车载显示屏旋转折叠机构设计

作者：顾顺祥

苏州长风航空电子有限公司,江苏 苏州

随着居民生活水平的提高,各行各业对民用车辆的定制化要求越来越高,对车内增装显示屏的要求也越来越多,对显示屏安装方式的结构也提出了新的要求,将车辆运行振动问题和车内空间有限等进行综合考虑,在对显示屏的支架设计时,需要考虑安全可靠性､多功能性和省空间性能等｡

本文介绍了一种显示屏选择折叠支架｡是某款民用改装车辆车内需要一个抬头显示屏,在车辆停下来时可以翻转车顶的显示屏到垂直状态,可以在水平方向(0~180°)旋转并停止,可实现给不同方向的人看｡在车辆启动过程中,显示屏需要折叠起来,给车辆释放出更大的使用空间,同时对折叠后的强度要求在车辆行驶状态不能有脱落风险｡在该要求下,设计一款显示屏旋转折叠机构,旋转采用阻尼转轴+高强度弹簧销来实现,折叠使用高强度弹簧销配合固定座实现锁死｡通过力学分析选择合适阻尼大小的转轴及弹簧销,使用软件SolidWorks软件设计零件并进行仿真分析｡制作了试验件,通过GB/T2423.36—2005《电工电子产品基本环境试验规程》第2部分关于振动的要求^[1]｡

旋转折叠机构设计原则

设计显示屏结构之前,首先需要对客户需求进行细化分析,首先客户需要的是一款显示屏的支架,具备折叠功能,打开后还需具备水平选择功能;运用机械原理和机械设计方法,在遵守各类技术标准的前提下,设计出一款功能达标并可靠性的机械产品｡

机械设计过程中还需要遵循以下原则:

(1)安全原则:产品安全可靠地工作是对设计的基本要求,产品的安全性包括零件安全性､整机安全性､工作安全性和环境安全性｡(高低温运行､防火材料要求､无毒材料等)

(2)功能技术性原则:技术性能包括产品功能､制造和运行状况在内的一切性能,既指静态性能,也指动态性能｡例如,产品所要求的使用寿命､强度､刚度､振动稳定性和热特性等｡技术性能准则是指相关的技术性能必须达到规定的要求｡

(3)最大限度的实现产品的标准化､通用化､系列化:零件有标准件的尽量采用标准件,尽量采用成熟的结构和工艺方法,使产品系列化､通用化｡这样可以加快试制进度､缩短试制周期｡

(4)优化设计和创新设计:在结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不难｡但在众多方案中寻求较好的方案需结合实际进行多方位思考,在满足功能及强度的前提下,考虑加工工艺一般性,考虑装配工艺的方便性,考虑后续维护修理的便捷性,考虑成本的经济性等,这其中很多因素之间是相互矛盾的,需要在其中选择一个较合适的方案｡

方案设计完成后需要对产品的具体功能进行细化设计,在设计结构的时候,需要在了解它的加工工艺的基础上,设计出一个更优的机械结构｡如果对现有加工工艺不熟悉,那在公差的选择,表面处理方式的选择上就不能做到最优,有的零件也许可以加工出来,但是成本上去了,周期变长了,也违背了设计的初衷｡如果对装配的工艺不熟,设计出的产品就会存在装配工艺性差､维护性差等问题｡所以机械零件的设计也涉及到工艺方法的学习及运用,在熟练掌握机械加工及装配工艺的基础上设计出最优结构件｡

产品强度设计是重中之重,对产品强度设计需要从设计原理进行就进行分析｡产品受到振动或冲击等机械应力时,造成的破坏主要有如下2种:一是产品在激励频率作用下产生共振,或是振动及冲击产生的应力超过材料的屈服极限而遭到损坏｡二是疲劳损坏,产品在长时间的振动及冲击载荷作用下,产品及其元器件､零部件因疲劳过度而导致损坏｡产品在设计时应遵循以下设计原则:

(1)零件保证足够的强度､刚度,以保证振动及冲击载荷作用下响应应力不超过其屈服强度极限,响应位移不会引起结构件之间的摩擦和碰撞;

