众泰控股集团有限公司企业标准
Q/CS
发布Q/CS 05.010-2013
行李箱扭簧设计计算方法
2013-02-28实施
2013-02-25发布
Q/CS 05.010-2013
前言
本标准由众泰汽车工程研究院车身部提出。

本标准由众泰汽车工程研究院车身部归口管理。

本标准由众泰汽车工程研究院车身部负责起草。

本标准主要起草人：綦法富。

行李箱扭簧设计计算方法
1 范围
本标准规定了行李箱扭簧的技术要求、试验方法和计算方法。

本标准适用于三厢车鹅颈式（弓形）铰链所配用的行李箱扭簧产品。

2 引用标准
下列文件中对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 230.1-2009金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法
GB/T 1222-2007 弹簧钢
GB/T 1805-2001 弹簧术语
GB/T 18983-2003 油淬火回火弹簧钢丝
Q/ZTB 06.002-2012 乘用车零部件防腐技术要求
Q/ZTB 07.025-2012 禁用和限用物质规范
3术语和定义
3.1 行李箱扭簧
作为平衡铰链的弹性元件之一，占有有效空间小，易于安装，是一种较好的结构型式。

其工作原理是通过扭转产生弹性变形输出力矩。

3.2 鹅颈式（弓形）铰链
鹅颈式（弓形）铰链是使用弹性元件，可以在行李箱盖开启或关闭过程中平衡行李箱盖重力矩的铰链结构,因其形状类似于鹅颈而得名。

该铰链形式结构简单、制造工艺容易、有足够强度、可靠耐久及成本较低等优点，目前在中低档三厢车型中广泛应用。

3.3 剪切弹性模量（G）
材料的力学性能指标之一，是材料在纯剪切应力状态下，应力低于比例极限时切应力与切应变的比值。

它代表着材料抵抗切应变的能力，模量大，则表示材料的刚性强。

目前几种常用的扭簧材料剪切弹性模量见表1所示。

表1 扭簧材料的剪切弹性模量
3.4 行李箱盖重力矩
行李箱盖重力臂是随行李箱盖开启角度的变化而变化。

行李箱盖在开闭过程中，铰链旋转中心与行李箱盖重心（如图1所示）的距离L 是一个定值。

则行李箱在开闭过程任意位置的重力臂为：
cos()G L L θ=-γ
其中θ为行李箱开启角度；γ为行李箱盖重心和铰链旋转中心的连线与XY 平面的夹角。

由此可得行李箱重力矩：
cos()G M mgL θ=-γ
其中m 为行李箱盖质量。

图1 行李箱盖重心位置示意图
3.5 扭簧扭矩
扭簧是淬火弹簧钢丝按一定形状弯曲而成。

扭簧的扭矩r M 与扭簧的直径d 、有效长度'L 、扭转角度Ф以及扭簧材料的剪切弹性模量G 有关。

4'M =
32180
T d G L ππ⋅φ
铰链旋转中心
行李箱盖重心
L
γ
4 技术要求
4.1 扭簧表面不允许出现裂纹及易产生疲劳断裂的损伤，两端头不允许有明显的毛刺及马蹄形。

