基于杠桿原理舉升門氣彈簧布置研究

王麗敏 彭子棟 李卉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】文章介紹了氣彈簧的力學特性及在汽車舉升門上氣彈簧的力值變化，并結合用戶對汽車舉升門的要求，對氣彈簧在舉升門系統(tǒng)中的基本布置要求及其影響因素進行了深入的分析和探討，同時以杠桿原理為理論基礎，歸納出影響氣彈簧布置的各因素理想值。以這些理想值為基礎，可在設計階段縮短布置氣彈簧的時間，同時提高布置氣彈簧的準確性。

【關鍵詞】舉升門；氣彈簧；杠桿原理；基本特性

【中圖分類號】U463 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）04-0051-04

氣彈簧在汽車領域應用廣泛，尤其在汽車舉升門上。氣彈簧內(nèi)部充滿了高壓惰性氣體（氮氣）及少量阻尼油，在工作時內(nèi)部具有緩沖機構，避免了止位的沖擊。使用時，氣彈簧一頭安裝在車身，一頭安裝在車門上（一般有舉升式和反轉(zhuǎn)式），具有安裝方便、無需保養(yǎng)等優(yōu)點[1]。氣彈簧是指由一個密閉缸筒和可以在缸筒內(nèi)滑動的活塞組件及活塞桿組成的以壓縮氣體為貯能介質(zhì)的機構，起支撐、緩沖、制動、高度調(diào)節(jié)及角度調(diào)節(jié)等作用[2]。汽車舉升門的開啟高度、開啟力值、關閉力值都是通過氣彈簧來實現(xiàn)，而氣彈簧的布置又起到確定性的作用，因此對氣彈簧在舉升門中的布置進行研究很有意義。

1 氣彈簧的力學特性

在密閉的壓力缸內(nèi)充入高壓惰性氣體（氮氣）或者油氣混合物，使腔體內(nèi)的壓力高于大氣壓的幾倍或者幾十倍，利用活塞桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產(chǎn)生的壓力差來實現(xiàn)活塞桿的運動（如圖1所示）。

當溫度恒定時，氣彈簧的彈力△F=F 2-F1-f（F1為拉伸到測量點時的彈力；F 2為壓縮到測量點時的彈力；f為活塞與缸筒的動摩擦力，如圖2所示）。

當氣彈簧被壓縮時，由于活塞桿不斷伸入缸筒中，缸筒內(nèi)氣室的體積逐漸減小，因此氣壓逐漸增大，同時彈力逐漸增大。類似于機械彈簧的剛度一樣，氣彈簧F2/F1的值被描述為氣彈簧的剛度。氣彈簧受溫度影響較大，根據(jù)公式PV/T=C（恒量），低溫下開啟力增加，關閉力減小；高溫下，開啟力減小，關閉力增加。

氣彈簧在舉升門系統(tǒng)中的力學模型（整車坐標系XZ平面），如圖3所示：F為氣彈簧的最大支撐力；O為舉升門鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸；A為氣彈簧在車身側(cè)安裝點；B為舉升門關閉時，氣彈簧舉升門上安裝點；C為舉升門完全開啟時，氣彈簧舉升門上安裝點；F為氣彈簧支撐力；d 為氣彈簧支撐力力臂，即O到AC的距離；W為舉升門的重力；E為舉升門的重心，設OE長度=k；φ為舉升門關閉時，OB與垂線之間的夾角；β為OC與OE之間的夾角；γ為∠OAC。

其中，OA、AB在同一方向，兩邊相加等于OB；r=OB，l1=AC，l2=AB，α為舉升門開啟的角度。

在△OAC中，

如圖

由公式（1）帶入數(shù)值驗證，假定B點不動，A點距O點的距離越大F越??；假定OA長度不變，A點繞O點旋轉(zhuǎn)后使A點距OB的距離增大則F增大，故得出OA的長度及AB的延長線到O點的距離跟F有密切關系。

