氣彈簧在壁床中的選型設(shè)計(jì)

摘 ? 要： 隨著空間充分利用、合理收納理念興起，能夠充分優(yōu)化利用房屋空間的壁床受到關(guān)注。氣彈簧是壁床上一個(gè)非常關(guān)鍵的啟閉五金件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量較大程度上影響壁床的使用舒適度、收放利用壽命等。從氣彈簧安裝點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和雙向阻尼功能設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，對(duì)氣彈簧進(jìn)行選型設(shè)計(jì);優(yōu)化安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)，以直翻壁床為例，建立坐標(biāo)系，構(gòu)建壁床力學(xué)模型，研討不同壁床開啟、關(guān)閉角度下的手部操作力，減輕壁床開啟時(shí)的手部操作力;強(qiáng)化雙向阻尼功能設(shè)計(jì)，對(duì)氣彈簧進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，加裝機(jī)械彈簧和阻尼片，避免壁床關(guān)閉時(shí)的打板現(xiàn)象。優(yōu)化后，壁床使用者的便利性、舒適性、安全性得到提升，為氣彈簧應(yīng)用于壁床時(shí)的選型設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞： 氣彈簧;壁床;安裝點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì);雙向阻尼;手部操作力;打板

中圖分類號(hào)：TH135 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 04-030-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.005

引言

當(dāng)前，房屋空間充分利用成為一種時(shí)尚，也是一種需求[1]。壁床具有隱藏式床體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[2]，能夠充分優(yōu)化利用房屋空間，越來越受到人們的歡迎[3]。

然而，目前市面上大部分壁床使用體驗(yàn)不夠好，其主要原因是氣彈簧選型不夠優(yōu)化[4]。氣彈簧是壁床上一個(gè)非常關(guān)鍵的啟閉五金件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量能夠較大程度上影響壁床的使用舒適度[5-6]。本文從氣彈簧安裝點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和雙向阻尼功能設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，對(duì)氣彈簧進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，以提升壁床使用者的安全和舒適體驗(yàn)。

1 ?氣彈簧安裝點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 ?結(jié)構(gòu)分析

目前市面上壁床有直翻和側(cè)翻兩類[7]。直翻壁床以床體的長度作為翻轉(zhuǎn)半徑，床體的重心產(chǎn)生的力矩較大，所需氣彈簧支撐力矩也大。側(cè)翻壁床以床體的寬度作為翻轉(zhuǎn)半徑，床體的重心產(chǎn)生的力矩較小，所需氣彈簧支撐力矩也小。

本文以直翻壁床為研究對(duì)象，氣彈簧受限于壁床的整體設(shè)計(jì)厚度，氣彈簧的力臂較小，所以要求氣彈簧的支撐力較大。直翻壁床又分為輕型床和重型床，輕型床大多是寬度為1.3 m、長度為1.8 m的床體，重型床大多是寬度為1.5 m、長度為2 m的床體。本次選型以1.5 m×2 m的重型床為例，該床體的床架、床墊質(zhì)量總計(jì)大約100 kg。床的關(guān)閉點(diǎn)以最外床沿處為著力點(diǎn);床的開啟點(diǎn)不宜太高，在1.5～1.7 m較為合適。收納床體的框架應(yīng)該做得盡量薄，減少室內(nèi)占用空間，寬度為0.3～0.4 m一般較為合適。綜上，除了氣彈簧的安裝點(diǎn)選擇較為自由，其他的關(guān)鍵點(diǎn)均受到較大限制。本文以鉸鏈原點(diǎn)為（0， 0）點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。

1.2 ?手部操作力計(jì)算

根據(jù)氣彈簧的力值特性，假定氣彈簧彈伸到最長位置預(yù)壓縮5 mm處的力值為F1，壓縮到最短位置預(yù)彈伸5 mm處的力值為F2，如圖1所示。

假設(shè)氣彈簧行程為，則可計(jì)算出任意彈伸時(shí)行程下的氣彈簧彈力為

（1）

根據(jù)圖2所示的壁床簡易模型，構(gòu)建如圖3所示的壁床力學(xué)模型。

根據(jù)力臂平衡原理

（2）

壁床關(guān)閉過程中，

（3）

（4）

開啟過程中，

（5）

（6）

式（3）～（6）中，n為氣彈簧數(shù)量，暫定為2;W為床體質(zhì)量;FH為手關(guān)閉力;FH'為手開啟力;ξ為溫度對(duì)氣彈簧力值的影響系數(shù);Li-j為點(diǎn)i和j之間的長度;是壁床的任意開啟角度。