4.2 扭簧材料选用弹簧钢（执行GB/T 1222-2007标准）或油淬火回火弹簧钢丝（执行GB/T 18983-2003标准）。

4.3 扭簧成型后，淬火后硬度为45HRC～55HRC。

4.4 扭簧应按照规定程序批准的图样和相关技术要求制造，并符合本标准的要求。

4.5 扭簧的扭矩特性应在按照规定程序批准的图样中具体显现。

4.6 扭簧经疲劳试验1万次不应发生断裂，疲劳试验后表面不应出现肉眼可见的裂纹，且刚度变化不大于5%。

4.7 扭簧表面处理方式按Q/ZTB 06.002-2012标准执行。

4.8 扭簧需满足Q/ZTB 07.025-2012中的禁限用物质要求。

5 试验方法
5.1 扭簧材料试验
5.1.1 弹簧钢材料按GB/T 1222-2007标准执行。

5.1.2 油淬火回火弹簧钢丝材料按GB/T 18983-2003标准执行。

5.2 材料硬度检测按GB/T 230.1-2009标准执行。

5.3 疲劳试验
5.3.1 试验要求
在常温下模拟实车工作状态往复扭转1万次测试。

5.3.2 试验设备
疲劳试验机或轿车四门两盖试验台。

5.4 盐雾试验
扭簧表面处理层的盐雾试验方法按Q/ZTB 06.002-2012标准执行。

5.5 禁限用物质检测按Q/ZTB 07.025-2012标准执行。

6 计算方法
6.1 模型建立
根据铰链结构及安装示意可知，铰链安装支架为固定件，铰链、联杆及扭簧则是活动件，扭簧通过联杆随铰链作旋转运动（见图2）。

对图2进行简化，即可得简单的四连杆机构（见图3），其中AB 为铰链安装支架，AC 为铰链，BD 为扭簧，CD 为联杆。

图2 铰链结构及安装示意图 图3 简化后四连杆结构示意图
6.2 受力分析
当打开行李箱盖锁时，行李箱盖由关闭状态打开，扭簧产生较大的弹性势能被释放出来，克服行李箱盖重力矩，行李箱盖在关闭状态的开启弹力15N 左右（拆下密封条）；当行李箱盖开启至30～100mm 高度时，扭力弹簧扭矩与行李箱盖重力矩平衡，该点为下平衡点；此后，行李箱盖重力矩稍大于扭簧扭矩，用户比较轻地上举行李箱盖；当行李箱盖开启至400～600mm 高度时，扭簧扭矩与行李箱盖重力矩再次平衡，该点为上平衡点；越过上平衡点，扭簧扭矩大于重力矩，行李箱盖会自动弹至最大开启角度。

在最大开启角度位置，需保证在开启方向弹力在20N 左右，以免行李箱盖因风力或在斜坡上自动关闭。

当关闭全开状态的行李箱盖时，首先克服在该状态下弹力（约20N ），然后越过上平衡点，借着惯性，可以轻松地把行李箱盖关闭。

6.3 参数求解
行李箱盖在开启和关闭的瞬间所受的弹力分别约15N 和20N ，通过换算即可得各自力矩，该力矩即手部作用力，用B M 表示。

因为左右两根扭簧共同作用完成行李箱盖的开启和关闭，在计算时需考虑两根扭力弹簧产生的扭矩。

另外，扭簧在焊装车间装车后，在受力状态下（一般行李箱盖开启约10°左右）随车身经过涂装车间的
联杆
铰链 扭簧
铰链安装支架
电泳烘烤、中涂烘烤、面漆烘烤等多次高温处理，扭力弹簧发生衰减。

根据经验值，扭力弹簧的弹性势能会损失15%-25%，基本取值20%。

则手臂作用力矩、扭簧扭矩及重力矩的关系为：
20.8T B G M M M ⨯⨯-=
根据扭簧扭矩及重力矩的定义以及行李箱盖在开闭过程中的受力分析，按照行李箱盖开启以及关闭瞬间的受力情况可计算求得扭簧的直径d 以及扭转角度Ф。

对于扭转角度Ф可拆分为扭力弹簧初始角度α与扭力弹簧在最大开启时的转角β的求和（见图4），其中扭力弹簧初始角度α与扭转角度Ф的关系可根据DMU 模型分析来获得（见图5），由此即可求得扭力弹簧在最大开启时的转角β。

图4 扭力弹簧扭转角度示意
图5 DMU 分析α与Ф关系曲线
行李箱盖关闭状
态时的位置
行李箱盖最大开启状态时的位置
初始位置
6.4 基于EXCEL的性能指标优化
根据以上所提及和求得的参数运用EXCEL的公式和图表建立扭力弹簧开发程序，绘制出行李箱盖重力矩和扭簧扭矩与行李箱盖开启角度关系图，如图6所示。

图6 重力矩及扭矩与行李箱盖开启角度关系曲线
因行李箱盖实物质量与设计偏差、扭簧在经焊装至涂装势能衰减不确定性等设计及加工偏差，可以运用EXCEL的扭力弹簧开发程序对d和β进行微调（其他参数已确定，可看作定值；d与扭簧成四次方关系，经确定后尽量不做调整），获得行李箱盖开闭过程的最佳性能。

编制：校对：审核：标准化：批准：版本：00。