2024年4月30日发(作者：)

中国设备工程

China Plant

Engineering

车载双屏显控器翻转机构设计

苗仲海，马云飞，顾顺祥

（苏州长风航空电子有限公司，江苏 苏州 215151）

摘要：针对特种车辆驾驶舱仪表台空间有限，同时，又有双屏显示的需求，设计了一种车载双屏显控器翻转与固定机

构，采用扭矩铰链+分度销等核心部件，实现辅屏显控器可在0～180°区间翻转，任意角度悬停和在固定角度锁死的功能。

该结构操作简单，功能可靠，能满足公路、土路运输环境下快速启停、剧烈颠簸等复杂路况的需求。

关键词：车载双屏；扭矩铰链；分度销；翻转机构

中图分类号：TH112.5 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2021）03（下）-0167-02

某型特种车辆需要在副驾驶仪表台上设置两台显控器，

使用时，乘员操作主屏，辅屏为扩展显示器，与主屏一样，

需要有合理的观察视角。考虑到驾驶舱的空间有限，所以将

主、辅屏设计成上下分布。使用时，辅屏可向上展开，在0

～180°区间内翻转和悬停，达到最佳观察角度时锁定位置，

可以承受垂直、纵向、轴向三个方向的振动而不发生位移。

使用结束后辅屏可向下闭合，不影响乘员观察车外环境。辅

屏的展开、闭合操作应尽可能简便，避免烦琐的操作。因此，

本文设计使用高强度扭矩铰链实现辅屏翻转和悬停，使用复

位型分度销来实现固定角度自动锁死功能。使用三维设计软

件CATIA进行翻转运动仿真，设定锁死角度为172°，试验

件按GJB150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法》第

16部分进行振动试验。经测试，本文所设计的翻转固定机构

操作简便，功能可靠，达到了预期的设计目标。

1 器件选型设计

基于对功能需求的分析，设计使用高强度扭矩铰链和分

度销两种核心部件。扭矩铰链用于实现辅屏翻转并随意悬停

的功能，分度销配合固定座使用，用于实现辅屏位置自动锁定。

1.1 扭矩铰链选型

1.1.1 扭矩铰链介绍

扭矩铰链是铰链的一种，由固定部件、安装部件、弹簧

部件等组成。原理是在铰链的转动副上施加一定的预紧力，

转动副所连接的两个主体发生相对位移时，产生和预紧力成

正比的摩擦力。

扭矩铰链的分类，按材质，主要有不锈钢、塑料扭矩铰

链；按铰链安装方式，可以分为因定式，脱卸式；按功能分为：

一段力、二段力、阻尼缓冲；按扭矩大小是否可调，分为可

调和不可调扭矩铰链。

1.1.2 扭矩铰链选型原则

扭矩铰链选型要兼顾功能需求、安装方式、使用环境等。

该项目所使用的双屏显示器，辅屏重量约为7kg，翻转角度从

竖直方向0°～180°，扭矩铰链要承担辅屏重力。要求所使

用的扭矩铰链具有较大的扭矩值，在翻转过程中，产生的摩

擦力能承受辅屏的重力，且安装臂要有一定的强度。产品使

用环境为车内，温、湿度波动范围较大，因此，核心部件扭

力弹性部件应避免使用铁质等易腐蚀材料。因此，选用主体

5 结语

此节能技术可直接复制到其他需特种频率供电的用电设

备上，公司其他的一些产品如大型工程船，原使用柴油发电

机组供电，现可替换改用变频器，以大大减少化石能源的使

材质为不锈钢，弹性材质为磷青铜等耐蚀性、耐磨性较好的

产品。

1.1.3 扭矩计算

扭矩铰链的扭矩值在辅屏翻转过程中影响较大，扭矩过

小，辅屏在翻转时过于灵活，且无法随意悬停；扭矩过大，

翻转时比较费力，使用体验较差。所以，所选用的扭矩铰链

扭矩值应略大于辅屏的扭矩值。

辅屏扭矩的计算方法按以下公式（示意见图1）：

×屏重（kg）×9.8

注：该公式中选取的辅屏重心为辅屏几何中心，实际重

心与几何中心可能不重合。

图1 辅屏扭矩计算示意

本设计中，辅屏的宽度为300mm，重量约为7kg。经计算，

辅屏的扭矩值为10.29N·M，考虑到扭矩铰链实际扭矩值与

额定扭矩的偏差为±20%，故预选用两对4.5N·M的扭矩铰链。

配合使用后额定扭矩值为18N·M。经过验证，所选用铰链实

际使用效果良好。翻转时，力度均匀适中，可以实现随意悬停。

1.2 分度销选型

1.2.1 分度销介绍

分度销，或称旋钮柱塞。简单可理解为应用于类似分度

盘结构定位的销子。分度销的结构由销体、销头、把手，以

及内置弹簧组合而成。分度销家族庞大，种类繁多。类型按

照材料分主要有碳钢（黑色氧化）、不锈钢；按照使用特点

分为复位型、自锁型；按拉手型类型分，有拉环型、把手型；

用。该技术值得运用推广。

参考文献：

[1]GB/T 14549-1993.电能质量 公用电网谐波[S].

