基于Excel的行李箱盖扭杆弹簧计算研究
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气弹簧助力式四连杆铰链发动机罩的计算与优化分析
力、铰链布置、气弹簧参数等的优化方向，以及各参数之间的内在逻辑，该推导过程也适用于更简单的气弹簧助力式定轴铰
链背门或发动机罩。
主题词：四连杆铰链 气弹簧 发动机罩 操作力
中图分类号：U463.83
文献标识码：A
DOI: 10.19620/ki.1000-3703.20200575
The Calculation and Optimum of the Gas Spring Assisted Four-Link
A
R
D
Φ2
Φ1
Φ3 B
Φ4
C
X
图 5 重力矩分析模型
根 据 以 上 参 数 可 求 得 重 力 臂 LG=XT- XO，重 力 矩
MG=G(XT-XO)。
3.5 气弹簧力矩的计算
3.5.1 气弹簧力臂的计算
图 6 所示为气弹簧力臂分析模型。气弹簧力臂
LS=LS2Tsin∠S1S2T，LS2T 为气弹簧发动机罩固定点与瞬心间 的距离。参考发动机罩质心坐标的推导过程，可得到发
式（12）取等号时，FS(-30 ℃)=(FkLH-Mh+GLG)/LS，综合 理想气体状态方程 pV=nRT 和压强公式 F=pS，并根据气
弹簧工作原理，推导可知：
Fl/Fh=Tl/Th
（13）
式中，Tl为指定的开氏低温条件；Fl为 Tl温度条件下的气 弹簧力；Th 为指定的开氏高温条件；Fh 为 Th 温度条件下 的气弹簧力。
Hinged Bonnet
Hou Lin, Shi Chengjie, Wang Peng, Wang Haige （Bestune Development Institute of FAW Car Co., Ltd., Changchun 130012） 【Abstract】In order to optimize operation force of gas spring assisted four- link hinged bonnet system in bonnet
常用圆柱弹簧计算器-压缩与拉伸弹簧Excel计算表
有效圈数, n = 5
总圈数, N = 7
输出
线圈节距, p = (L - 3*d) / n
= 0.75
mm
压并高度, H = d * (N + 1)
= 3.125
mm
端部开放 + 未平切
输入
展开长度, L = 4.000
mm
线径, d = 0.125
mm
有效圈数, n = 5
总圈数, N = 7
输出
线圈节距, p = (L - d) / n
= 0.775
mm
压并高度, H = d * (N + 1)
= 3.125
mm
端部开放 + 平切
输入
展开长度, L = 4.000
mm
线径, d = 0.125
mm
有效圈数, n = 5
总圈数, N = 7
输出
线圈节距, p = L / n
= 0.8
mm
压并高度, H = d * (N + 1)
常用圆柱弹簧计算器
圆柱弹簧 - 圆线
压缩与拉伸弹簧强度计算
输入
试验载荷, P = 24.00
N
线径, d = 0.188
mm
弹簧中径, D = 2.000
mm
有效圈数, n = 10
-
材料的切变模量, G = 10,000,000
Mpa
输出
弹簧刚度系数, R = G*d^4 / (8*n*D^3)
= 19.52
= 3.125
mm
圆柱弹簧 - 方线
压缩与拉伸弹簧计算
试验载荷, 线截面厚, 线截面高, 弹簧中径, 有效圈数, 材料的切变模量,
基于Excel的行李箱盖扭杆弹簧计算研究
