汽車發(fā)動機蓋自關閉氣彈簧布置優(yōu)化方法

馬東輝，馬少康，姜明

（1.北京車和家信息技術有限公司，北京 100102；2.武漢理工大學物流工程學院，湖北 武漢 430063）

前言

氣彈簧是一種具有支撐、緩沖、制動、高度調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)等功能的配件[1]，廣泛用于工程機械[2-4]、客車[5]、汽車[6-7]等的助力機構。在汽車領域，很多價格在10萬以上的車型，氣彈簧平衡機構成為發(fā)動機蓋的開啟動力單元的首選，其主要功能是在發(fā)動機蓋開啟過平衡點后提供動力，完成發(fā)動機蓋開啟；在發(fā)動機蓋關閉過程中降低機蓋關閉速度，防止意外發(fā)生；限制機蓋的最大開度，防止機蓋與周邊件干涉。綜上，本文從力矩平衡和能量平衡的角度，對汽車發(fā)動機蓋氣彈簧的布置優(yōu)化進行研究，以實現(xiàn)汽車機艙蓋有效自關閉。

1 氣彈簧布置要求

氣彈簧布置的好壞，取決于氣彈簧能否滿足發(fā)動機蓋系統(tǒng)設計初期定義的各項目標，例如人機要求（平衡區(qū)間、開啟、關閉過程操作力）、關閉保持力、自關閉等。下面以某車鋁機蓋氣彈簧布置進行說明。

（1）產(chǎn)品定義：關閉保持力 F要求（低溫 F≥20N，常溫 F≥30N）；發(fā)動機蓋手部操作開啟、關閉力要求60N≥F≥30N；發(fā)動機蓋開啟平衡點要求 25°≥θ≥10°；發(fā)動機蓋開鎖后彈起高度 h≥25mm，滿足人手操作空間；發(fā)動機蓋最大開啟角度；發(fā)動機蓋關閉過程過平衡點能夠?qū)崿F(xiàn)自關閉。

（2）氣彈簧參數(shù)：桿徑d、缸徑D、行程S、安裝尺寸L、公稱力F、接頭形式等，桿徑d、缸徑D多為供應商成熟序列；行程 S、安裝尺寸 L、接頭形式可根據(jù)安裝要求需要設定；公稱力F通過充氣壓及桿徑匹配要求設定。

（3）氣彈簧布置要求：提供發(fā)動機蓋質(zhì)量、重心位置，發(fā)動機蓋鉸鏈軸位置、機蓋鎖位置、力學曲線，密封形式，緩沖系統(tǒng)位置、力學曲線等參數(shù)。

2 氣彈簧布置過程

（1）氣彈簧初步安裝點確定

如圖 1，設定發(fā)動機蓋開啟人機高度時氣彈簧自由伸長長度為 L1、氣彈簧力為 F1、發(fā)動機蓋關閉時候氣彈簧壓縮后長度為 L2、氣彈簧力為 F2。在發(fā)動機蓋上初步布置氣彈簧上安裝點a1。發(fā)動機蓋開啟到最大角度時，氣彈簧安裝點位置a2。分別以a1為圓心、L1為半徑，a2為圓心、L2為半徑做球，兩球交線即為氣彈簧安裝點所在區(qū)域?？紤]到發(fā)動機蓋受力均勻，氣彈簧盡量布置在平行于XZ平面的平面上，采用通過氣彈簧上安裝點且平行于XZ平面的平面與兩球交線相交所得點b1和b2。根據(jù)實際布置要求，b1即為氣彈簧安裝。

圖1 發(fā)動機蓋氣彈簧安裝點初步確定

（2）關閉保持力校核

以常溫為例，如圖 2所示，氣彈簧伸長狀態(tài)力值為 F3（氣彈簧總力值）、力臂為S3，發(fā)動機蓋重量為G、力臂為S，手部操作力為F5、力臂為S5，鉸鏈轉動力矩M。存在力矩平衡 F3*S3-G*S+M=F5*S5。根據(jù)設計要求，手部操作力F5≥30N（要求在常溫下），同時由于鉸鏈力矩較小，可忽略，最后可得F3*S3-G*S≥30*S5，即滿足設計要求。

圖2 開啟最大狀態(tài)手部操作力

（3）平衡點校核

發(fā)動機蓋關閉平衡位置校核，即手部操作力為0N，根據(jù)氣彈簧彈性曲線可以得出氣彈簧在關閉過程中壓縮區(qū)間內(nèi)任意位置氣彈簧力值為F6（氣彈簧總力值）、力臂為S6，發(fā)動機蓋重心到發(fā)動機蓋鉸鏈軸的力臂為S7，如圖3所示，由力矩平衡得 F6*S6-G*S7+M=0，忽略鉸鏈轉動力矩可得F6*S6-G*S7 =0，即此位置為發(fā)動機蓋關閉平衡點。

圖3 發(fā)動機蓋關閉任意位置

發(fā)動機蓋開啟平衡位置校核，即手部操作力為0N，同理根據(jù)氣彈簧彈性曲線可以得出氣彈簧在開啟過程的壓縮區(qū)間內(nèi)任意位置氣彈簧力值為 F9、力臂為 S9，發(fā)動機蓋重心到發(fā)動機蓋鉸鏈軸的力臂為 S8，如圖 4所示，由力矩平衡得F9*S9-G*S8+M=0，忽略鉸鏈轉動力矩得 F9*S9-G*S8 =0，即此位置為發(fā)動機蓋開啟平衡點。