此外，在氣彈簧的安裝點(diǎn)中，04點(diǎn)是固定點(diǎn)，03點(diǎn)繞著01點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，所以在運(yùn)動(dòng)過程中L1-3和L1-4長度不變。根據(jù)余弦定理，可計(jì)算氣彈簧的彈伸長度，即

（7）

（8）

（9）

式（8）中，是壁床完全開啟后L1-3和L1-4的夾角。

聯(lián)合式（1）～（9），可以得到壁床開啟和關(guān)閉時(shí)手部操作力公式分別為

（10）

（11）

根據(jù)式（10）～（11），得到如圖4所示的手部操作力曲線圖，其中包括低溫、常溫、高溫三種情況。實(shí)線為壁床關(guān)閉曲線，即床體上翻，角度從0°到90°;虛線為壁床開啟曲線，即床體下落，角度從90°到0°。

1.3 ?力值選擇

根據(jù)式（10）～（11）可得到手部操作力隨著壁床開啟或關(guān)閉角度的變化而變化的情況：

在壁床開啟過程中，隨著床體的下落，氣彈簧逐漸壓縮，氣彈簧提供的力值逐漸增大，提供的順時(shí)針力矩變大，到壁床完全開啟后，達(dá)到最大壓縮量，即行程用完，此時(shí)氣彈簧力和提供的力矩最大。在這個(gè)過程中，需要注意氣彈簧力值和重力的平衡關(guān)系，以使手部操作力適中。如果氣彈簧力值過大，則手部操作力就會(huì)很大;如果氣彈簧力值太小，床體下落的速度會(huì)很快，甚至直接砸到地面。

同理，在壁床關(guān)閉過程中，隨著床體的翻起，氣彈簧是逐漸彈伸的，氣彈簧提供的力值逐漸變小，提供的順時(shí)針力矩也會(huì)變小。如果氣彈簧力值過大，則閉合時(shí)會(huì)造成床體與豎直床架打板;反之，會(huì)增加壁床開啟過程中手部操作力。

基于如上描述的力值選擇矛盾點(diǎn)，需要特別關(guān)注氣彈簧力值曲線圖的繪制。

在合理的F1范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)增加氣彈簧的彈性系數(shù)X（F2與F1的比值），使壁床開啟過程中，手脫離后，壁床最后能緩慢落地。在這一過程中F2的值應(yīng)當(dāng)盡量大，使氣彈簧逆時(shí)針力矩能抵消壁床框架下落產(chǎn)生的逐漸增加的重力順時(shí)針力矩。最有效的途徑是在氣彈簧中注入更多的液壓油，以增強(qiáng)彈性系數(shù)。注入液壓油后，如果彈性系數(shù)仍然較小，則需要在氣彈簧壓力管端加一個(gè)機(jī)械彈簧，該機(jī)械彈簧的彈性系數(shù)可處于一個(gè)合理范圍，以實(shí)現(xiàn)選型中需要的氣彈簧力值變化。如圖5所示，以橫坐標(biāo)為行程，縱坐標(biāo)為氣彈簧力值，那么s3點(diǎn)即為氣彈簧內(nèi)部活塞接觸到機(jī)械彈簧后產(chǎn)生的力值變化起始點(diǎn)。

2 ?氣彈簧雙向阻尼功能設(shè)計(jì)

首先，在氣彈簧彈伸方向，需要有強(qiáng)大的阻尼功能，才能使壁床在關(guān)閉過程中不會(huì)發(fā)生打板現(xiàn)象。如圖6所示，在氣彈簧內(nèi)部，靠近活塞桿端加裝機(jī)械彈簧（序號(hào)03）和阻尼片（序號(hào)02）。當(dāng)內(nèi)部活塞組件到達(dá)阻尼區(qū)時(shí)，阻尼片受到機(jī)械彈簧的支撐力，不再與活塞組件有間隙，此時(shí)氣體只能通過阻尼片的較小孔徑流通到另一側(cè)，從而形成較強(qiáng)阻尼。