基于Excel的行李箱盖扭杆弹簧计算研究李超帅;于波;林森;孙兆有;李瑞生【摘要】针对三厢车行李箱盖用扭杆弹簧布置过程中计算数据量大且正向设计准确性差的问题,对行李箱系统建立了力学模型,通过公式推导将行李箱盖相关作用力矩表示为以行李箱盖开闭角度为单一变量的参数,利用Excel的公式编辑功能,实现了行李箱全开闭角度的开闭力计算,简化了计算过程,提高了设计准确性.同时,通过理论分析提供了行李箱盖开闭力与平衡角度的设计优化方法.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2018(044)007【总页数】5页(P94-97,107)【关键词】Excel;行李箱盖;扭杆弹簧;计算【作者】李超帅;于波;林森;孙兆有;李瑞生【作者单位】华晨汽车工程研究院,辽宁沈阳 110141;华晨汽车工程研究院,辽宁沈阳 110141;华晨汽车工程研究院,辽宁沈阳 110141;华晨汽车工程研究院,辽宁沈阳110141;华晨汽车工程研究院,辽宁沈阳 110141【正文语种】中文【中图分类】U467前言三厢车行李箱盖助力开启机构是实现行李箱盖开闭的关键部件，其设计布置的好坏与行李箱盖开闭操作力是否舒适、平衡角度是否合理以及极限工况开闭是否可靠直接相关。
目前三厢车行李箱盖助力开启机构主要有鹅颈式铰链与扭杆弹簧组合型式、四连杆铰链与气弹簧组合型式、鹅颈式铰链与气弹簧组合型式，鹅颈式铰链与拉簧、气弹簧组合型式以及电动开闭机构的型式。
其中鹅颈式铰链与扭杆弹簧组合的助力开启型式以其机构简单、质量轻、制造容易、成本低以及不受气候温度影响等优点，是经济型三厢车的主要应用结构[1,2]。
在行李箱盖扭杆弹簧的设计开发过程中，需要校核行李箱盖开闭全角度的开启操作力、关闭操作力以及平衡角度区间，同时需要计算铰链摩擦力以及车辆驻坡角度对开闭操作力与开闭可靠性的影响，设计过程需进行大量的数据处理与计算。
本文通过公式推导将行李箱盖相关作用力矩表示为以行李箱盖开闭角度为单一变量的参数，利用Excel的公式编辑功能，编制了行李箱盖开闭力计算表格，简化了计算过程，并通过理论分析提供了行李箱盖开闭力与平衡角度的设计优化方法。
扭杆弹簧式轿车行李箱铰链保持力分析
扭杆弹簧式轿车行李箱铰链保持力分析董炳健; 王祖圆【期刊名称】《《机械工程师》》【年(卷),期】2019(000)010【总页数】4页(P150-153)【关键词】扭杆弹簧; 铰链机构; 平衡; 开闭力; 优化设计【作者】董炳健; 王祖圆【作者单位】吉利长兴新能源汽车有限公司浙江长兴 313100; 宁波吉利汽车研究开发有限公司长兴分公司浙江长兴 313100【正文语种】中文【中图分类】U463.830 引言图1 自由杆式扭杆弹簧图2 连杆式扭杆弹簧行李箱（后背箱）盖铰链是行李箱盖与车身相连接，并能控制行李箱盖运动轨迹的装置。
行李箱盖铰链根据平衡铰链机构的弹性元件不同分为扭杆弹簧铰链、螺旋拉伸弹簧铰链、以及气弹簧铰链机构等[1]。
扭杆弹簧铰链是目前家用轿车设计中最常用的一种链接方式。
其根据安装方式不同又分为自由杆式和连杆式；扭杆直接和铰链连接的方式称为自由杆式扭杆弹簧（如图1）；铰链带有连杆结构，扭簧与连杆连接的形式称为连杆式扭杆弹簧（如图2）。
本文通过详细解析某款三厢轿车行李箱开启后保持力弱，不能实现自动弹起、自动保持的实车缺陷，并给出一套有效改善行李箱盖铰链保持力、实现任意位置悬停的解决方案，阐述一种经过实车验证的自由杆式扭杆弹簧铰链平衡机构的设计、校核方法。
1 问题描述图3 某三厢在研车型A 的行李箱盖图4 行李箱盖铰链3D 数模某三厢在研车型A，行李箱盖开启后保持力弱，不行实现任意位置悬停，容易掉下来砸到人员产生危险（如图3）；行李箱盖铰链3D 数模如图4所示；扭杆弹簧铰链模型如图5所示，图5中：2M为扭簧扭力矩；MG为重力矩；l为重心位置距铰链轴销的长度。
门铰链扭簧+活动臂组成一套扭杆弹簧平衡机构，是控制行李箱盖运动的部件。
图5 扭杆弹簧铰链模型2 自由杆式扭杆弹簧工作原理及应力计算2.1 扭杆弹簧的工作原理扭杆弹簧的本体为金属杆，两端由于安装需要作出形状，一端固定在铰链上，另一端承受载荷。
