尾門氣彈簧設(shè)計與力值計算的深入研究

劉國梁

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

前言

隨著高科技的發(fā)展，人們對汽車使用性能以及車身造型流暢美，觀動感的要求日益提高，現(xiàn)代車身技術(shù)也隨之迅猛發(fā)展。因此，汽車上尾門、發(fā)動機艙蓋的開啟機構(gòu)不僅要符合車身整體造型的需要，同時需兼顧安全、方便、使用可靠，氣彈簧可以很好地滿足這些要求。氣彈簧具有容易布置、可靠性高、安裝結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。因而廣泛運用在汽車、家具、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)。本文將介紹自由型氣彈簧（ 以下簡稱氣彈簧）在汽車尾門上的相關(guān)布置設(shè)計。

1 氣彈簧的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 氣彈簧的定義

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(gòu)。

1.2 氣彈簧的結(jié)構(gòu)

氣彈簧主要有自由型氣彈簧、自鎖型氣彈簧、牽引式氣彈簧、阻尼器等類型。氣彈簧按照結(jié)構(gòu)形式也可分為不可變阻尼結(jié)構(gòu)和變阻尼結(jié)構(gòu)。不可變阻尼結(jié)構(gòu)氣彈簧的活塞上有孔，氣體在活塞孔中流通，液壓油主要起阻尼和潤滑作用。變阻尼結(jié)構(gòu)氣彈簧是在氣彈簧缸筒上布置一道凸起的槽，活塞上無孔，液壓油比不可變阻尼結(jié)構(gòu)氣彈簧少，主要對活塞起潤滑作用。本文著重論述應(yīng)用范圍最廣的氣彈簧-自由型氣彈簧，它主要起支撐作用，只有最短和最長兩個靜態(tài)使用位置。

自由型氣彈簧一般由桿端連接件、密封/導向組件、油、壓力管、活塞桿、活塞組件、管端連接件、活塞系統(tǒng)、有桿腔、無桿腔和缸筒等組成，如圖1所示。

圖1 氣彈簧組成簡圖

1.3 氣彈簧的特點

1）氣彈簧工作過程比較穩(wěn)定，使用壽命長。

2）具有支撐、牽引、緩沖、減震、輕便、動態(tài)、可調(diào)整、消除噪音等功能。

3）氣彈簧可以提供精確的支撐力，并控制開啟速度及阻尼。它作為支撐部件被廣泛應(yīng)用于尾門和引擎蓋的重力平衡系統(tǒng)。

4）多樣化的尺寸與力值匹配、線性化的力值變化、根據(jù)應(yīng)用要求，可輸出持續(xù)遞增或遞減的支撐力、根據(jù)應(yīng)用要求，靈活的選擇動態(tài)或者定態(tài)阻尼、多樣化的末端安裝組件組合，實現(xiàn)快速簡易安裝需求、寬泛的應(yīng)用溫度范圍-40℃～80℃。

5）氣彈簧在專業(yè)生產(chǎn)廠家均按標準化和系列化設(shè)計，使用和維修也更加方便。

1.4 氣彈簧的工作原理

在密閉的活塞缸筒內(nèi)充入高壓氣體（一般為氮氣），兩邊氣體壓強作用在活塞面，由于兩邊壓強的不同以及有桿腔和無桿腔的截面積差，形成活塞桿輸出推力（即氣彈簧的支撐力）。在尾門開啟到一定角度后，氣彈簧的輸出力矩大于重力矩，可有效將尾門撐起,方便乘客的行李搬運，同時保證乘員安全。氮氣具有較理想的非線性彈性特征，在實現(xiàn)開啟和關(guān)閉的過程中比較平穩(wěn)。

氣彈簧的活塞缸筒中注入了少量的液壓油，液壓油起潤滑和阻尼作用。氣彈簧運行到行程末端,通過阻尼油或氣壓阻減速，防止尾門沖擊造成鉸鏈等部件承受過載力而受損壞。如下圖2所示,設(shè)（Fc為氣彈簧支撐力、N2為氮氣、Pgas為氣彈簧缸筒內(nèi)氣壓、Patmosphere為大氣壓，下式中簡寫為Patm；a為氣彈簧活塞桿直徑、A為氣彈簧缸筒直徑），在不考慮摩擦力情況下，根據(jù)氣彈簧左右兩邊壓力平衡原理，即可以推出Fc氣彈簧支撐力計算公式如下：

圖2 氣彈簧工作原理圖

Fc+Patm x a =［Pgas x A–Pgas x (A-a)］

Fc =［Pgas x A – Pgas x (A-a)］–Patm x a

Fc = (Pgas–Patm) x a

由于Patm為一定值，即一個標準大氣壓。1標準大氣壓=760毫米汞柱=1.0133 X 10的5次方帕＝0.10133MPa；一般情況下，氣彈簧可以充入12～15個氣壓，遠遠大于Patm,則Patm可以忽略不計。所以Fc = Pgas x a。