圖4 發(fā)動機蓋開啟任意位置

（4）人機操作空間校核

發(fā)動機蓋二道鎖開啟時，發(fā)動機蓋彈起操作空間，要滿足手部操作空間，并且不能自動彈起，即同時滿足N鎖*S鎖人+F彈* S彈人＞mg* Sm人和mgh人＜E鎖+E緩+ E密+ E氣兩個公式，如圖5所示。其中，N鎖為發(fā)動機蓋鎖的彈力值，S鎖人為發(fā)動機蓋鎖的彈力力臂，F(xiàn)彈為氣彈簧力值，S彈人為氣彈簧力臂，mg為發(fā)動機蓋重力力值，Sm人為發(fā)動機蓋重力力臂，mgh人為發(fā)動機蓋抬起操作空間重力做的功，E鎖為鎖體二道鎖關閉時所需做的功，E緩為緩沖塊達到閉合狀時所需做的功，E密為密封條達到閉合狀時所需做的功，E氣為氣彈簧達到閉合狀時所需做的功。

圖5 發(fā)動機蓋開啟手部操作空間高度

（5）最小關閉高度校核

發(fā)動機蓋在重力作用能夠滿足機蓋完全自鎖的高度，發(fā)動機蓋的重力勢能大于機蓋鎖、緩沖系統(tǒng)及密封系統(tǒng)的力矩做功，即mgh小≥E2+E3+E4+E5。此處，E2為發(fā)動機蓋關閉時鎖的力矩做功；E3為發(fā)動機蓋關閉時密封系統(tǒng)的力矩做功；E4為發(fā)動機蓋關閉時緩沖系統(tǒng)的力矩做功；E5為發(fā)動機蓋鉸鏈轉動的力矩做功（能量很小，可忽略）。

（6）自關閉校核

根據(jù)設計目標要求，發(fā)動機機蓋關閉至平衡點后，能夠?qū)崿F(xiàn)自動鎖死，需要滿足能量公式 mgh≥E1+E2+E3+E4+E5。此處，mg為發(fā)動機蓋重量；h為重心在發(fā)動機蓋關閉過程中相對機蓋關閉時的高度；E1發(fā)動機蓋關閉過平衡點后氣彈簧的力矩做功；E2發(fā)動機蓋關閉時鎖的力矩做功；E3發(fā)動機蓋關閉時密封系統(tǒng)的力矩做功；E4發(fā)動機蓋關閉時緩沖系統(tǒng)的力矩做功；E5發(fā)動機蓋鉸鏈轉動的力矩做功（能量很小，可忽略）。發(fā)動機蓋關閉過平衡點后氣彈簧能量為 E1=∫Mθdθ。M為氣彈簧在任意時刻的力矩，θ為發(fā)動機蓋開啟的角度。

3 布置結果

結合某車型鋁制發(fā)動機蓋，采用氣撐桿布置情況，除產(chǎn)品定義要求外，硬點要求發(fā)動機蓋機蓋質(zhì)量10.5kg，重心位置（-215.6，0，689），作用力臂0.63m，鉸鏈軸線位置（412，0，759.5），發(fā)動機蓋鎖布置位置（-590，0，554），作用力臂1m，力臂密封條的力值20N，作用力臂0.69m，緩沖塊的平均力值10N，數(shù)量4個，平均力臂0.85m。

圖6 機蓋鎖剛度

圖7 密封條剛度

調(diào)整后的氣撐桿布置情況：氣彈簧車身側安裝點位置（304，0，706），發(fā)動機蓋側安裝點位置（81，0，640），氣彈簧自由長度297mm，行程64.5mm，壓縮后長度232.5mm，公稱力值F=440N。

根據(jù)發(fā)動機蓋鎖（一道鎖、二道鎖 ）剛度（圖 6）、密封條剛度（圖7）、緩沖塊剛度（圖8），可得機蓋最小關閉高度為135mm（發(fā)動機蓋前端在前保距離），能量為4.0J。

圖8 緩沖塊剛度

根據(jù)發(fā)動機蓋不同溫度下的手部操作力曲線（如圖9），可以分析得出，發(fā)動機蓋常溫關閉平衡點為機蓋開啟 15°，低溫關閉平衡點為機蓋開啟 19°，高溫關閉平衡點為機蓋開啟 11°。同時通過分析發(fā)動機蓋系統(tǒng)關閉過程中不同溫度下的能量曲線（如圖10），可以看出三者能量差值均大于4J。根據(jù)發(fā)動機蓋關閉實現(xiàn)自關閉條件 mgh≥E1+E2+E3+E4+E5，即mgh-E1≥4.0。因此，可以判斷此車型發(fā)動機蓋氣彈簧布置可以實現(xiàn)，發(fā)動機蓋過平衡點后均能實現(xiàn)發(fā)動機蓋的自關閉。

圖9 發(fā)動機蓋不同溫度下的手部操作力曲線

圖10 關閉過程中重力及氣彈簧做功曲線

4 結論

本文提供了一種汽車發(fā)動機蓋自關閉氣彈簧布置優(yōu)化的方法：從人機要求、關閉保持力、自關閉等角度明確了氣彈簧的布置要求；通過力學和能量等的分析計算，推導出氣彈簧優(yōu)化布置的方程式，涉及氣彈簧初步安裝點確定、關閉保持力校核、發(fā)動機蓋關閉平衡位置校核、發(fā)動機蓋開啟平衡位置校核、人機操作空間校核、最小關閉高度校核、自關閉校核等過程。通過本公司某車實例，驗證了以上方法和公式，從而提高了設計效率，降低了驗證周期，提升了人機功效。

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