行李箱盖扭力弹簧设计
5 扭力弹簧参数求解
行李箱盖在开启（0°）和关闭（95°） 瞬间所受的弹力分别约 15N 和 20N，可以换 算为力矩分别为 6N.m 和 6.4N.m；该力矩即 手部作用力，用 Mb 表示。
在行李箱盖使用过程中，启动开启装置 后，能自动弹起一定高度，方便用户继续抬 举，同时在最大打开位置时有足够的保持力， 以免在风力作用下或斜坡上自行落下关闭导 致伤人事故 [2]。本文以某一上市车型（下文 简称车型 A）为例，通过数学及力学理论， 并结合 DMU 模型分析及 EXCEL 开发程序获 得扭力弹簧的设计参数，减少行李箱平衡铰 链开发周期，优化行李箱盖开闭性能。
1 行李箱盖系统受力分析
用户在开关行李箱盖时，为了平衡行李
箱盖，手部感受的力（手部作用力）是用来
克服行李箱盖系统的重力矩和扭力弹簧的扭
矩等。
1.1 行李箱盖重力矩
行李箱盖重力臂是随着行李箱盖开启角
度的而变化的。行李箱盖在开闭过程中，铰
链轴心线与行李箱盖重心（如图 1 所示）的
距离 L 是一个定值。则行李箱在开闭过程任
（4）
其中，β 为扭力弹簧在最大开启时的转
角；α 为行李箱盖开启任意角度与最大开启
角度时所对应的扭力弹簧夹角，同时也是行
李箱盖在最大开启角度时扭力弹簧的安装角
度，简称扭力弹簧初始角度。
图 4 扭力弹簧扭转角度示意图 初始位置
行李箱盖在关闭
状态位置
β
α 121.28°
行李箱盖在最大开启 状态位置
行李箱盖在开闭过程中，α 与 θ 之间关 系可以通过在 CATIA 软件中建立 DMU 模型 分析来获得，如图 5 和图 6 所示。
（2）
其中 MG 为重力矩；m 为行李箱盖质量
行李箱盖在开启（0°）和关闭（95°） 瞬间所受的弹力分别约 15N 和 20N，可以换 算为力矩分别为 6N.m 和 6.4N.m；该力矩即 手部作用力，用 Mb 表示。
在行李箱盖使用过程中，启动开启装置 后，能自动弹起一定高度，方便用户继续抬 举，同时在最大打开位置时有足够的保持力， 以免在风力作用下或斜坡上自行落下关闭导 致伤人事故 [2]。本文以某一上市车型（下文 简称车型 A）为例，通过数学及力学理论， 并结合 DMU 模型分析及 EXCEL 开发程序获 得扭力弹簧的设计参数，减少行李箱平衡铰 链开发周期，优化行李箱盖开闭性能。
1 行李箱盖系统受力分析
用户在开关行李箱盖时，为了平衡行李
箱盖，手部感受的力（手部作用力）是用来
克服行李箱盖系统的重力矩和扭力弹簧的扭
矩等。
1.1 行李箱盖重力矩
行李箱盖重力臂是随着行李箱盖开启角
度的而变化的。行李箱盖在开闭过程中，铰
链轴心线与行李箱盖重心（如图 1 所示）的
距离 L 是一个定值。则行李箱在开闭过程任
（4）
其中，β 为扭力弹簧在最大开启时的转
角；α 为行李箱盖开启任意角度与最大开启
角度时所对应的扭力弹簧夹角，同时也是行
李箱盖在最大开启角度时扭力弹簧的安装角
度，简称扭力弹簧初始角度。
图 4 扭力弹簧扭转角度示意图 初始位置
行李箱盖在关闭
状态位置
β
α 121.28°
行李箱盖在最大开启 状态位置
行李箱盖在开闭过程中，α 与 θ 之间关 系可以通过在 CATIA 软件中建立 DMU 模型 分析来获得，如图 5 和图 6 所示。
（2）
其中 MG 为重力矩；m 为行李箱盖质量
车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算
