭强化基本原理 预扭强化处理是制造高强度扭杆弹簧的主要工艺措施，它可以提高扭杆弹簧的许用应力和承载能力，并可以消除或减少使用中的残余变形。德国相关标准规定，弹簧钢制扭杆不经过预扭处理的设计许用剪切应力为 700经预扭强化的扭杆是 1070高幅度极其显著。 扭杆弹簧的强扭处理是在规定的扭矩作用下，使其表面及一定深度的工 作应力超过屈服极限 (但低于强度极限 )。扭杆表层区产生塑性变形，形成塑性区。但截面中心区还是弹性区，并极力恢复到原始状态，而表层塑性区会阻止它的恢复造成沿扭杆半径方向上各层间存在相互作用。结果使其表层塑性区产生反向的压应力，而中心的弹性区产生正应力。如图 2a)所示 (图中 r 为扭杆半径 )。经强扭后，如工作扭角不超过扭杆弹簧的强扭角，则工作应力与应变呈正比，截面各层工作应力与半径 r 呈线性关系，见图2b)。加载后所产生的应力和残余应力相加，得扭杆截面应力分布见图 2c)。由图2看出， 靠近中心的弹性区，在原存留的残余应力基础上，又承担了施加的剪切应力；而靠近表层的附近，其原预扭存留的残余应力对施加的剪切应力将抵消一部分，从而使截面上应力分布趋于均匀，见图 2a)，充分发挥了扭杆内部材料的性能，提高了扭力杆的承载能力。 图 2杆截面应力分布 预扭强化处理时的载荷和变形的曲线如图 2示。图中 预扭加载曲线，卸载曲线， 的斜率等于弹簧的刚度。由于预扭强化后，剪切模量 G 值将略有下降，导致 的斜率略低于 斜率，但数日后 G 值仍将恢复到原数值。实 践证明，经强扭处理的扭杆弹簧比未经强扭处理的许用扭矩可以由 A 点提高到 D 点，扭杆弹簧承载能力可提高 30%。 图 2扭强化处理的载荷特性曲线 预扭处理的工艺参数可以通过公式 2定 ： 114.6 （ 2 其中： 扭转角 ( )； 切应变 ( L 扭杆的有效工作长度 (; D 扭杆的直径 ( 对于 50右硬度的合金钢调质处理扭杆弹簧，推荐采用使其产生切应变=预加载荷，这样可以使 扭杆产生小于 塑性切应变。 研究表明，预扭强化可以使扭杆屈服强度提高 100上，可以增加设计许用应力，减少使用中的蠕变变形和失效发生。但是有研究表明，在喷丸前后进行预应变均使疲劳极限下降。这种下降和预应变时造成的损伤或在夹杂周围造成裂纹有关。 2、扭杆弹簧强扭工艺方法 扭杆弹簧强扭工艺有两种：一种是扭杆弹簧在超过弹性变形的某一转矩下，保持足够的时间（一般在 24 48h 以上）使材料金属晶格的滑移保持稳定后卸载；另一种是扭杆弹簧在一定的强扭角状态下，经多次连续加载和卸载，（一般经 5 6 次） ，目的是得到稳定的残余变形。目前较多采用的为后一种方法。 图 2杆弹簧预扭强化方法 多次连续加载和卸载预扭强化处理又有两种方法，下面对其在原理上予以分析比较。第一种方法如图 2a)所示，每次强扭角保持不变进行多次加载、卸载强扭处理。第一次强扭1角，卸载后残余扭转角为1；第二次强扭2角 （1=2） ，卸载后残余扭转角为2；第三次强扭3角 (1=3)，卸载后残余扭转角为3；其余类推。其强扭曲线（ 曲线）见图 2a)。 图 2杆弹簧强扭 T 曲线 第二 种方法如图 2b)所示，每次预扭强化扭转到第一次强扭角的最终位置的强化处理方法。第一次强扭1角，卸载后残余扭转角为1；第二次强扭2角为第一次的卸载弹回角，卸载后残余扭转角为2，第三次强扭角3为第二次卸载角，卸载后残余扭转角为3；其强扭曲线（ T - 曲线）见图 2b)。由图 2知，扭杆强扭后 T - 曲线图由原来、已改造成为呈线性关系的、，弹性极限点由点提高到点。因为强扭角总是大于使用时最大工作扭角，因此消除了工作中可能产生的残余变形，保证工作稳定性。 采用上面介绍的扭杆弹簧强扭工艺方法一，将扭杆沿其工作时的承载方向施加一扭角 50（大于使用时的最大工作扭角），使扭杆的表层应力超过材料的屈服极限而发生塑性变形，然后再卸载，经过连续加载卸载，使扭杆表层的塑性变形趋于稳定，并保 证最后一次卸载后残余变形小于规定值（ 。 应淬火表面强化 感应热处理加热速度快，能获得细化或超细化的奥氏体晶粒，淬火后得到细致的马氏体组织，再经回火得到高度弥散的回火组织，使零件强度和韧性得到提高；由于感应淬火是表面淬火，淬火层中的马氏体比容增大，而心部保持原始组织，故处理后零件表面形成相当大的残余压应力，残余压应力可达 1000N/响深度在 上，可以大幅度提高零件的疲劳极限和疲劳寿命；感应热处理加热速度快、保温时间极短，零件的表面氧化脱碳少，表面质量高，避免了表面缺陷造 成应力集中而影响疲劳寿命；因此感应热处理是一种经济、节能的热处理工艺及强化处理工艺。 扭杆弹簧是一种承受单向扭转负荷的弹性元件，其应力分布特点是表面剪切应力最大而轴心剪切应力为零，在没有应力集中因素的情况下，从轴心到表面应力呈线性增加。扭杆弹簧经感应淬火处理后，外部形成高硬度 (高强度 )的淬硬层，心部维持预调质处理后的硬度和强度，淬硬层和心部之间存在一个过渡层。这种强度分布与其承受的应力状态相似，所以有时也称之为仿应力强化，见图 2应力强化和处理表层高的残余压应力共同作用的结果使感应淬火强化比整体热处 理强化在更大程度上发挥了材料的强度潜力，因此可以用合金元素含量较低，价格较为便宜的材料代替价格较高的弹簧钢材料。 