汽车交叉臂式升降器的平衡弹簧设计
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关键词：交叉臂玻璃升降器；平衡扭簧；设计计算
中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）12-0369-02
1 平衡扭簧的结构以及其特性：
平衡扭簧一般是由厚度2.0～3.5宽5.0～9.0弹簧钢卷制4～7圈的螺旋状卷簧，它的工作原理跟钟表的发条比较类似，除了起到升降器上升、下降时缓冲外，还是玻璃上升、下降过程蓄能装置：在玻璃下降时，平衡弹簧旋紧而张力增大，使玻璃下降比较平稳，而玻璃上升时，弹簧的张开弹力又可助一臂之力，这样它就减轻升降器的主动驱动部分很大部分负担。
我们可用如图1的测试方法：在升降器驱动部分分离之后，固定升降器的安装板后测量的平衡弹簧在主臂顶点产生测量沿切线方向的反弹力与转角大小之间的对应关系，可以得出它的产生的扭矩与它被压缩的角度成正比的线性关系，得到曲线得到特性曲线如图2，利用图2，我们可以算出平衡弹簧的倔强系数K的值：
K=5.4-2.275.5-30=0.0703（N.M/°）
图1 平衡弹簧扭矩-转角测量简图
从图2我们也可以得出：平衡弹簧的工作转角范围关系一般只有0～140度，比钟表的发条有效转角少得多。当被压缩倒110度左右由弹簧各圈之间开始接触我们称之为并圈，这时它是各圈都受力不再均匀，局部产生干涉应力，扭矩不再与扭转角成正比，而是陡然上升，若继续压缩太多，弹簧将局部发生不可恢复的永久变形而损坏。在上止点平衡弹簧对玻璃的支撑力最小，为了让平衡弹簧在上止点就可以产生一定的扭矩，在上止点就应该让平衡弹簧预压缩旋转了一定的角度，这个角度我们把它称作预紧角。预紧角越大，平衡弹簧对升降器助力好，但是太大了会将上止点的转角过大，弹簧损坏，大的反弹力也会让升降器驱动部分受到过大的应力而损坏。因此一般来说平衡弹簧的实际工作范围是在20°～140°之间，既工作区间角的宽度在60～95°。
2 升降器受力特点以及对平衡扭簧的特性要求：
2.1 如图3，在升降器上升阶段：
对玻璃分析有：
图3 升降器上升阶段受力分析
①F上升＝G玻璃+f摩擦1+f摩擦2+f摩擦3
其中：f摩擦1、f摩擦2是两侧玻璃胶条对玻璃的摩擦力，f摩擦3腰部玻璃胶条对玻璃的摩擦力，对固定的车门系统来说这三个值变化不大，所以为方便研究对升降器上升、下降来说我们将这三力合并称之为F摩擦，为定值常数，即：
①预紧角由20°调整到40°；
②将倔强系数K由0.0703（N.M/°）调整到0.06606（N.M/°）。
这样平衡弹簧的F反弹曲线尽量分布上升阻力与下降阻力的中间区，实现升降器的驱动机构负荷变化平缓，平稳运行。由图6中分析我们可以知道一个工作循环内驱动机构需要做的总功仅与玻璃重力值以及玻璃胶条摩擦力F摩擦有关，而平衡弹簧的F反弹曲线形状无关。但是平衡弹簧可以使升降器驱动机构在玻璃上升阶段需要做的功W上升与玻璃下降阶段需要做的功W下降大致相等。降低玻璃与胶条之间的摩擦力F摩擦是减少升降器驱动机构的总负荷的比较好的方法，如图7：在F摩擦由20N减少10N，升降器驱动机构的负荷（W上升、W下降的阴影区）大大降低。
4 结语
当计算出最合理的平衡弹簧倔强系数K之后，我们可以综合考虑的平衡弹簧的有效圈数、并圈角度、截面设计、热处理硬度等工艺，多做测试，测绘出平衡弹簧的转角-力矩特性曲线，根据曲线计算实际K值，多次调整使实际K值尽量接近设计值。这样对手动升降器来说，乘员驱动手柄最省力舒适；对电动升降器来说，此时电机需要工作电流最小，可以更好的保护汽车蓄电池，又最大可能的节约能源；
参考文献
［1］郭竹亭.汽车车身设计［M］.第一版.吉林：吉林科学技术出版社，1994，12.