在舉升門系統(tǒng)中，推薦OA的值控制在175～250 mm范圍內(nèi)，AB的延長線到O點的距離控制在0～30 mm范圍內(nèi)。圖4所示為舉升門與車身側(cè)圍的分縫分在車輛的側(cè)面的造型風格，B點的位置距舉升門下端分縫的距離應大于35 mm，氣彈簧開啟的基本條件為2×S+1002 氣彈簧在舉升門系統(tǒng)中的基本要求及其影響因素

氣彈簧在舉升門系統(tǒng)中的主要作用為輔助客戶開啟和關閉舉升門，需滿足在不同的溫度環(huán)境下適當?shù)谋３至?、開門力、關門力、平穩(wěn)性、平衡角度及支撐力值的主要要求，要求氣彈簧在-30～80 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，功能正常，無噪音。

2.1 低溫（-30 ℃）關閉力

關閉力亦稱低溫保持力，即氣彈簧在低溫時處于最大伸長長度時關閉舉升門的瞬間力值。若此力值過小，勢必導致在低溫情況下氣彈簧無法舉升住舉升門，舉升門在其自身重力作用下自行下落，直到氣彈簧的舉升力與舉升門重力相等時達到相對平衡，而此時舉升門的開啟高度必然比設計時的開啟高度低很多，造成乘員或貨物進出舉升門不便，從而導致用戶不滿及抱怨。若此力值過大，勢必會導致F1、各溫度下的開啟力、關閉力增大，氣彈簧同一尺寸的鋼筒自身能夠承受的壓力值是一定的，如果F1增大后超出所選尺寸鋼筒所能承受的壓力值，在其他條件不變的前提下，只能更換更大直徑尺寸的鋼筒，對設計布置、成本、感知等均會帶來不利的影響。低溫關閉力是氣彈簧在舉升門系統(tǒng)中所有特性中最為重要的一個，此特性可以直觀判斷氣彈簧是否失效。經(jīng)過多個項目的經(jīng)驗總結，在舉升門系統(tǒng)中，低溫關閉力建議不小于20 N。

2.2 “hump”現(xiàn)象

“hump”即凸起，針對氣彈簧而言是指同一溫度下最大關閉力與初始關閉力的差值，在實際操作中可視為關門瞬時所需的力與關門過程中所需最大力的差值（如圖5所示）。如果存在“hump”現(xiàn)象，說明在關門的初始瞬間到舉升門平衡角度的過程中，所需使用的關門力是逐漸增大的，給用戶造成操作不順、舒適性差的感知，直接影響車輛品質(zhì)。設計中是不允許出現(xiàn)“hump”現(xiàn)象的，即用戶在關門初始瞬間所使用的力值無需再增大，門就能夠輕松地關閉。如果有“hump”現(xiàn)象，但此數(shù)值須控制在用戶可接受的范圍內(nèi)，在舉升門系統(tǒng)中，建議此數(shù)值不大于10 N。

2.3 常溫（+20 ℃）初始開啟力及關閉力

初始開啟力即氣彈簧在常溫時處于最小伸長長度時開啟舉升門的瞬間力值；初始關閉力即氣彈簧在常溫時處于最大伸長長度時關閉舉升門的瞬間力值。初始開啟力及關閉力直接影響用戶在使用過程中的感知及舒適性，開啟力過大，易造成開門困難、到達平衡角度時的開啟速度過快而傷到用戶等現(xiàn)象；開啟力過小，易造成用戶難以判斷門是否開啟、到達平衡角度時的開啟速過慢、門自關效果差等問題引起用戶不滿。此外，開啟力設計過小時會造成初始關門力增大。關閉力過大，易造成用戶關門困難，使車輛操作舒適感下降。對于舉升門系統(tǒng)而言，舉升門鈑金加上所有的附件（包括后擋風玻璃總成、擾流板總成、內(nèi)飾板總成、鎖體總成、燈系統(tǒng)、后雨刮系統(tǒng)等）的重量一般都會大于25 kg，建議開啟力控制在（60±10）N，關閉力控制在（70±10）N。