图 2应淬火和调质处理扭杆弹黄截面应力分布 研究表明，感应淬火扭杆弹簧在一定硬化层深度范围内扭杆弹簧的强度指标达到甚至超过淬火回火处理扭杆弹簧的水平；组织变化导致的表面残余应力值高于喷丸强化的水平，同时中频感应处理快速加热具有较好的表面质量，有利于疲劳强度和使用寿命的提高。研究表明：感应淬火扭杆弹簧的疲劳寿命提高效果极其显著。 采用中频淬火处理的扭杆弹簧不需要调质扭杆钢材的高淬透性 ，因此，可以采用普通中碳钢或低合金结构钢材料。这样可以大幅度降低材料成本，节约合金资源。同时，这些钢材具有良好的工艺性能，可以取消热处理退火和降低废品率。 杆应力校核 扭杆的最大应力（过渡圆弧）应该满足： m a xm a x 360 d (2式中： 为扭杆最大应力 ， N 安全系数 为扭杆最大扭转角度， ( ) 为圆弧过渡的应力集中系数 为材料许用应力， 材料热处理后经喷丸和预扭 ,在计算时，一般可取： = 0 Pa， 45，N =有：958 1000计的扭杆符合应力极限要求 总结 本 文 依据现有中型卡车，对驾驶室翻转机构和扭杆弹簧进行了设计，并对扭杆的加工和强化工艺进行理论分析，从而确定合理的加工强化工艺，为以后扭杆的制造做准备工作 。 由于本人水平，在设计中难免会遇到不足，在今后的工作中一定会多加留心，学以致用。 致 谢 经过几个月的努力，毕业设计终于完成了。在这个过程中我对所学知识 有了更深的了解，学到了很多有价值东西，能达到这样的效果 是所 有曾经指导过我的老师，帮助过我的同学，一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！ 首先，要特别感谢我的指导老师 X 老师。 X 老师渊博的专业知识，严谨的治学态度 ， 朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。 使我对完成毕业 设计有了很大的兴趣 ， 同时明白 许多待人接物与为人处世的道理。 其次，要感谢学院所有曾经为我们 指导过的 老师，老师们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度。 第三，感谢我的父母亲，你们是我力量的源泉，只要有你们，不管面对 什么样的困难，我都不会害怕，谢谢你们对我的支持与鼓励！ 再次，感谢我的室友及 班级 好友，因为有你们的帮助，我的 课程设计 得以顺利完成。我们之间相互探讨，相互激励，使我总能攻克困难。 在我不开心的时候， 你们总会安慰我，我开心的时候总能有你们陪伴，我不会忘记，谢谢你们！ 最后对老师，同学和家人再次致以我最衷心的感谢！教导过我的老师，你们的人格魅力永记我心间。身边的同学和朋友，有你们，我的大学才算完整。寝室的密友，你们的天赋犹如上天恩赐，有了你们我的生活更加精彩。 参考文献 1 陈家瑞主 编 册） M机械工业出摘要 中型卡车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转。由于中型卡车驾驶室太重，单凭人力无法实现驾驶室的翻转，必须要借助于翻转机构。 大多数中型卡车翻转机构都采用机械式双扭杆式。翻转机构上的重要部件是扭杆弹簧，扭杆的弹力是驾驶室得到翻转的主要动力源，因此，扭杆弹簧性能的好坏直接关系到驾驶室的翻转。 本文针对某中型卡车驾驶室，根据驾驶室翻转时的实际工作状况，根据车 架和驾驶室的尺寸，对翻转机构进行设计， 对翻转机构的重要部件扭杆进行设计，并且同时对扭杆其他部分尺寸进行设计计算。 关键词： 中型卡车 翻转机构 扭杆弹簧 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 目录 第一章 绪 论 . 4 言 . 4 究背景 . 5 究目的和意义 . 5 第二章 翻转机构的设计 . 7 言 . 7 转机构的设计 . 7 转机构结构与工作原理 . 7 转机构总成设计 . 8 杆弹簧的设 计 . 11 驶室重心的测量 . 12 杆的材料的选用 . 14 杆结构尺寸的设计 . 14 杆的其它的尺寸设计 . 18 杆加工工艺 . 20 部加工 . 20 加工工艺 . 22 杆表面形变强化 . 23 应淬火表面强化 . 28 杆应力校核 . 29 总结 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 第一章 绪 论 言 汽车问世以来对人类的出行产生了巨大影响。如今，汽车工业的发达程度已经成为一个国家工业水平的重要标志，汽车也已经成为当代物质文明与进步的象征及文明形态的一种代表。 中型卡车在日常生活中的应用日益普遍，目前我国的中型卡车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转。由于中型卡车驾驶室太重，单凭人力无法实现驾驶室的翻转，必须要借助于翻转机构，翻转机构的核心部件为提供翻转扭力的扭杆弹簧。 扭杆弹簧作为一种弹性机械零件，越来越多的应用于各种机械和汽车产品中。扭杆弹簧跟其它类型弹簧一样，都是利用材料的弹性以及本身结构和总体布置的特点，把机械功或动能转变为变形能，或将变形能转变为机械功或动能，实现能量储备和稳定作用。