车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算沈茂涛【摘要】对轿车车门铰链、车门前侧分缝线、行李箱盖扭杆弹簧的布置进行了研究,总结了轿车设计中车门铰链及其轴线的布置方法、步骤及校核要点.介绍了车门与翼子板之间、前后车门之间分缝线的位置以及形状走向的确定方法,论述了行李箱盖铰链及其平衡支撑机构的形式、行李箱盖重力力矩以及扭杆弹簧力矩曲线的绘制方法,明确了扭杆弹簧扭转刚度系数的计算方法.%ln this paper, investigation is made to car door hinge, door front separating line, trunk lid torsional bar spring. Layout method, procedure and checking points were summarized to door hinge and its axial line in car design. Position of separating line between door and fender, between front and rear door as well as determination method of shape direction are introduced. Trunk lid hinge and the form of its balance supporting mechanism, the plotting method of trunk lid gravity moment and torsional bar spring moment curve are elaborated, the calculation method of torsion stiffness coefficient of torsional bar spring is defined in the paper.【期刊名称】《汽车技术》【年(卷),期】2012(000)008【总页数】4页(P29-31,36)【关键词】车门铰链;车门分缝线;行李箱盖扭杆弹簧;扭转刚度系数【作者】沈茂涛【作者单位】上海同捷科技股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】U463.81 前言在以往的轿车车身设计中，车门铰链轴线基本是先沿用标杆车设计，车门前侧分缝线直接由造型给定，然后工程设计人员进行车门运动分析，根据最小运动间隙要求再去调整铰链轴线或车门前侧分缝线。
轿车行李箱盖铰链受力分析及在设计中的应用
轿车行李箱盖铰链受力分析及在设计中的应用行李箱平衡铰链，是指使用弹性元件，可以在行李箱盖开启和关闭时平衡盖重力的铰链结构，因为平衡铰链结构简单、有足够强度和可靠耐久等优点，大部分车型特别是中低档车型，基本上采用这种结构的铰链，其弹性元件采用扭杆。
在行李箱盖使用过程中，一般要求启动开启装置后，能自动弹开一定高度，介在半开（一定的打开角度）状态下要保持静止不动以防落下伤人，同时在最在打开位置时有足够的保持力，以防风力作用下自行落下关闭。
一、轿车行李箱盖平衡铰链的受力分析1、铰链情况介绍:行李箱盖平衡铰链简图如图1所示，图2为左侧铰链的侧视图。
图1 行李箱铰链简图（只装一边扭杆）图2 左侧铰链的左侧视图从图2可以看出，扭杆的运动受铰链支架和联杆的约束，只能绕安装口旋转。
因此，支架、铰链、联杆、扭杆构成了四连杆机构，其中铰链支架为固定杆，其它均可以活动。
图2只为铰链的侧视图，实际零件并不在一个平面内。
但是，把各零件投影到同一个平面内，并不影响受力分析，所以可以把铰链的四连机构看作一个平面四连杆机构来分析。
此平面四连杆机构的受力如图3所示：图3：铰链平面四连杆机构的受力图（数据为设定的）图3中，AD表示铰链支架，AB为扭杆，BC为联杆，CD为铰链，其长度如图所示，而四连杆的之间角度φ1、φ2、φ3和φ4的初始值（即行李箱盖铰链全关时的角度）也已经在图3中表示。
另外，把扭杆的扭矩记为M T，而铰链所受的重力（包含行李箱盖和铰链本身）记为G，但是在分析中，把G换为重力对D点的力矩可能更为方便，因此铰链CD就受到重力矩M G的作用。
显然，M T和M G都为变量，随行李箱铰链的开启角度变化而改变。