由公式Fc = Pgas x a可以看出，在使用工況輸出力的情況下，得知氣彈簧充氣量；所以可以得出氣彈簧支撐力Fc僅與桿徑a和充氣氣壓Pgas有關(guān)。

氣彈簧的力學特性曲線能夠較好的反應(yīng)氣彈簧在伸展和壓縮過程中力隨行程的變化，如圖3所示，其中F1為活塞桿伸展到距離其最大行程L時輸出力值，F(xiàn)2為活塞桿開始伸展行程L時輸出力值，F(xiàn)3為活塞桿開始壓縮行程L吋輸出力的值，F(xiàn)4為活塞桿壓縮距最大行程L時輸出力的值（測量值與行程L有關(guān)，當行程L小于等于80mm時，測量值=5mm；當行程L大于80mm時，測量值=10mm）。

圖3 氣彈簧力學特性圖

氣彈簧是采用高壓氣體為貯能介質(zhì)的封閉零件。氣彈簧缸筒為密封狀態(tài)，缸筒內(nèi)兩氣室相通，壓強相等。當關(guān)閉車門時，隨著活塞桿的壓入，氣室體積逐漸減小，壓強P逐漸增大，活塞桿的伸出力F也逐漸增大；開啟車門時，活塞桿伸出，氣室體積逐漸增大，壓強P逐漸減小，伸出力F也逐漸減小。受力面積S是恒定不變的，在實際生產(chǎn)中，環(huán)境溫度也是要求近似恒定的(20±2℃)，所以在具體運動中F與活塞行程L近似表現(xiàn)為一種線性關(guān)系。（如圖3所示）

2 氣彈簧的布置

2.1 氣彈簧的布置形式

氣彈簧在汽車尾門上的布置形式一般有挺舉式和翻轉(zhuǎn)式兩種。挺舉式是指氣彈簧的上安裝點在車門上，下安裝點在車身上，如圖4所示；車門在幵閉過程中活塞桿始終在活塞筒的下方，如圖4所示。此種布置形式的優(yōu)點就是在氣彈簧運行過程中其油液能夠較好的起到阻尼作用，且車門閉合時對鉸鏈的沖擊力較小。

圖4 氣彈簧挺舉式布置形式簡圖

圖5 挺舉式結(jié)構(gòu)氣彈簧運動示意圖

翻轉(zhuǎn)式布置指的是氣彈簧的上安裝點在車身上，下安裝點在車門上，尾門在開啟過程中，活塞桿由活塞筒的下方翻至活塞筒的上方，如圖6所示；采用此種布置形式，在尾門幵啟過程中氣彈簧位置會上下顛倒，油液流至活塞筒中間部位，導致運行速度減慢。在行程末端，油液從有桿腔流至無桿腔，氣彈簧運行速度會瞬間上升，導致尾門完全開啟時有較大的抖動，且影響鉸鏈安裝處的鈑金強度。

圖6 氣彈簧翻轉(zhuǎn)式布置形式簡圖

圖7 翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)氣彈簧運動示意圖

一般情況下氣彈簧的布置形式?jīng)]有特殊的要求，建議優(yōu)先選用挺舉式布置方案，但由于某些造型因素上的限制；氣彈簧布置空間、尾門開啟角度、人機工程等不能滿足的條件下可采用氣彈簧翻轉(zhuǎn)式布置方案，該方案較多地應(yīng)用在小型車上。

2.2 氣彈簧的布置安裝設(shè)計

2.2.1 尾門鉸鏈軸中心及空間校核

氣彈簧布置設(shè)計之前，尾門上兩個鉸鏈必須同軸，尾門在沿著鉸鏈軸轉(zhuǎn)動全過程中與車身周圍無干涉，且保留足夠的安全間隙，一般要求為8mm以上。另外，氣彈簧必須有足夠的安裝空間，能保證總裝線上的工人能夠方便地將氣彈簧安裝在車身上。如圖8所示：