如各种越野车辆上的悬架装置用它来做缓冲和减振；在高速内燃机上的进排气系统中，用它来避免或缓和汽门主圆柱螺旋弹簧在强烈振动的动载荷作用下所引起的颤动；在使用空气弹簧做稳压器的车辆上，利用它做稳压器；在高速小轿车的悬架装置，利用它做稳压杆，以增加车辆转向时的稳定性；对于一些需要一定助力的 机构，如可翻的驾驶室、挡浪板、散热器以及各种门、窗盖等，常用它做储能元件；在传动轴和驱动轴中，为了减少扭振和缓和扭矩的变化，也常在轴中插入扭杆弹簧等等。由此可见，扭杆弹簧已被广泛用于各类机械设备和装备上，从精密仪器到各种控制及测力设备，从坦克装甲车辆到民用各种越野车辆和工程机械，无所不用，并且它的应用范围正在逐渐扩大。 在中型卡车翻转机构中，扭杆弹簧的设计与制造工作决定着整个翻转机构的性能。在传统的机械产品设计和制造过程中，首先需要进行市场调研，确定对产品的功能、结构等方面指针的要求；其次，进行概念设计，对 每种不同设计方案都绘制出相应的工程图样；然后，进行方案论证 (通常是基于经验的且需要较长的时间 )，确定出合适的方案：最后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要试制出产品的实物样机 (物理样机 )，并针对该样机设计多种试验方案，同时在各种不同工况下进行测试，有时这些试验甚至是破坏性的。当发现样机存在缺陷时，又必须对设计方案及工程图纸进行修改并进行新的一轮样机试制、测试。只有通过周而复始的“设计 试验 设计”过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，而且随着产品复杂程度的提高，这种反复的物理样机 50%产品及其相关成本取决于设计过程，通常有 25%以上的开发时间耗费在物理模型和样机的制造上。显然，在激烈竞争的市场 背景下，基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高，成本的降低以及对市场的占有。 进入 20 世纪 60 年代中期，世界各大汽车公司在设计中引入了电子计算机后形成了 新方法，并使设计逐步实现半自动化和自动化。一些当代世界最新的科学技术与成果，也往往首先在汽车上或汽车工业中得到推广应用。如高速数值计算和仿真技术、精密机械制造技术、柔性加工、自动控制 技术等。 为了与国际上的大公司竞争，就必须掌握先进有效的汽车设计技术。先进有效的设计手段可以大大降低开发费用、缩短开发周期，在日益激烈的市场竞争中这对于任何厂家来讲都是至关重要的。企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新设计，这样才能够对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。 究背景 中型卡车驾驶室翻转机构可分为机械式、液压式。机械式又可分为单扭杆式和双扭杆式。由于液压式可靠性差、价格 昂贵、故障较多，所以大多数翻转机构都采用机械式。机械式翻转机构的扭杆在全部应力范围内工作，扭杆在绝大多数时间内都承载。由于双扭杆式比单扭杆式可以承载更大扭矩，使驾驶室左右受力均匀，不会形成扭曲现象，所以大多数中卡翻转机构都采用双扭杆式。 翻转机构的扭杆在全部应力范围内工作。扭杆要保证驾驶室翻起时保持平衡。这种扭杆在绝大多数时间内都承载，只有在它所平衡的机构起作用时扭杆才能放松。因此，蠕变破坏比不断翻起的疲劳破坏更重要。扭杆端部直径大于杆体的直径，对于杆类零件，在直径变化之处会产生应力集中，也是蠕变破坏最严重 的部位。 究目的和意义 中型卡车驾驶室依靠翻转机构进行翻转，其中翻转机构的关键部件为扭杆弹簧，扭杆弹簧作为缓冲和储能元件，具有单位储能大、体积小、便于加工等特点，合理地设计驾驶室翻转机构及扭杆扭力，可以使驾驶员轻松、方便地翻转，还能较长时间保持操作轻便性；设计不合理时驾驶员翻转要用比较大的力，扭杆如果设计不合理，热处理不当，扭力衰退较快，将严重影响驾驶员操作轻便性和安全性。 本课题分析的是某中型卡车驾驶室翻转机构，及翻转机构的重要部件扭杆弹簧。利用某中型卡车的车架和驾驶室对翻转机构进行设计，以及对 扭杆进行直径方面的尺寸设计。 第二章 翻转机构的设计 言 近些年，随着我国国民经济的发展，人们生活水平的提高，中型卡车用户对车辆的整车性能、驾驶环境及操作维修的方便性都有了更高的要求。为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转，驾驶室的翻转单凭人力无法实现，必须要借助于翻转机构，其中翻转机构的核心部件为扭杆弹簧。扭杆弹簧是一种利用扭杆的扭转变形起作用的弹性元件，常用于轿车、越野车的悬架系统和中型卡车的翻转机构中。扭杆弹簧主要有以下优点。 （ 1）扭杆 弹簧单位体积的变形能较大，其值要显著大于常见的钢板弹簧，因此，在相同的载荷条件下，使用扭杆弹簧比使用钢板弹簧可节省很多弹簧钢。扭杆弹簧单位体积的变形能可按下式计算： 14u G (2式中， 为作用于扭杆的剪切应力； （ 2）由于扭杆弹簧一般固定在车架或车身上，因而扭杆弹簧用于悬架时，悬架非簧载质量较小，有利于提高汽车行驶平顺性。 （ 3）结构简单、紧凑，易于在汽车上布置。 （ 4）具有较高的疲劳 寿命，在合理的使用应力水平下，扭杆弹簧一般可达到 510 610 次的疲劳寿命。 