2、杆的受力分析：存在摩擦力作用时，BC杆不能视作为一根二力杆，在行李盖向上运动时，BC杆的受力如图4所示。
其中摩擦力作用的效果是一个摩擦力隅。
另外，如果把图4中的摩擦力隅M B和M C定义为正负值，则图4可以用于行李箱盖打开和关闭时的受力。
后备箱扭杆弹簧计算及开启过程仿真分析
Ｙ轴主动惯量／ （ ｋ ｇ・ ｍ ）
轴 主 动惯 量 ／ （ ｋ ｇ・ ｍ。 ）
１ ． ８２ ２
２． １ ９ ６
２ ０ １ ７年 第 １期
于 明晓 ， 等： 后备 箱扭 杆 弹簧计 算及 开启 过程 仿真 分析
９
后备箱 开启 过程 中重 力矩 的计 算公 式为 ：
Ｍ Ｇ＝ ： ＝ ｍｇ Ｌ Ｃ Ｏ Ｓ （ 一 口） （ １ ）
了在设计 阶段 就提 前 了解 后备箱 扭杆 弹 簧 的设 计 是
１ ７． １３
０． ３６ ５ ０． ６３ ２
轴主动惯量／ （ ｋ ｇ・ ｍ ）
否符 合要 求 ， 保 证 良好 的使用 效果 ， 该 文运用 多 体动 力 学 软 件 ＡＤ ＡＭＳ对 设 计 的 后备 箱 进 行 动 力 学 仿
根 据式 （ １ ） 和表 １绘 制 后备 箱 盖 开 启 过 程 中的 重 力矩 变化 曲线 ， 结果 见 图 ３中 曲线 。
度 时扭杆 弹簧 的扭 矩 Ｍ 为 ：
Ｍ Ｈ—Ｍ（ 、 ＋ Ｍ Ｇ— １ ． ５ ｇ ・ＤＦ ＋ ｍ ｇ ・ＤＥ （ ３ ）
轴 线
图 ３ 后 备 箱 盖 重 力 矩 曲 线 和 扭 杆 弹 簧 扭 矩 曲 线
表１ 后 备 箱 盖 参 数 测 量 值
扭 杆 弹簧 的弹性 会影 响后 备箱 开 闭过程 中 的安
参数 名称
质 量 ｍ／ ｋ ｇ 夹角 ｎ ／ （ 。 ） 距离 Ｌ ／ ｍ
参 数 值
１ ４ ． ６９
全 可靠性 。 目前后备 箱扭杆 弹簧设计 的一般方 法 为
根 据经验 提 出初 步 方 案或 沿 用 标 杆 车设 计 ， 后期 在 实车上 进 行调试 ， 使 后备 箱 的开 启 角 度 、 开启力、 开 启 速度 和 关闭 力符 合 设 计 要 求 ， 形 成 最 终 产 品 。为
行李箱扭簧设计计算方法
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。
车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算
车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧是车身组成部件之一，需要进行布置计算，以保证各个部件的正常工作。
下面将介绍车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算。
车门铰链是车门与车身连接的部件，负责支撑车门以及让车门正常开启和关闭。
车门铰链的布置需要考虑以下几个因素：1. 质量：车门铰链需要承受车门的重量，因此需要选择耐用且质量较高的铰链。
2. 受力：车门铰链需要承受每次开启和关闭过程中产生的力，因此需要考虑车门铰链的承受能力。
3. 安全性：车门铰链需要保证车门的安全性，因此需要在车门铰链上增加防护装置以确保车门在突发情况下不会突然落下。
4. 稳定性：车门铰链需要保证车门的稳定性，以保证车门在行驶过程中不会产生误动作。
5. 维修性：车门铰链需要保证维修人员可以方便地进行检修和维修。
对于行李箱盖扭杆弹簧的布置计算，同样需要考虑以上因素，但还需要考虑以下几个因素：1. 弹簧弹性：行李箱盖扭杆弹簧需要经常拉伸和收缩，因此需要选择弹性较好的弹簧。
2. 位置：行李箱盖扭杆弹簧的位置需要考虑到行李箱盖的重心点，以确保行李箱盖在开启和关闭时不会出现过于剧烈的运动。
3. 动作速度：行李箱盖扭杆弹簧需要保证行李箱盖在开启和关闭时的速度适中，以保证操作的方便性和安全系数。
4. 承受能力：行李箱盖扭杆弹簧需要承受行李箱盖的质量，因此需要考虑弹簧的承受能力。