中国设备工程 2021.03 （下）

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Research and Exploration

研究与探索

·

工艺流程与应用

按销头形状分有球头、锥度、平头等。

1.2.2 分度销选型原则

分度销的选择首先考虑强度因素。分度头的剪切强度直

接关系到辅屏定位的可靠性。如选用不当，分度销使用时可

能会变形、失效。在极端条件下可能造成分度销折断，辅屏

绕扭矩铰链轴心旋转，严重时可能造成乘员受伤。

其次，考虑到乘员操作使用方便，选择带把手复位型

分度销，复位型分度销前端通常处于突出状态，拉出把手

时，前端销头收回。如果释放把手，前端则会通过内置弹

簧力的作用而恢复突出状态。这样，当辅屏翻转达到设定

角度时，分度销销头弹出，锁定位置。使用结束后，乘员

只需单手轻拉滚花手柄，即可解除辅屏锁定，另一只手完

成辅屏关闭。

考虑到使用效果，为使销头能顺滑弹出，同时保证销头

定位精度，使连接坚固紧密，最终选用不锈钢复位型带把手

球头分度销。

1.2.3 剪切力计算

辅屏在车辆启停或加减速时，有绕扭矩铰链轴线转动的

趋势，分度销则阻碍这种转动。运用力矩的定义：力矩M是

力（F）与力臂（L）的乘积。辅屏重心到扭矩铰链中心轴的

距离为动力臂，分度销中心轴到扭矩铰链轴线的距离为阻力

臂。按照GJB150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法》，

选取最大冲击振动量级20g计算：

分度销销头剪切应力计算如下：

式中，m为辅屏重量（kg）；a为最大加速度，取冲击

时最大量级20g（运输环境振动最大量级为2.2g）；18N·m

为扭矩铰链总额定扭矩；L（动）为动力臂；L（阻）为阻力臂；

304不锈钢材质的抗拉应力为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1.3。圆柱销抗

剪切力计算公式为F（剪）=τ（材料抗剪切应力）×S（圆

柱截面面积）。经计算，分度销销头直径最小应为4.28mm。

本文选用的分度销销头直径为φ8，满足需求。

2 自动锁定机构设计

扭矩铰链和分度销选型完成后，需要设计锁定机构。

2.1 工作模式分析

为了乘员能有较好的使用体验，避免多余操作，要求乘

员可以直接向上翻转辅屏到特定角度，分度销销头即自动弹

出，锁定辅屏角度。使用结束后，单手提拉分度销手柄，即

解除锁定，另一只手完成辅屏闭合。

基于以上工作模式，翻转锁定机构优先采用单侧锁死的

设计（如双侧使用，需选用自锁型分度销，操作较烦琐）。

另外，固定座的设计要能在打开辅屏时自动压缩分度销销头，

而非乘员主动拉出。辅屏闭合和打开状态见图2。

2.2 分度销固定座设计

分度销固定座，安装于主屏背面。当辅屏打开至特定角

度后锁定分度销销头。固定座上设计有与分度销销头直径相

当的孔，孔口倒圆，便于销头滑入。为实现辅屏打开时无需

乘员操作，销头自动压缩，在固定座上设计有一光滑斜面，

辅屏翻转时，销头由斜面一端滑向固定座中心。在此过程中，

受斜面挤压，销头由自然突出状态被挤压收回。到达固定座

中心孔时，销头释放，弹入孔内，实现辅屏位置锁定。固定

座材料要求具有一定的硬度，使光滑斜面能承受销头反复滑

动而不发生磨损，斜面的粗糙度应高于Ra1.6。上述分度销

固定座经过试验验证，满足辅屏自动锁定功能，有较为不错

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的使用体验。

图2 辅屏闭合、打开状态

3 试验方案

对于车载装备，装备与运输车辆是作为一个柔性系统进

行振动的。这种情况下，可用实际运输车辆跑车来模拟运输

条件。将本方案所使用试验件按装备实际安装方式固定在试

验台上。按GJB150.16A-2009附录A中A.2.2.2条的卡车任

务/外场运输中组合轮式车辆的规定进行功能振动试验。振

动量级按轮式车辆振动环境（如图3）垂向最大2.20g，横

向1.62g，纵向2.05g，振动试验时间为每轴向60min，三轴

向共计180min。试验中及试验后翻转固定机构均未出现变形

及损伤等缺陷。

图3 组合轮式车辆振动环境（选自GJB150A）

4 结语

本文设计的车载双屏显控器翻转与固定机构，经过试验

验证，能够实现辅屏翻转悬停和固定角度锁定功能，操作方

便，可靠性高，获得了客户的认可。该机构也可应用于其他

显控设备、健身器材、医疗器械等等。

不足的是，受空间限制，只能在1～2个特定角度下锁

定，而不能在任意角度锁定；另外，受分度销质量可靠性影响，

经过长时间重载使用后，分度销的销头与销体配合可能不再

紧密，影响使用体验。

参考文献： 

[1]施荣明. GJB150.16A-2009军用装备实验室环境试验方法，1-16.

[2]王志刚.公路运输与车载设备振动试验规范的确定.成都：西

南电子电信技术研究所，1-6.

[3]曹永洁.端盖零件分度装置及其夹具设计.上海：上海工程技

术大学，2013.1-3.

[4]苏琳.俞坚.多边形零件铣床成组夹具设计与探讨.西安：西安

航空制动科技有限公司，2016.1-5.

[5]宋述稳.分度误差的计算.信阳：空军第一航空学院，1998.1-2.