本章的主要内容是基于某中型卡车驾驶室对翻转机构的结构进行设计，以及对扭杆弹簧的尺寸进行设计计算，并介绍了扭杆的加工工艺。 转机构的设计 转机构结构与工作原理 中型卡车驾驶室翻转机构采用的是双扭杆结构，如图 2图 2示。 1、 翻转中心； 2、驾驶室安装架； 3、右扭杆； 4、右力臂； 5、左扭杆； 6、左 力臂；7、支架 图 2扭杆翻转机构结构图 扭杆 3、 5 一端（固定端）和支架 7 通过花键连接，另一端穿过支架，并和翻转臂 4、 6 也通过花键连接，驾驶室通过滚轮作用于翻转臂上的力会使扭杆产生扭转。通常情况下，驾驶室处于水平位置，锁止机构锁紧，扭杆处于扭转极限状态。当需要把驾驶室翻起来时，打开锁止机构，扭杆通过力臂作用在驾驶室上的弹力，使其绕翻转中心翻转（该过程需要借助人操作力），待翻转到极限位置，支撑杆撑起，固定驾驶室。 1、驾驶室翻转中心； 2、驾驶室侧面； 3、锁紧机构； 4、左右力臂； 5、左扭 杆； 6、右扭杆； 7、支架 图 2驶室水平位置示意图 转机构总成设计 根据某中型卡车车架和驾驶室的尺寸，对其翻转机构进行设计，翻转机构设计总成的三维图如图 2由支架、驾驶室安装架、扭杆、力臂、驾驶室支撑杆、滚轮、龙门架、锁紧机构、锁钩把手、推力把手等装置组成。其中支架固定安装在中型卡车的车架上，驾驶室安装在图 2驶室可绕翻转中心做翻转运动。 图 2转机构结构图 驾驶室支撑杆一端固定在驾驶室上，一端固定在车架上，其可伸缩和弯曲，当 驾驶室翻起到支撑杆至伸直状态时，驾驶室停止转动，此时可转动此支撑杆的锁钮，使支撑杆锁死，防止外力造成支撑杆铰接处弯曲，引起驾驶室下落现象，从而确保检修人员的安全。 驾驶室翻转时，两个力同时作用才能实现驾驶室的翻转，一个力为扭杆通过力臂作用在滚轮上向上的扭矩力，另一个力为操作人员通过推力把手（如图 2用在驾驶室上的向上的操作力。力臂和驾驶室通过滚轮接触，滚轮和驾驶室固定在一起。由于扭杆的旋转中心和驾驶室的旋转中心不重合，因此在驾驶室翻转的过程中，力臂和驾驶室之间将有一定的滑动，若不设此滚轮，驾驶室与 力臂之间的滑动摩擦力将严重阻碍驾驶室的翻转，导致人的操作力势必很大。设计此滚轮，可将滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，大大的提高驾驶室上翻和下翻的轻便性。 龙门架与中型卡车的车架固定安装，在一般工况下，驾驶室为水平放置，装在驾驶室上的锁钩钩挂在龙门架上的锁环上，实现锁止。设计锁止机构时，考虑到翻转驾驶室的方便性和安全问题，锁止机构设计了一个锁钩和一个锁紧副钩，锁钩的弯曲弧度较大（如图 2示），这样锁紧后不会脱开，但如果只有一锁钩时，当打开此锁钩时，一般需操作人员用手向下扳动锁钩把手，把手与锁钩用钢杆刚性连接， 当锁钩打开的一瞬间，驾驶室会在扭杆的弹力下，快速弹起，此时操作人员会出现躲闪不及的现象，危险性较大。 图 2门架及锁止机构图 因此这里设计一锁紧副钩（如图 2示），当锁钩打开后，锁紧副钩还在锁止状态。锁紧副钩设计时，钩为平直状，这样安装一拉杆，拉杆用钢杆与锁紧副钩刚性连接，操作人员拉动拉杆即可轻松将锁紧副钩拉开，操作人员有足够的空间和时间避开驾驶室的上弹，并且还可以利用这个上弹的速度将驾驶室轻松翻起，增加上翻的轻便性。 图 2止机构图 当驾驶室下落到水平位置时，锁紧副钩首先锁止， 然后再向上扳动锁钩把手，将锁钩锁止。锁钩的设计利用凸轮运动的原理，如图 2扳动把手时，把手拉动凸轮运动，凸轮的运动首先使锁钩向下运动，使钩脱离锁环，然后随着凸轮的运动，使锁钩完全偏离锁环，此时锁紧副钩仍然处于锁紧状态。 在一般工况下，驾驶室为水平位置，即驾驶室与龙门架处于接触状态，在车辆运动的时候，由于发动机的振动和路面不平度引起的振动，会使驾驶室与龙门架不断的撞击，因此设计一弹簧缓冲块，减小二者之间的碰撞造成的噪音和驾驶员的不适感。 杆弹簧的设计 作为某中型卡车驾驶室的翻转扭杆弹簧，要求其 具有三基本性能： 力学性能，扭杆弹簧是用来帮助人使驾驶室得到翻转，因此扭杆弹簧要有较高的弹性极限、抗扭强度、硬度、韧性、屈强比等。 疲劳性能，扭杆弹簧在使用过程中，要经常性的被扭转，使得扭杆弹簧在交变应力工作，因此扭杆弹簧要有较好的抗疲劳性能，这是决定扭杆弹簧疲劳寿命的重要因素，也是扭杆弹簧破坏的最主要形式之一。要求有合理的热处理工艺，来提高扭杆弹簧的疲劳寿命。 抗弹减性能（又称抗松弛性能），扭杆弹簧在长期静、动载荷作用下工作，则要求其具有在室温下的蠕变抗力。松弛抗力低，扭杆弹簧在工作一定时间后明显变 形，承载能力大大下降，以致失效。这是扭杆弹簧破坏的另一主要形式。一般采用固溶强化、细化晶粒强化等可提高抗弹减性能，可通过调整化学成分和热处理工艺来达到。 扭杆弹簧要具有以上性能，对于其制造工艺的要求较高，热处理、预扭、喷丸等任一工序的质量波动都可能对其使用寿命和性能产生很大影响。扭杆弹簧的性能直接影响到翻转机构。在实际应用中，扭杆的性能取决于扭杆的材料、尺寸、加工工艺等因素。本文针对某中型卡车驾驶室，根据驾驶室翻转时扭杆的实际工作状况，基于人机工程学原理（借助翻转机构，驾驶员可以轻松实现驾驶室的翻转），提出 一种新的扭杆设计方法。 驶室重心的测量 驾驶室的质量及其重心的位置是扭杆设计的主要参数，因此在对扭杆进行设计之前，对驾驶室的质量和重心进行测量，找出驾驶室重心的精确坐标。