5. 防震性：行李箱盖扭杆弹簧需要保证在行驶过程中不会因为车身震动而产生异动。
在进行车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算时，还需要注意以下几个方面：1. 布置数量：车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的数量需要根据车身的实际情况进行选定。
2. 布置位置：车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的位置需要综合考虑车身结构、实际需求等因素进行选择。
3. 配件选配：车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧需要选择适配车身的配件，以保证其功能和性能的正常发挥。
总之，车门铰链及行李箱盖扭杆弹簧的布置计算需要综合考虑多个因素，以保证车身的正常运行和安全性。
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10.16638/ki.1671-7988.2018.07.029基于Excel的行李箱盖扭杆弹簧计算研究李超帅，于波，林森，孙兆有，李瑞生（华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳110141）摘要：针对三厢车行李箱盖用扭杆弹簧布置过程中计算数据量大且正向设计准确性差的问题，对行李箱系统建立了力学模型，通过公式推导将行李箱盖相关作用力矩表示为以行李箱盖开闭角度为单一变量的参数，利用Excel的公式编辑功能，实现了行李箱全开闭角度的开闭力计算，简化了计算过程，提高了设计准确性。
同时，通过理论分析提供了行李箱盖开闭力与平衡角度的设计优化方法。
关键词：Excel；行李箱盖；扭杆弹簧；计算中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)07-94-05Calculation Of Torsion Bar Spring Of Trunk Lid Based On ExcelLi Chaoshuai, Yu Bo, Lin Sen, Sun Zhaoyou, Li Ruisheng( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )Abstract: In order to solve the problem of large amount of data and poor accuracy of forward design in the design of torsion bar spring for three compartment car trunk lid, a mechanical model was built for the trunk lid. The torques about the trunk lid were expressed as parameters with a single variable about the opening and closing angle of the trunk lid by the formula deduction. The calculation of the opening and closing force of the trunk lid was realized by applying the formula editing function of Excel. The calculation process was simplified and the design accuracy was improved. At the same time, the design optimization method for the