2.4 常溫（+20 ℃）平衡角度

平衡角度是氣彈簧在常溫條件下所提供的支撐力矩與舉升門重力距相對平衡時的角度，即圖5所示的力值曲線與O線的交點所處的角度。此特性與人機工程相關，平衡角度過小，舉升門開啟手柄位置過低，開啟操作不便，影響舉升門自關性能；平衡角度過大，舉升門開啟手柄位置過高，開啟操作舒適性會降低。在舉升門系統(tǒng)中，常溫時的平衡角度建議控制在13°～20°，平衡角度的基準是舉升門設計關閉狀態(tài)。

2.5 F 1力值

由于力的作用與反作用效應，氣彈簧能夠提供的支撐力（F 1）會作用在固定氣彈簧的安裝點上，若此力值過小，勢必導致在此狀態(tài)下氣彈簧無法舉升起舉升門，舉升門在其自身重力作用下會自行下落，直到氣彈簧的舉升力矩與舉升門重力力矩相等時達到相對平衡，而此時舉升門的開啟高度必然比設計時的開啟高度低，造成乘員或貨物進出舉升門不便，從而導致用戶不滿及抱怨；若此力值過大，各溫度下的開啟力和關閉力會增大。同一尺寸型號的氣彈簧鋼筒自身能夠承受的壓力值是一定的，如F 1增大后超出所選鋼筒所能承受的壓力值，在其他條件不變的前提下，只能更換更大尺寸的鋼筒，帶來了設計布置空間要求更大、成本變高、感知質(zhì)量差等不利的影響。F 1的增大或者減小，會直接影響到各溫度狀態(tài)下的開啟、關閉力值及其他性能指標，在舉升門系統(tǒng)中，F(xiàn) 1力值建議不大于700 N。

根據(jù)以上對舉升門氣彈簧的支撐力及其安裝點布置分析后，選擇合適的氣彈簧型號（鋼筒尺寸及活塞桿尺寸）及F 1力值，初始設計時所測得的零件重量（按均勻厚度計算）信息未考慮零件板材制造時減薄、疊料及制造誤差等因素，測量所得的舉升門重量信息及重心坐標與實際生產(chǎn)出來的產(chǎn)品會有所偏差，故在制作氣彈簧樣件時，須作出F 1，F(xiàn) 1±30 N，F(xiàn) 1±50 N 5種力值的樣件，并分別進行氣彈簧子系統(tǒng)試驗及舉升門子系統(tǒng)的相關試驗。在試驗完成后，滿足試驗要求的最小F 1力值定為F 1的最終力值。

3 總結

本文介紹了氣彈簧的力學特性，基于杠桿原理對氣彈簧在舉升門的開啟和關閉過程的力學進行理論分析，并結合多個車型項目的實踐經(jīng)驗，總結出氣彈簧在舉升門布置過程中的基本要求和影響基本要求的相關因素，歸納出滿足氣彈簧布置要求的各因素的理想建議值。在設計初期布置氣彈簧的過程中以這些值為參考，可以有效地減少設計上布置氣彈簧的時間，提高工作效率，同時保證了氣彈簧布置的準確性，避免出現(xiàn)氣彈簧布置過程中的返工，滿足用戶對舉升門開啟力、關閉力等相關性能的要求。由于不同的氣彈簧供應商在氣彈簧結構上存在差異，所以建議在舉升門系統(tǒng)開發(fā)前期盡量和氣彈簧供應商同步進行，可有效地避免不可行布置方案所帶來的大量重復工作，為項目開發(fā)節(jié)省時間。

參 考 文 獻

[1]韋學軍，許文光.微型客車尾門結構設計與試驗簡介[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2009（22）.

[2]姜帆，王博，王天罡.阻尼式氣彈簧及其在散熱器面罩中的布置設計[J].汽車實用技術，2014（6）.

[3]汪家利，樂玉漢，李輝.后背門氣彈簧布置與撐力計算[J].汽車工程師，2010（7）.

[責任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】王麗敏，男，江西新余人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心車門工程師，從事車門設計工作；彭子棟，男，湖南瀏陽人，學士，上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心車門工程師，從事車門相關產(chǎn)品的結構設計工作；李卉，女，山東泰安人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心車門工程師，從事車門相關產(chǎn)品的結構設計工作。