某中型卡车驾驶室是带卧铺的驾驶室，重量和外形都较大，而驾驶室翻转机构的翻转中心到驾驶室质心的距离是很重要的设计参数。故而准确地测得驾驶室质心位置坐标值及驾驶室质量意义重大。重心的测量方法有两种：一是静平衡法；二是悬挂法。 1、 静平衡法 如图 22示，选定驾驶室的翻转中心为 X 轴和 Z 轴零点坐标，以底部过驾驶室翻转 中心的一个面和垂直于底部且过驾驶室翻转中心的一个面为测量基准面。分别用三个脚支撑将驾驶室支撑起来。脚支撑安放在三台地磅秤上，称得其总重及三支撑分别重量，可求得重心坐标 X 值。以驾驶室前面为支撑面，重复上述操作，称得重量，可求得 上所求的 X， Z 值即为驾驶室横向坐标值，即重心的所在位置。 第一次称重得到驾驶室总重 1+3， 于零点处的地磅值， 图 2所示的“不可调支撑”处的两个地磅值。重心到零点坐标的 X 方向的坐标值利用力学平衡原理计算。 第二 次称重得到驾驶室总重 1+3， 于零点处的地磅值， 图 2所示的“不可调支撑”处的两个地磅值。重心到零点坐标的 Z 方向的坐标值利用力学平衡原理计算。 2、悬挂法 用平行于 Y 轴的一根轴横于驾驶室内，将驾驶室吊起，在轴的两端中心处悬挂二铅锤，平衡后，将两垂线划在驾驶室左右两外表面上。换一位置，等于将驾驶室绕 Y 轴转一角度，再次吊起，重复上次划线，在驾驶室左右两外表面垂线交点即质心位置（ X、Z 轴吊线不变），最后量出 X、 Z 值。以上方法如图 2： 图 2挂法找重心 方案比较： 第一种方法较复杂，需定基准点，且制作活动升降支承，并需作 X 轴 Z 轴至支承点的精确测量，但所得数据较准确，可得精确的 X、 Z 坐标值。 第二种方法较简单，但有如下缺点：用铅锤线可直接划在驾驶室左右两个外表面上，但从坐标零点到两线交点的 X、 Z 轴坐标值仍需人工测量，会带来一定的误差；由于只一个悬挂点，悬挂点的受力太大，会使驾驶室受到损坏。 通过比较以上两种方案，从保护驾驶室和得到精确重心坐标的方面考虑，决定采用第一种方案来测量驾驶室质心的坐标。 图 2量驾驶室重心的精确 X 坐标 图 2量驾驶室重心的精确 Z 坐标 杆的材料的选用 由于 60簧钢具有良好的弹性极限、强度极限、屈强比、疲劳强度，一定的淬透性和较高的抗弹减性能，因此 60现行使用最广泛的扭杆弹簧钢。本文中扭杆弹簧材料亦选用 60簧钢，其化学成分如表 2示： 表 2杆的成分 杆结构尺寸的设计 计思路 在翻转过程中，驾驶室重力对翻转中心的重力矩和左右扭杆作用于翻转中心 的力矩与翻转角度的关系曲线如图 2示。 经过研究发现，左右扭杆对翻转中心的力矩与翻转角度近似是一种线性关系，如上图的23直线的斜率和扭杆的刚度有关，改变扭杆的预扭角可以使直线上下平移。 设计思想为：确定一个扭杆的最优刚度，使得小，再确定分为上翻操作力矩和下翻操作力矩，两者值分 别为2 扭杆的刚度和扭杆直径、材料、有效工作长度有关，在扭杆的材料确定、有效工作长度变化很小的情况下，刚度只和扭杆的直径有关，就可以求出直径。 当求出可以得出扭杆的预扭角。 图 2驶室重力矩和扭杆对翻转中心力矩与翻转角度关系曲线 其中： 1T 驾驶室的重力矩， N . m； 23, 左右扭杆作用于翻转中心的力矩， N . m； 驾驶员上翻驾驶室所需最大力矩， N . m； 驾驶员下翻驾驶室所需最大力矩， N . m； 扭杆预扭状态对翻转中心的力矩， N . m； 计过程 在前期我们已经测量出驾驶室重量为 6958 牛， X、 Z 坐标为 扭杆材料的剪切模量为 80 1、 驾驶室翻转过程的分析与研究 图 2驶室翻转过程示意图 驾驶室翻转过程如图 2示， O 为驾驶室翻转中心、1心、2驶室翻转角时，驾驶室受力为：重力 G，操作力 F，左右扭杆作用于滚轮的力 图 2示）和翻转中心的支座反力（忽略摩擦）。由于支座反力对翻转中 心不产生力矩，所以驾驶室的翻转状态取决于重力矩和操作力矩以及 翻转中心的力矩。 1）、驾驶室翻转角度和左右扭杆旋转角度之间的关系 如图 2示，左右扭杆旋转中心和驾驶室翻转中心不为同一点，在驾驶室翻转过程中，驾驶室翻转角和左右扭杆转动角1 2,不相等，在结构上1 和 、2和 没有固定的几何关系。为了建立翻转过程的数学模型，采用最小二乘法拟合1 和 、2和 的关系： 图 2杆扭矩与扭杆作用于翻转中心力矩的关系 实车测量的1 、2和 的几组数据如表 2 表 2量数据 2）、扭杆扭矩和扭杆作用于翻转中心力矩的关系 如图 2示，根据力矩平衡可得： 2211（ 2 3322（ 2 图 2驶室受到扭杆的作用力示意图 式中 2T3N . m），2 T 3 N . m），1 到1 实车测量的11 22值如表 2示： 表 2量数据 杆的其它的尺寸设计 杆尺寸的设计 扭杆的尺寸如图 2示： 图 2杆结构尺寸 根据参考文献，得到以下经验公式 ： 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： 为扭杆工作长度； 12, 为小、大头直径 ； 12, 为过渡圆角半径； 12, 分别为小头和大头的花键长； 12, 分别为小头和大头的等效过渡长度； 12, 分别为小头和大头的过度长； 扭杆有效工作长度。 