opening/closing force and balance angle of trunk lid was provided by theoretical analysis.Keywords: Excel; Trunk Lid; Torsion Bar Spring; CalculationCLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)07-94-05前言三厢车行李箱盖助力开启机构是实现行李箱盖开闭的关键部件，其设计布置的好坏与行李箱盖开闭操作力是否舒适、平衡角度是否合理以及极限工况开闭是否可靠直接相关。
目前三厢车行李箱盖助力开启机构主要有鹅颈式铰链与扭杆弹簧组合型式、四连杆铰链与气弹簧组合型式、鹅颈式铰链与气弹簧组合型式，鹅颈式铰链与拉簧、气弹簧组合型式以及电动开闭机构的型式。
其中鹅颈式铰链与扭杆弹簧组合的助力开启型式以其机构简单、质量轻、制造容易、成本低以及不受气候温度影响等优点，是经济型三厢车的主要应用结构[1,2]。
在行李箱盖扭杆弹簧的设计开发过程中，需要校核行李箱盖开闭全角度的开启操作力、关闭操作力以及平衡角度区间，同时需要计算铰链摩擦力以及车辆驻坡角度对开闭操作力与开闭可靠性的影响，设计过程需进行大量的数据处理与计算。
本文通过公式推导将行李箱盖相关作用力矩表示为以行李箱盖开闭角度为单一变量的参数，利用Excel的公式编辑功能，编制了行李箱盖开闭力计算表格，简化了计算过程，作者简介：李超帅，就职于华晨汽车工程研究院、硕士学位，中级工程师，主要从事车身附件开发。
李超帅等：基于Excel的行李箱盖扭杆弹簧计算研究并通过理论分析提供了行李箱盖开闭力与平衡角度的设计优化方法。
1 行李箱盖开闭系统结构分析1.1 行李箱盖开闭系统几何模型建立如图1所示，行李箱盖开闭系统按相对运动关系可分为铰链固定端、铰链运动端、扭杆弹簧与连杆四部分，为车身坐标系下XZ平面的四连杆机构，O点为铰链固定端与铰链运动端连接点，A点为扭杆弹簧与铰链固定端连接点，B点为扭杆弹簧与连杆连接点，C点为连杆与铰链运动端连接点，行李箱盖开闭过程中，AO为固定端，B点以A点为圆心旋转运动，C点以O点为圆心旋转运动。
图1 行李箱盖开闭系统几何模型1.2 行李箱盖开闭系统力学模型建立如图2所示，扭杆弹簧以A点为支点，提供图中视角所示逆时针方向的力矩M s，力矩M s通过连杆传递，由C点施加于铰链运动端，推动铰链运动端绕O点旋转。
在行李箱盖开启过程中，扭杆弹簧力矩M s需克服行李箱重力力矩GL G 与O点以及C点的铰链摩擦扭矩；行李箱盖关闭过程中，需手动施加关闭力，同重力力矩GL G一同克服扭杆弹簧扭矩以及铰链摩擦扭矩。
在整个开闭过程中，扭杆弹簧扭矩M s、重力力矩GL G以及铰链摩擦扭矩M f2的有效作用力矩均随开闭角度的变化而变化。
图2 行李箱盖开闭系统受力分析2 以开闭角度θ为单一变量数值转换为简化手动开闭力在不同开度下的计算过程，利用Excel 输出行李箱盖全开度的开闭力曲线，需建立各作用力以开闭角度θ为单一变量的数值关系。
2.1 C点坐标与开闭角度θ的关系转换C(x C，z C)点为连杆与铰链运动端的连接点，其运动轨迹为绕O(x O，z O)点的旋转运动，扭杆弹簧的弹力通过C点施加于铰链运动端。
如图3所示，在行李箱盖关闭状态下，行李箱盖开闭角度θ=0°，直线OC与水平方向夹角为：图3 连接点C坐标转换图示（1）行李箱盖在任意开闭角度θ时，直线OC’与水平方向夹角为α+θ，则C’(X'C，Z'C)点坐标可表示为：（2）（3）其中，。
通过上述计算转换，得到以开闭角度θ为单一变量的C’(X'C，Z'C)点坐标。