圖8 翻轉(zhuǎn)式布置氣彈簧與周邊間隙示意圖

2.2.2 氣彈簧在尾門上安裝點的位置和尾門開啟角的確定

氣彈簧和安裝座通過帶有螺紋段的軸銷連接。氣彈簧的安裝點理論上是指氣彈簧兩端軸銷上球頭轉(zhuǎn)動中心。

在尾門關(guān)閉狀態(tài)下，氣彈簧安裝一般活塞筒處于上方，活塞桿處于下方。氣彈簧與門內(nèi)板連接由帶有螺紋段的球頭軸銷通過尾門內(nèi)板上安裝過孔安裝在尾門內(nèi)板上。在布置尾門上安裝點時要校核氣彈簧活塞外徑及氣彈簧運動的空間，保證尾門在開閉過程中與周邊不會出現(xiàn)干涉的情況。在安裝點處門內(nèi)板對應(yīng)的內(nèi)側(cè)通過加強螺母板來安裝氣彈簧。此處的安裝強度、尾門的剛度必須滿足氣彈簧最大受力狀況時的需求。氣彈簧在滿足尾門的開度下，盡量減小氣彈簧的支撐力，因為過大的支撐力會增加氣彈簧的制造成本以及尾門剛度要求。如圖9所示：

圖9 氣彈簧在尾門上安裝點的位置示意圖Design Guide = 1770 mm～1900mm Small car:1770mm

圖10 人機工程學校核

尾門的最大開啟角度是由總布置根據(jù)人機工程學分析來確定，以美國男性第95百分位的人體進行校核，該氣彈簧要能滿足尾門能停于最大開啟角度位置。如圖10所示：目前尾門幵到最大位置時車門下邊沿離地高度沒有法規(guī)規(guī)定。根據(jù)人站在地面上使用方便性，尾門開啟角度設(shè)計到開啟最大角度的位置時，尾門下部最低點高度應(yīng)在離地面1900mm以上，來確定尾門的開啟角度。這樣設(shè)計是基于既要考慮人的頭部不易碰到尾門下部最低點，又要照顧關(guān)門操作方便性要求。由于每種車型車身的高度與結(jié)構(gòu)不同，各車型尾門幵啟角度也不同，最主要的是在設(shè)計時必須保證尾門最大開啟角度小于鉸鏈能達到的最大開啟角度。

2.2.3 氣彈簧的有效行程及下安裝點的確定

有效行程是指氣彈簧在車門關(guān)閉至車門完全開啟時長度變化的尺寸。氣彈簧的有效行程通過計算得出，如圖11中，α為尾門初始位置至終止位置的開啟角度；A點為尾門鉸鏈轉(zhuǎn)軸中心；B點為尾門初始位氣彈簧上安裝點；C點為尾門終止位置氣彈簧上安裝點；D點為尾門氣彈簧的下安裝點。

發(fā)酵醬油指標檢測：全氮的測定參照GB/T 5009.5-2003；氨基酸態(tài)氮和總酸的測定采用電位滴定儀；L-谷氨酸的測定采用L-谷氨酸快速檢測試劑盒(德國R-Biopharm公司)。

圖11 氣彈簧運動示意圖

設(shè) AB=AC=c、BC=a、∠DBC=β，在三角形 ABC中，∠ABC由余弦定理可得：

設(shè) x為彈簧有效行程,n為彈簧兩端頭結(jié)構(gòu)占用長度之和，BD=x+n 則CD=2x+n，在三角形BCD中利用余弦定理得出：

上式中β、α已知，n值一般根據(jù)氣彈簧結(jié)構(gòu)不同取值范圍在90mm～120mm之間。代入各數(shù)據(jù)求出一元二次方程的有用根就是我們所求的氣彈簧的有效行程。由圖11可知，x+n就是初始狀態(tài)上安裝點至下安裝點的距離。在門上找到此點位置，即D點,并對型面做適當調(diào)整。當鉸鏈轉(zhuǎn)軸中心、上安裝點和下安裝點位于一條直線上時，此時氣彈簧的力臂為零，對尾門閉合不做貢獻。所以此位置稱作氣彈簧工作死點。實際操作時，B點應(yīng)該修正到A、D連線偏左1mm～2mm的位置，以防B點在尾門完全閉合之前成為氣彈簧工作死點的位置，從而提高尾門閉合的安全性。

3 氣彈簧設(shè)計計算

3.1 用數(shù)學模型計算氣彈簧的最小支撐力

氣彈簧的力學模型圖如圖12所示，在實際應(yīng)用過程中，為了確保氣彈簧能按照要求在最大開啟時完全支撐開尾門，F(xiàn)1一定要能滿足要求。F1為氣彈簧最小支撐力，G為尾門重力，L為尾門重心到鉸鏈中心的距離，b為氣彈簧伸展時桿臂的有效力臂，α為尾門開啟后與水平面夾角，a為重力臂，n為氣彈簧數(shù)量、通常取2，K為安全系數(shù)一般取1.1～1.2；根據(jù)力矩平衡原理，可以推出氣彈簧所需最小支撐力F1的計算公式，下式（3）：