根据参考文献取得： 1D= 2D=30121001230上面值计算得出扭杆尺寸如表 2示： 表 2杆具体尺寸 经计算得：扭杆的刚度 为 N m) / 键的设计 花键的结构如图 2示： 图 2键端面图 根据要求选用标准压力角为 45，模数为 1 据公式： Dz m (2( 0 m z (2( 1 m z (2求得花键参数如表 2示。 表 2键参数值 杆加工工艺 扭杆弹簧的工作应力一般都较高，因此扭杆弹簧制造工艺复杂，质量保证体系要求较为严格，其强化技术难度较大。扭杆弹簧随用途和结构的不同其制造工艺也不同。对于某中型卡车驾驶室翻转扭杆，其生产工艺流程为： 切料 端部成型 缓冷 机械加工 热处理 喷丸 预扭强化 防锈涂漆。 部加工 扭杆固定端部形式主要有两种：六角端头和花键端头。美国较多地采用六角端头，而亚洲和欧洲国家大多采用花键端头。花键端部的 加工一般采用闭模模锻和开模镦粗两种工艺。闭模模锻是采用不同吨位的锻机热锻进行端头成形，材料采用弹簧钢，要求很高的表面质量，热处理淬火后常常需要车削和磨削。开模镦粗热成形工艺的原理见图2 图 2模镦粗原理 由于过渡区不接触模具，因此扭杆过渡区部分非常光滑且没有表面缺陷。开模镦粗的另一优点是用电来加热端头，加热时间短，减少了表面脱碳现象，确保了过渡区喷丸的效果，提高疲劳寿命。同时，在碳钢镦粗过程中，由于加热时间短和机械化空冷，不会产生对于弹簧钢常见的热裂现象。花键端头扭杆经镦粗后，镦粗顶 端呈圆形，所以花键辊铣加工前必须切削。 一些六角固定端头开模镦粗直接成形的试验研究工作已经完成，但试验结果不尽人意。主要原因是理论计算得到的填充六角模具所需的压力与实际金属流动条件下获得所需过渡区形状的实际条件不一致。 六角端头成形可以采用开模镦粗成圆形，然后进行机械加工出六角端部来完成。尽管有一些加工方法和设备，可以通过工件转动和刀具运动加工出六角端头形状，但其生产率很低。随着特种加工机械的发展，发现常用的相互磨削方法对于六角端头加工很有效。由于材料具有较好的机加工性能，采用金属切削的方法生产主要适合于锻 造的端头形状。尽管碳钢经镦粗后金属流线发生变化，但其硬度值仍保持在适合机械加工的范围。 采用镦粗和机械加工结合的方法制造六角端头可以获得很高的精度。平面部分的精度可以达到 面部分的曲率可以调节。由于两端同时加工，六角端头的相互位相关系相当精确。 加工工艺 扭杆弹簧生产制造中需要通过热处理来优化所需要的各种性能：包括硬度、强度、韧性、塑性、加工性能、组织均匀性、弹性和疲劳性能等，以满足加工和设计要求。扭杆弹簧的热处理主要包括端头成形后的退火处理、成形后的淬火回火处理和感应淬火表面处 理等。 国内外汽车扭杆弹簧广泛采用的材料为合金弹簧钢，经淬火回火热处理及强化工艺处理制成。高淬透性的合金弹簧钢扭杆镦锻成形时必须控制冷却速度防止开裂，并在端头加工前进行退火处理。软化退火处理是把钢材加热到 以上的适当温度后，随炉冷却到室温。 经过去扭杆生产厂家宁波跃进汽车前桥有限公司的实际调研，从成本看，弹簧钢 60于价格相对合适、为大多数使用厂家广泛使用的扭杆弹簧钢。 热处理淬火和回火用来使材料硬度和弹性极限较低的轧制或退火组织转变 为具有较高弹性极限和韧性的组织。扭杆弹簧的热处理淬 火温度应根据弹簧材料的临界温度而定，加热到钢材上临界点以上 20温度，如果加热不足，钢中的一些合金元素就不能充分溶入奥氏体中去，这些合金元素就发挥不了其应有的作用，起不到提高钢的淬透性及强化基体的作用，这也必然会导致扭杆强度的降低。保温时间随截面尺寸而定。淬火加热保温应在保护气氛中进行，同时应该采用低的淬火温度和尽可能缩短高温保温时间，以减少弹簧材料的晶粒粗大、脱碳和表面粗糙等缺陷。同时淬火时将扭杆垂直淬入油中，防止变形和开裂。扭杆弹簧在热处理淬火后应尽可能快的进行回火，以免由于内应力过大而产生裂纹 。回火多采用中温回火，以便得到稳定的组织和良好的综合机械性能。 通常规定高应力扭杆 (800 和 800上 )淬火回火后的硬度为 47C，处理表面质量和心部质量优良的钢材时，热处理后硬度值可以达到 54于 60，采用宁波跃进的扭杆原材料，参考他们原有工艺，根据我们建议的热处理工艺生产了部分扭杆新件。热处理工艺为：热处理工艺为：高温淬火加热温度 890 900（快速加热）油冷中温回火加热温度 400 410水冷。可以得到想要的组织：回火屈氏体，其具有较高的弹性极限，高强度和良 好的韧性。且由于加热较快，奥氏体不宜长大，因此得到的组织晶粒细小，可提高抗弹减性能。 杆表面形变强化 对扭杆弹簧进行滚压、喷丸和强扭等表面形变强化处理，可以提高扭杆弹簧的疲劳极限。滚压可使扭杆弹簧的表层产生塑性变形而形成一定深度的冷作硬化层和残余压应力区，残余压应力值可以达到 2000上。疲劳裂纹的形成因杆表面的残余压应力的作用而被广泛地抑制，降低了表面缺陷对疲劳强度的不利影响，使疲劳寿命显著提高。扭杆杆体滚压强化，尤其是两端的花键部分滚压强化，对改善扭杆弹簧疲劳寿命的效果极其显著。滚压 的塑性变形深度一般在 度可以提高 3劳极限提高 20%但因成本高，一般用于军工车辆。 高应力汽车用扭杆弹簧机械强化处理一般同时采用喷丸和预扭强化处理。 杆表面喷丸强化 机械零件在服役中的失效形式种类繁多，其中 60%疲劳断裂。而喷丸是用来改善金属部件疲劳和应力腐蚀断裂抗力的一种表面强化工艺。