2.2 B点坐标与开闭角度θ的关系转换图4 连接点B坐标转换图示B(x B，z B)点为扭杆弹簧与连杆连接点，其运动轨迹为绕圆心A(x A，z A)的旋转运动，B点为扭杆弹簧弹力输出点，如图4所示，在行李箱盖关闭状态下，直线AB与水平方向夹角为：（4）行李箱盖在任意开闭角度θ时，扭杆弹簧绕A点的旋转角度为γ，则：（5）其中：（6）（7）（8）则B' (X'B，Z'B)点坐标可表示为：（9）（10）通过上述计算转换，得到以开闭角度θ为单一变量的B'汽车实用技术(X'B , Z'B )点坐标。
2.3 扭杆力矩Ms 与行李箱盖开闭角度θ关系转换随扭杆弹簧旋转角度γ的增大，扭杆弹簧以A 点为旋转轴的力矩M s 线性减小，其关系为：（11）其中（M s ）max 为扭杆弹簧最大扭矩，即行李箱盖开闭角度θ=0°时的扭矩，（M s ）min 为扭杆弹簧最小扭矩，即行李箱盖开度θ最大时的扭矩。
图5 扭杆弹簧力矩Ms 转换图示如图5所示，扭杆弹簧通过连杆传递，将弹力施加于铰链活动端，在行李箱盖任意开闭角度θ时，扭杆弹簧以O(x O ，z O )点为支点施加于铰链活动端的力矩为：（12）其中：通过上述计算转换，得到以开闭角度θ为单一变量的扭杆弹簧力矩(M s )O 。
2.4 重力力矩M G 与行李箱盖开闭角度θ关系转换在行李箱盖开闭过程中，行李箱盖质心G(x G ，z G )以铰链旋转点O(x O ，z O )为圆心旋转运动，重力力臂L G 随行李箱盖开闭角度θ的变化而变化。
图6 重心G 坐标转换图示如图6所示，在行李箱盖闭合位置，行李箱盖质心G(x G ，z G )与铰链旋转中心O(x O ，z O )的连线OG 与竖直方向夹角ω为：（13）行李箱盖在任意开闭角度θ位置时，行李箱盖质心与铰链旋转中心连线OG'与竖直方向夹角为（θ+ω），此时行李箱盖质心x 坐标为：（14）其中。
在车辆驻坡情况下，因驻坡坡度因素导致质心与铰链轴线相对位置发生偏离，在驻坡角度为µ时，行李箱盖质心坐标为：（15）任意开度θ位置行李箱盖重力以铰链轴O 为旋转轴线的力矩为：（16）通过上述计算转换，得到以开闭角度θ为单一变量的行李箱盖重力力矩M G 。
2.5 铰链摩擦力矩Mf 与开闭角度θ的关系转换图7 摩擦力矩Mf 转换图示如图7所示，O(x O ，z O )点铰链摩擦扭矩M f1 直接作用于铰链运动端，其以O(x O ，z O )点为支点的有效作用扭矩不随开闭角度θ发生变化。
C 点铰链摩擦扭矩M f2以A 点为转轴的有效作用扭矩随开闭角度θ的变化而变化，其大小为：（17）其中l 1为点A(x A ，z A )距经过B' (X'B ，Z'B )点的B' C'垂线的距离，其数值随行李箱盖开闭角度θ的变化而变化，大小为：通过上述计算转换，得到以开闭角度θ为单一变量的C(x C ，z C )点铰链摩擦扭矩。
2.6 开闭力与行李箱盖开闭角度θ的关系转换行李箱盖开启过程中，手动开启力与扭杆弹簧合力克服行李箱盖重力以及铰链摩擦力作用，根据杠杆原理，可得手动开启力为：（18）手动开启点为H(x H ，z H )，则：行李箱盖关闭过程中，手动关闭力与重力合力克服扭杆弹簧弹力以及铰链摩擦力作用，根据杠杆原理，可得手动关李超帅等：基于Excel的行李箱盖扭杆弹簧计算研究闭力为：（19）手动关闭点为J(x J，z J)，则：通过上述计算转换，得到以开闭角度θ为单一变量的手动开启力与手动关闭力。
3 基于Excel的开闭力计算与曲线分析通过上述公式转换，各作用力均转化为以行李箱盖开闭角度θ为单一变量的参数，运用Excel的公式编辑功能，可得到行李箱盖在不同开度θ下的开启力与关闭力，并输出曲线，直观地对扭杆弹簧的布置结果进行分析。
3.1 基于Excel的行李箱盖开闭力计算输入条件通过上述公式运算结果可得运用Excel进行公式编辑的输入条件有：表1 Excel表格计算输入条件3.2 行李箱盖开启力曲线分析图8 开闭角度-开启力曲线顾客开启操作舒适的行李箱盖设计状态为：行李箱盖启动开启后，自动弹起一定高度并保持静止，该弹起高度需便于人手操作，在该位置顾客施加10N~20N的开启操作力使行李箱盖越过平衡区间后，行李箱盖可自动开启至全开位置并保持停住状态。