圖12 氣彈簧力學模型圖

由圖12和力矩平衡原理得：F1 x b x n = G x a x K

由余弦函數(shù)得：a = L x cos a

則氣彈簧最小支撐力

3.2 尾門操作力的計算

當尾門在關(guān)閉狀態(tài)時，在把手處施加某力，確保車門打開通過平衡點，此時把手處的操作力為尾門開啟力；當尾門在開啟狀態(tài)時，在把手處施加某力，確保車門關(guān)閉通過平衡點，此時把手處的操作力為尾門關(guān)閉力。

圖13 尾門受力圖

尾門在開閉狀態(tài)下受力如圖13所示，設(shè)M為尾門重心到鉸鏈軸線的距離，R為氣彈簧下安裝點到鉸鏈軸線的距離，ω為尾門未過平衡點開啟的某一角度，pc為尾門開啟力，po為尾門關(guān)閉力，G為尾門重量，Rc為尾門關(guān)閉狀態(tài)下把手到鉸鏈軸線的距離，bc為尾門開啟ω角度吋至鉸鏈軸線距離,Fc為尾門開啟ω時氣彈簧內(nèi)部的支撐力，ac為尾門關(guān)閉狀態(tài)下氣彈簧到鉸鏈軸線的距離，Ro為尾門開啟狀態(tài)下把手到鉸鏈軸線的距離，bo為尾門開啟狀態(tài)下尾門重心到鉸鏈軸線的距離, FO為尾門完全打開時撐桿內(nèi)部的支撐力，ao為尾門開啟狀態(tài)下氣彈簧到鉸鏈軸線的距離，α為尾門開啟ω角度時與氣彈簧的夾角，β為尾門完全開啟時與氣彈簧的夾角，φ為尾門開啟ω角度與尾門完全幵啟時的夾角。

根據(jù)力矩平衡原理得①②兩等式：

①當尾門完全關(guān)閉狀態(tài)時氣彈簧的支撐力由下等式可以推出

②當尾門完全開啟狀態(tài)時氣彈簧的支撐力由下等式可以推出

根據(jù)圖13，尾門受力圖和三角函數(shù)公式可以推出③④⑤⑥四等式

由①②③④⑤⑥六個等式可以推出：

則：尾門開啟力Pc =［M x G x sinω–2Fc x（R x sinα）］/ Rc

尾門關(guān)閉力Po =［2Fo x R x sinβ–M x sin（φ+ω-90）x G］/ Ro

圖14 某車開關(guān)門力示意圖

圖15 常溫下操作力計算結(jié)果

以下是某車開關(guān)門力示意圖，如圖14所示，車門開啟角度為78°，將選取其中10個角度作為操作力的計算點，根據(jù)尾門操作力的計算公式，常溫下得出操作力如圖15所示，繪制出常溫下操作力隨開啟角度變化的曲線如圖16所示。

圖16 常溫下操作力隨不同角度的變化曲線

由于氣彈簧受溫度的影響較大，根據(jù)經(jīng)驗值及試驗結(jié)果，溫度每增加或減小 1°，其氣彈簧最小支撐力相應(yīng)的變化 3‰～5‰，氣彈簧一般的使用溫度是-40℃～80℃，溫度變化大，故對氣彈簧的操作力產(chǎn)生較大的影響。所以在計算操作力的時候,應(yīng)考慮在不同溫度下消費者的操作感受。圖17和圖19是氣彈簧在低溫（-40℃）和高溫（80℃）下的計算操作力的計算結(jié)果，并繪制出低高溫下操作力隨開啟角度變化的曲線如圖18和圖20所示。

圖17 低溫下操作力計算結(jié)果

圖18 低溫下操作力隨不同角度的變化曲線

圖19 高溫下操作力計算結(jié)果

圖20 高溫下操作力隨不同角度的變化曲線

綜合上述高低溫和常溫三種溫度下操作力的計算結(jié)果得出如下組合變化曲線，如下圖21所示：

圖21 高低溫和常溫三種溫度下操作力隨不同角度的變化曲線

4 結(jié)論

本文通過結(jié)合物理學中的力矩平衡原理對自由型氣彈簧固有特性進行詳細的分析，并考慮在環(huán)境溫度對氣彈簧固有特性的影響下，對汽車尾門氣彈簧的布置及設(shè)計計算過程做了詳細的分析，論述了氣彈簧正向布置設(shè)計的思路及方法，打破了以前逆向設(shè)計或?qū)嵻嚻ヅ涞脑O(shè)計方法，使產(chǎn)品設(shè)計更加科學化。而且在設(shè)計階段通過力值的分析就能進行氣彈簧的可行性分析，提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。本文可為其他車型氣彈簧的正向設(shè)計與布置提供參考。