作为一种表面强化工艺，喷丸在汽车工业中应用可以追溯到本世纪 30 年代，是表面强化研究中的一个重要组成部分。喷丸强化使金属表面层产生循环塑性变形，从而使表 面应变层引起组织强化和应力强化，而对其内部组织结构不发生影响。部件表面层在喷丸后产生一定厚度的应变硬化层，该层内形成较高的残余压应力和密度极高的位错，此层深随喷丸强度增加而增加。 许多研究表明：对于拉伸和弯曲疲劳来讲，表面硬化延缓和阻止裂纹的形成，残余压应力阻止和延缓裂纹扩展，因此提高了零件的疲劳强度。当材料抗拉强度较低时，表面硬化显著提高疲劳强度，随材料强度和硬度的提高，残余压应力的大小对阻止和延缓裂纹在次表层形成的影响作用增强，并起主要作用。 对于调质处理和感应淬火处理的弹簧材料，喷丸后的残余应力分布是 提高疲劳极限的重要因素。早期研究表明：如果在疲劳寿命中残余应力与平均应力一样保持不变，则循环载荷下残余应力的作用可以通过外加平均应力来产生或抵消。拉压和弯曲载荷下平均应力对疲劳极限的影响常用 系式来描述，见图 2 图 2系图 可见，残余拉应力使材料的疲劳极限下降，残余压应力使其提高。残余应力作用的大小与平均应力敏感系数密切相关。 对于扭杆等部件，扭转疲劳载荷是切应力，当扭杆弹簧在高的切应力下切断时，平均应力似乎对扭转性能不起作用。多数扭杆弹簧在疲劳极限应力附 近运转断裂时，是由正应力引起的正断。无论是夹杂附近的裂纹扩展过程或是宏观断裂面的开裂过程均表现为裂纹沿最大主应力面的扩展。研究表明：当交变切应力a和静扭屈服强度s为正应力破坏，表现为 45断口；大于 切应力破坏，出现沿轴向或沿径向的开裂。汽车悬架扭杆弹簧的静扭屈服强度在 1000右，其交变疲劳载荷一般在 850下，为正断或正断和切断综合作用的断口。因此，表面残余应力对 以正断为断裂特征的扭转疲劳极限必然起重要作用。 图 2丸和预扭强化对扭转疲劳极限的影响 研究表明：硬度为 51 45簧钢扭转试样，经喷丸和预应变处理后的扭转疲劳极限比磨削态提高 20% 30%，见图 2 喷丸强化可消除扭杆表面的细微裂纹，提高表面硬度和强度，是提高扭杆疲劳寿命的重要方法，也是扭杆制造中经常采用的强化措施之一。喷丸中特别值得注意的是扭杆两端的花键部位必须喷到，为使细齿根部也能喷到，钢丸直径应小于细齿根部圆角半径之一半。 杆预扭强化 扭杆工作 环境使它的两端承受的是大小不断变化的动扭矩作用。为了提高它的承载能力，在使用前，必须对其进行强扭处理，选择合理的强扭规范，以提高扭杆弹簧工作时的承载能力，延长其使用寿命。 1、预扭强化基本原理 预扭强化处理是制造高强度扭杆弹簧的主要工艺措施，它可以提高扭杆弹簧的许用应力和承载能力，并可以消除或减少使用中的残余变形。德国相关标准规定，弹簧钢制扭杆不经过预扭处理的设计许用剪切应力为 700经预扭强化的扭杆是 1070高幅度极其显著。 扭杆弹簧的强扭处理是在规定的扭矩作用下，使其表面及一定深度的工 作应力超过屈服极限 (但低于强度极限 )。扭杆表层区产生塑性变形，形成塑性区。但截面中心区还是弹性区，并极力恢复到原始状态，而表层塑性区会阻止它的恢复造成沿扭杆半径方向上各层间存在相互作用。结果使其表层塑性区产生反向的压应力，而中心的弹性区产生正应力。如图 2a)所示 (图中 r 为扭杆半径 )。经强扭后，如工作扭角不超过扭杆弹簧的强扭角，则工作应力与应变呈正比，截面各层工作应力与半径 r 呈线性关系，见图2b)。加载后所产生的应力和残余应力相加，得扭杆截面应力分布见图 2c)。由图2看出， 靠近中心的弹性区，在原存留的残余应力基础上，又承担了施加的剪切应力；而靠近表层的附近，其原预扭存留的残余应力对施加的剪切应力将抵消一部分，从而使截面上应力分布趋于均匀，见图 2a)，充分发挥了扭杆内部材料的性能，提高了扭力杆的承载能力。 图 2杆截面应力分布 预扭强化处理时的载荷和变形的曲线如图 2示。图中 预扭加载曲线，卸载曲线， 的斜率等于弹簧的刚度。由于预扭强化后，剪切模量 G 值将略有下降，导致 的斜率略低于 斜率，但数日后 G 值仍将恢复到原数值。实 践证明，经强扭处理的扭杆弹簧比未经强扭处理的许用扭矩可以由 A 点提高到 D 点，扭杆弹簧承载能力可提高 30%。 图 2扭强化处理的载荷特性曲线 预扭处理的工艺参数可以通过公式 2定 ： 114.6 （ 2 其中： 扭转角 ( )； 切应变 ( L 扭杆的有效工作长度 (; D 扭杆的直径 ( 对于 50右硬度的合金钢调质处理扭杆弹簧，推荐采用使其产生切应变=预加载荷，这样可以使 扭杆产生小于 塑性切应变。 研究表明，预扭强化可以使扭杆屈服强度提高 100上，可以增加设计许用应力，减少使用中的蠕变变形和失效发生。但是有研究表明，在喷丸前后进行预应变均使疲劳极限下降。这种下降和预应变时造成的损伤或在夹杂周围造成裂纹有关。 2、扭杆弹簧强扭工艺方法 扭杆弹簧强扭工艺有两种：一种是扭杆弹簧在超过弹性变形的某一转矩下，保持足够的时间（一般在 24 48h 以上）使材料金属晶格的滑移保持稳定后卸载；另一种是扭杆弹簧在一定的强扭角状态下，经多次连续加载和卸载，（一般经 5 6 次） ，目的是得到稳定的残余变形。目前较多采用的为后一种方法。 图 2杆弹簧预扭强化方法 多次连续加载和卸载预扭强化处理又有两种方法，下面对其在原理上予以分析比较。第一种方法如图 2a)所示，每次强扭角保持不变进行多次加载、卸载强扭处理。