同時(shí)，在活塞組件的模塊上加裝壓縮方向的阻尼片（序號(hào)01），氣彈簧壓縮后，氣體也需要經(jīng)過該阻尼片的孔徑流通到另一側(cè)，但是該壓縮阻尼不大。當(dāng)壁床完全打開，氣彈簧壓縮到最短的時(shí)候，力值平衡，壁床緩慢下落。

根據(jù)第1章的思路，如果床體質(zhì)量為70～120 kg，那么壁床安裝點(diǎn)得以優(yōu)化后，F(xiàn)1為800～2 000 N。對(duì)于較大力值，彈伸阻尼效果不強(qiáng)，所以在選型時(shí)，應(yīng)使得F1盡量小，使壁床在關(guān)閉的最后階段不會(huì)因?yàn)閺椛旆较蜃枘崛醵l(fā)生對(duì)墻壁的打板現(xiàn)象。

3 ?結(jié)論與討論

本文從氣彈簧安裝點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和雙向阻尼功能設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，對(duì)氣彈簧進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。本文只是針對(duì)普通氣彈簧應(yīng)用于壁床時(shí)該如何選型進(jìn)行了一些注意事項(xiàng)層面的分析說明，所代表的是普遍性，不專門針對(duì)氣彈簧的特殊應(yīng)用。

在選型過程中需要注意每個(gè)廠家氣彈簧的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是不一樣的，氣彈簧的固有參數(shù)，如彈性系數(shù)、總長和行程等都是有范圍的，對(duì)阻尼功能等進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意參數(shù)的可實(shí)現(xiàn)性，否則可能設(shè)計(jì)出自相矛盾的設(shè)計(jì)方案。

同時(shí)，固有參數(shù)的特定范圍恰恰體現(xiàn)了安裝點(diǎn)選擇的重要性。通過本文的研究，良好的氣彈簧和床架安裝點(diǎn)設(shè)置，合理的力值、彈性系數(shù)選擇能有效提高壁床的使用手感，使開啟、關(guān)閉壁床過程中手部操作力合適，上翻、下翻過程中速度感覺良好，阻尼合適。對(duì)壁床使用者減輕操作力、提升手感體驗(yàn)等具有重要意義，需要在壁床選型設(shè)計(jì)中充分重視。

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作者簡介：

張徐前（1988—），通信作者，男，機(jī)械工程師。研究方向：氣彈簧應(yīng)用。

E-mail： 742739443@qq.com

（收稿日期：2020-05-14）

Selection and Design of Gas Spring in Wall Bed

ZHANG Xu-qian

（Stabilus （Shanghai） Mechanical and Electrical Technology Service Co.， Ltd.， Shanghai 201203， China）

Abstract： With the emerge of concepts including full use of space and reasonable storage， more and more attention has been paid to the wall bed which can make full use of the housing space. Air spring is a very important opening and closing hardware of the wall bed， its design quality greatly affects the comfort and service life of the wall bed. From two aspects of the design of the gas spring， namely， the installation point optimal design and the bidirectional damping function design， the gas spring is selected and designed. In the optimization of the installation point optimal design， the straight wall bed is taken as an example， the coordinate system is established， and the mechanical model of the wall bed is built， to discuss the hand operation force under different opening and closing angles of the wall bed， which reduces the hand operation force when the wall bed is opened; in the enhancement of the bidirectional damping function design， the structural transformation of the air spring is carried out， and the mechanical spring and damping sheets are installed to avoid the phenomenon of board beating when the wall bed is closed. After optimization， the convenience， comfort and safety of users of the wall bed are improved， providing a design idea for the selection and design of air spring when it is applied to the wall bed.

Key words： Gas Spring; Wall Bed; Installation Point Optimal Design; Bidirectional Damping; Hand Operation Force; Board Beating