(2)在结构和工艺设计中避免应力集中｡例如,产品所要求的使用寿命､强度､刚度､振动稳定性和热特性等｡技术性能准则是指相关的技术性能必须达到规定的要求｡

(3)最大限度的实现产品的标准化､通用化､系列化:零件有标准件的尽量采用标准件,尽量采用成熟的结构和工艺方法,使产品系列化､通用化｡这样可以加快试制进度､缩短试制周期｡

(4)优化设计和创新设计:在结构设计中得到一个可行的结构方案一般并不难｡但在众多方案中寻求较好的方案需结合实际进行多方位思考,在满足功能及强度的前提下,考虑加工工艺一般性,考虑装配工艺的方便性,考虑后续维护修理的便捷性,考虑成本的经济性等,这其中很多因素之间是相互矛盾的,需要在其中选择一个较合适的方案｡

方案设计完成后需要对产品的具体功能进行细化设计,在设计结构的时候,需要在了解它的加工工艺的基础上,设计出一个更优的机械结构｡如果对现有加工工艺不熟悉,那在公差的选择,表面处理方式的选择上就不能做到最优,有的零件也许可以加工出来,但是成本上去了,周期变长了,也违背了设计的初衷｡如果对装配的工艺不熟,设计出的产品就会存在装配工艺性差､维护性差等问题｡所以机械零件的设计也涉及到工艺方法的学习及运用,在熟练掌握机械加工及装配工艺的基础上设计出最优结构件｡

水平旋转机构的扭矩值对显示屏的水平旋转过程影响较大,当扭矩值较大时,旋转时需要使用较大的力气,导致用户体验差;当扭矩值较小时,旋转时较容易,可能在使用时,自动旋转,导致观看的显示屏朝向变化,所以旋转值需要计算出合适的值。水平方向的扭矩值计算公式如下^[3]:

式中:F2为平面阻尼器的阻力;F1为旋转使用的推力;μ为钢的干燥加工表面为0.5。

 图1中,假设人手比较轻松的推力为30kg,可以算出平面阻尼器的正压力为12307N｡按照平面阻尼器的阻力可以通过中间的M10螺钉的拧紧力矩来控制｡

已知螺距P=1.5mm,螺纹直径d=10mm当正压力为12307N时,扭矩=587kgf·cm=58.7N·m所以M10的螺钉的锁紧力矩为58.7N·m｡

翻转机构主要通过上下翻板阻尼铰链,阻尼转轴的扭力是制作时就设定好的,所以需要选择合适的阻尼铰链｡在上下反转时,从折叠起来往展开打开时,需要有一定阻力来抵消屏及支架自身的重力,防止屏突然展开,撞到人｡当折叠起来时,又需要克服阻力,使屏不需要太大的力就能推到折叠状态,所以需要选择合适扭矩的阻尼转轴｡如图2所示｡

展开时的计算公式:F4为屏及下支架的重力,F3为展开时需要施加的托力本设计中屏的重量为12kg,下支架为2kg｡F3下展开时最好不费力,可设定为0,计算所得轴扭矩为12.5N.M｡这么大扭矩的阻尼铰链外形太大,不太合适｡所以折叠放下的时候需要手动托着,力道5kg比较合适｡计算所得轴扭矩为3.8N.M｡

折叠时的计算公式:

当扭矩设置为3.8N.M时,计算折叠时需要增加的最大力为F3为94N,约9.4kg｡这时所需的推力也是比较符合人体工程学｡

显示屏折叠后需要支架固定在折叠状态,在车辆运行过程中不会掉下来,同时也需要考虑在折叠过程中,可以有比较方便的折叠方式｡所以折叠机构采用的是复位型斜型弹簧销｡

弹簧销又名复位型柱塞,前端通常情况下有突出状的锁舌,在拉动把手时,锁舌会收回去,放开把手时通过柱塞内置的弹簧力会恢复锁舌的凸出状态｡弹簧销的选型原则首先考虑强度,弹簧销的突出部分强度不够会造成断裂,从而显示屏摔落､砸伤人等风险,所以需要对弹簧销的强度进行校核｡弹簧销的剪切力计算:

式中:m为显示屏及下支架重量14kg;a为最大加速度,运输环境振动最大量级为2.2g;L(动)为动力臂0.179m;L(阻)为阻力臂0.175m;

计算所得:F=271N弹簧销的材质为304不锈钢,抗拉应力为515MPa,抗剪切应力一般取抗拉应力的0.6~0.8,选取安全系数为10｡圆柱销抗剪切力计算公式为:

计算所得,弹簧销的直径最小为4mm,查看弹簧销的规格,选用8mm的弹簧销满足要求｡

折叠机构在折叠过程中,不但要实现自动锁止功能,还需有比较方便的方式｡人在推动下支架折叠过程中的力已经通过计算为9.4kg,符合人体工程学｡但是在推动显示屏折叠到位后,很难再腾出手插入固定销,所以从使用方便性方面考虑,需要设计自动锁止功能的结构｡

该结构方案采用了自动复位的弹簧销加上固定弹簧销的固定座的结构｡把弹簧销固定在下翻转支架上,将固定做安装在上固定支架上｡当翻转支架折叠到位后,弹簧销的锁舌可以插入固定座中的固定孔中,实现固定锁止功能｡

首先在弹簧销的选型时选择斜形弹簧销,然后还需要设计一个弹簧销固定座｡固定座需要实现的功能为:折叠时有导向槽能让弹簧销收缩,然后顺利进入固定座的固定孔中;折叠机构需要打开时,需要人拉动弹簧销,让弹簧销的锁舌离开固定座的固定孔,实现展开｡

以上可以看出对固定座的强度和耐磨性都有一定的要求,所以在设计固定座时选用了304不锈钢作为制作材料;表面光洁度设计为Ra1.6,使导向槽的斜面与弹簧销多次摩擦只有较小磨损｡

样件制作及试验

对设计方案的零件进行设计,通过设计三维软件SolidWorks设计出上固定支架和下旋转支架,同时还有弹簧销固定座｡上固定支架采用AL-6061铝合金材料,加工出固定圆盘阻尼转轴及翻转阻尼转轴和弹簧销固定座的结构｡下翻转支架采用304不锈钢板加工,设计有减重槽,并配有安装翻转阻尼转轴､显示屏和弹簧销的结构｡

设计好图形后通过CNC加工中心,加工出样品进行组装试验｡组装完成后,首先水平旋转及垂直折叠,在使用过程中基本符合设计构想,满足人体工程学｡

对该试验方案进行模拟运输条件进行试验｡首先将试验件及试验显示屏按照设计安装方式固定到振动试验台夹具上,将之间调整到折叠状态｡然后根据GB/T2423.36—2005《电工电子产品基本环境试验规程》第2部分关于振动的规定进行振动试验｡振动量级按照固定的振动量级,分别为垂向最大2.20g,横向1.62g,纵向2.05g,每个轴向的振动时间为60min,3个方向总共180min^[4]｡

试验后旋转折叠支架各结构无明显变形及损伤,各固定机构也无明显松动｡拉动弹簧销,旋转折叠结构能正常工作｡

结语

该设计方案的显示屏折叠机构进行了样机的制作,并顺利通过《电工电子产品基本环境试验规程》第2部分关于振动要求,同时在实际放下和折叠过程中,人员操作省力,操作方便｡该折叠机构还可以拓展使用到其他车载或地面顶挂式显示器中,实现显示器的左右旋转及上下折叠功能｡

但是其也存在不足,首先阻尼转轴在长时间的使用后,转轴间垫片会发生磨损,主要原因是转轴垫片的金属特性造成的:转轴垫片所用金属虽然硬度高,但是退让性差(变形后无法复原)､抗冲击性能也差､抗疲劳性能差,因此容易造成持续的磨损､疲劳磨损和微动磨损等｡大部分的阻尼转轴磨损安装使用时不易察觉,只有出现阻尼任意停留不灵､异响等情况时,才会引起察觉,此时阻尼转轴的阻尼效果已变小｡还有弹簧销的锁舌和弹簧销固定座长时间磨损也有磨损失效的风险｡

【参考文献】

[1]纪春阳.电工电子产品基本环境试验规程:GB/T2423.36—2005[S].广州:信息产业部电子第五研究所,2005.

[2]岳通,魏国,王率军,等.某车载武器系统侦测折叠装置设计与分析[J].制造业自动化,2021,43(11):41-45.

[3]王少怀.机械设计使用手册[M].北京:北京工业出版社,2010.

[4]王志刚,张必超.公路运输与车载设备振动试验规范的确定[C]//《电子产品可靠性与环境试验》编辑部.2010第十五届可靠性学术年会论文集,2010:328-333.