第一次强扭1角，卸载后残余扭转角为1；第二次强扭2角 （1=2） ，卸载后残余扭转角为2；第三次强扭3角 (1=3)，卸载后残余扭转角为3；其余类推。其强扭曲线（ 曲线）见图 2a)。 图 2杆弹簧强扭 T 曲线 第二 种方法如图 2b)所示，每次预扭强化扭转到第一次强扭角的最终位置的强化处理方法。第一次强扭1角，卸载后残余扭转角为1；第二次强扭2角为第一次的卸载弹回角，卸载后残余扭转角为2，第三次强扭角3为第二次卸载角，卸载后残余扭转角为3；其强扭曲线（ T - 曲线）见图 2b)。由图 2知，扭杆强扭后 T - 曲线图由原来、已改造成为呈线性关系的、，弹性极限点由点提高到点。因为强扭角总是大于使用时最大工作扭角，因此消除了工作中可能产生的残余变形，保证工作稳定性。 采用上面介绍的扭杆弹簧强扭工艺方法一，将扭杆沿其工作时的承载方向施加一扭角 50（大于使用时的最大工作扭角），使扭杆的表层应力超过材料的屈服极限而发生塑性变形，然后再卸载，经过连续加载卸载，使扭杆表层的塑性变形趋于稳定，并保 证最后一次卸载后残余变形小于规定值（ 。 应淬火表面强化 感应热处理加热速度快，能获得细化或超细化的奥氏体晶粒，淬火后得到细致的马氏体组织，再经回火得到高度弥散的回火组织，使零件强度和韧性得到提高；由于感应淬火是表面淬火，淬火层中的马氏体比容增大，而心部保持原始组织，故处理后零件表面形成相当大的残余压应力，残余压应力可达 1000N/响深度在 上，可以大幅度提高零件的疲劳极限和疲劳寿命；感应热处理加热速度快、保温时间极短，零件的表面氧化脱碳少，表面质量高，避免了表面缺陷造 成应力集中而影响疲劳寿命；因此感应热处理是一种经济、节能的热处理工艺及强化处理工艺。 扭杆弹簧是一种承受单向扭转负荷的弹性元件，其应力分布特点是表面剪切应力最大而轴心剪切应力为零，在没有应力集中因素的情况下，从轴心到表面应力呈线性增加。扭杆弹簧经感应淬火处理后，外部形成高硬度 (高强度 )的淬硬层，心部维持预调质处理后的硬度和强度，淬硬层和心部之间存在一个过渡层。这种强度分布与其承受的应力状态相似，所以有时也称之为仿应力强化，见图 2应力强化和处理表层高的残余压应力共同作用的结果使感应淬火强化比整体热处 理强化在更大程度上发挥了材料的强度潜力，因此可以用合金元素含量较低，价格较为便宜的材料代替价格较高的弹簧钢材料。 图 2应淬火和调质处理扭杆弹黄截面应力分布 研究表明，感应淬火扭杆弹簧在一定硬化层深度范围内扭杆弹簧的强度指标达到甚至超过淬火回火处理扭杆弹簧的水平；组织变化导致的表面残余应力值高于喷丸强化的水平，同时中频感应处理快速加热具有较好的表面质量，有利于疲劳强度和使用寿命的提高。研究表明：感应淬火扭杆弹簧的疲劳寿命提高效果极其显著。 采用中频淬火处理的扭杆弹簧不需要调质扭杆钢材的高淬透性 ，因此，可以采用普通中碳钢或低合金结构钢材料。这样可以大幅度降低材料成本，节约合金资源。同时，这些钢材具有良好的工艺性能，可以取消热处理退火和降低废品率。 杆应力校核 扭杆的最大应力（过渡圆弧）应该满足： m a xm a x 360 d (2式中： 为扭杆最大应力 ， N 安全系数 为扭杆最大扭转角度， ( ) 为圆弧过渡的应力集中系数 为材料许用应力， 材料热处理后经喷丸和预扭 ,在计算时，一般可取： = 0 Pa， 45，N =有：958 1000计的扭杆符合应力极限要求 总结 本 文 依据现有中型卡车，对驾驶室翻转机构和扭杆弹簧进行了设计，并对扭杆的加工和强化工艺进行理论分析，从而确定合理的加工强化工艺，为以后扭杆的制造做准备工作 。 由于本人水平，在设计中难免会遇到不足，在今后的工作中一定会多加留心，学以致用。 致 谢 经过几个月的努力，毕业设计终于完成了。在这个过程中我对所学知识 有了更深的了解，学到了很多有价值东西，能达到这样的效果 是所 有曾经指导过我的老师，帮助过我的同学，一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！ 首先，要特别感谢我的指导老师 X 老师。 X 老师渊博的专业知识，严谨的治学态度 ， 朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。 使我对完成毕业 设计有了很大的兴趣 ， 同时明白 许多待人接物与为人处世的道理。 其次，要感谢学院所有曾经为我们 指导过的 老师，老师们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度。 第三，感谢我的父母亲，你们是我力量的源泉，只要有你们，不管面对 什么样的困难，我都不会害怕，谢谢你们对我的支持与鼓励！ 再次，感谢我的室友及 班级 好友，因为有你们的帮助，我的 课程设计 得以顺利完成。我们之间相互探讨，相互激励，使我总能攻克困难。 在我不开心的时候， 你们总会安慰我，我开心的时候总能有你们陪伴，我不会忘记，谢谢你们！ 最后对老师，同学和家人再次致以我最衷心的感谢！教导过我的老师，你们的人格魅力永记我心间。身边的同学和朋友，有你们，我的大学才算完整。寝室的密友，你们的天赋犹如上天恩赐，有了你们我的生活更加精彩。 参考文献 1 陈家瑞主 编 册） M机械工业出