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(xué)特性及在汽車舉升門上氣彈簧的力值變化，并結(jié)合用戶對(duì)汽車舉升門的要求，對(duì)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(jìn)行了深入的分析和探討，同時(shí)以杠桿原理為理論基礎(chǔ)，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(chǔ)，可在設(shè)計(jì)階段縮短布置氣彈簧的時(shí)間，同時(shí)提高布置氣彈簧的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】舉升門；氣彈簧；杠桿原理；基本特性

【中圖分類號(hào)】U463 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）04-0051-04

氣彈簧在汽車領(lǐng)域應(yīng)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?dú)猓┘吧倭孔枘嵊停诠ぷ鲿r(shí)內(nèi)部具有緩沖機(jī)構(gòu)，避免了止位的沖擊。使用時(shí)，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(diǎn)[1]。氣彈簧是指由一個(gè)密閉缸筒和可以在缸筒內(nèi)滑動(dòng)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(jī)構(gòu)，起支撐、緩沖、制動(dòng)、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(guān)閉力值都是通過氣彈簧來實(shí)現(xiàn)，而氣彈簧的布置又起到確定性的作用，因此對(duì)氣彈簧在舉升門中的布置進(jìn)行研究很有意義。

1 氣彈簧的力學(xué)特性

在密閉的壓力缸內(nèi)充入高壓惰性氣體（氮?dú)猓┗蛘哂蜌饣旌衔?，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(shí)現(xiàn)活塞桿的運(yùn)動(dòng)（如圖1所示）。

當(dāng)溫度恒定時(shí)，氣彈簧的彈力△F=F 2-F1-f（F1為拉伸到測(cè)量點(diǎn)時(shí)的彈力；F 2為壓縮到測(cè)量點(diǎn)時(shí)的彈力；f為活塞與缸筒的動(dòng)摩擦力，如圖2所示）。

當(dāng)氣彈簧被壓縮時(shí)，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(shí)彈力逐漸增大。類似于機(jī)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(guān)閉力減??；高溫下，開啟力減小，關(guān)閉力增加。

氣彈簧在舉升門系統(tǒng)中的力學(xué)模型（整車坐標(biāo)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(diǎn)；B為舉升門關(guān)閉時(shí)，氣彈簧舉升門上安裝點(diǎn)；C為舉升門完全開啟時(shí)，氣彈簧舉升門上安裝點(diǎn)；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(shè)OE長(zhǎng)度=k；φ為舉升門關(guān)閉時(shí)，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(yàn)證，假定B點(diǎn)不動(dòng)，A點(diǎn)距O點(diǎn)的距離越大F越??；假定OA長(zhǎng)度不變，A點(diǎn)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后使A點(diǎn)距OB的距離增大則F增大，故得出OA的長(zhǎng)度及AB的延長(zhǎng)線到O點(diǎn)的距離跟F有密切關(guān)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(zhǎng)線到O點(diǎn)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(fēng)格，B點(diǎn)的位置距舉升門下端分縫的距離應(yīng)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(guān)閉舉升門，需滿足在不同的溫度環(huán)境下適當(dāng)?shù)谋３至?、開門力、關(guān)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(guān)閉力

關(guān)閉力亦稱低溫保持力，即氣彈簧在低溫時(shí)處于最大伸長(zhǎng)長(zhǎng)度時(shí)關(guān)閉舉升門的瞬間力值。若此力值過小，勢(shì)必導(dǎo)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(shí)達(dá)到相對(duì)平衡，而此時(shí)舉升門的開啟高度必然比設(shè)計(jì)時(shí)的開啟高度低很多，造成乘員或貨物進(jìn)出舉升門不便，從而導(dǎo)致用戶不滿及抱怨。若此力值過大，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致F1、各溫度下的開啟力、關(guān)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(duì)設(shè)計(jì)布置、成本、感知等均會(huì)帶來不利的影響。低溫關(guān)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(gè)，此特性可以直觀判斷氣彈簧是否失效。經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在舉升門系統(tǒng)中，低溫關(guān)閉力建議不小于20 N。

2.2 “hump”現(xiàn)象

“hump”即凸起，針對(duì)氣彈簧而言是指同一溫度下最大關(guān)閉力與初始關(guān)閉力的差值，在實(shí)際操作中可視為關(guān)門瞬時(shí)所需的力與關(guān)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(guān)門的初始瞬間到舉升門平衡角度的過程中，所需使用的關(guān)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(shè)計(jì)中是不允許出現(xiàn)“hump”現(xiàn)象的，即用戶在關(guān)門初始瞬間所使用的力值無需再增大，門就能夠輕松地關(guān)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(guān)閉力

初始開啟力即氣彈簧在常溫時(shí)處于最小伸長(zhǎng)長(zhǎng)度時(shí)開啟舉升門的瞬間力值；初始關(guān)閉力即氣彈簧在常溫時(shí)處于最大伸長(zhǎng)長(zhǎng)度時(shí)關(guān)閉舉升門的瞬間力值。初始開啟力及關(guān)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(dá)平衡角度時(shí)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(dá)平衡角度時(shí)的開啟速過慢、門自關(guān)效果差等問題引起用戶不滿。此外，開啟力設(shè)計(jì)過小時(shí)會(huì)造成初始關(guān)門力增大。關(guān)閉力過大，易造成用戶關(guān)門困難，使車輛操作舒適感下降。對(duì)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(fēng)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(huì)大于25 kg，建議開啟力控制在（60±10）N，關(guān)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(duì)平衡時(shí)的角度，即圖5所示的力值曲線與O線的交點(diǎn)所處的角度。此特性與人機(jī)工程相關(guān)，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(guān)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(huì)降低。在舉升門系統(tǒng)中，常溫時(shí)的平衡角度建議控制在13°～20°，平衡角度的基準(zhǔn)是舉升門設(shè)計(jì)關(guān)閉狀態(tài)。

2.5 F 1力值

由于力的作用與反作用效應(yīng)，氣彈簧能夠提供的支撐力（F 1）會(huì)作用在固定氣彈簧的安裝點(diǎn)上，若此力值過小，勢(shì)必導(dǎo)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(huì)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(shí)達(dá)到相對(duì)平衡，而此時(shí)舉升門的開啟高度必然比設(shè)計(jì)時(shí)的開啟高度低，造成乘員或貨物進(jìn)出舉升門不便，從而導(dǎo)致用戶不滿及抱怨；若此力值過大，各溫度下的開啟力和關(guān)閉力會(huì)增大。同一尺寸型號(hào)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(shè)計(jì)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(huì)直接影響到各溫度狀態(tài)下的開啟、關(guān)閉力值及其他性能指標(biāo)，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(duì)舉升門氣彈簧的支撐力及其安裝點(diǎn)布置分析后，選擇合適的氣彈簧型號(hào)（鋼筒尺寸及活塞桿尺寸）及F 1力值，初始設(shè)計(jì)時(shí)所測(cè)得的零件重量（按均勻厚度計(jì)算）信息未考慮零件板材制造時(shí)減薄、疊料及制造誤差等因素，測(cè)量所得的舉升門重量信息及重心坐標(biāo)與實(shí)際生產(chǎn)出來的產(chǎn)品會(huì)有所偏差，故在制作氣彈簧樣件時(shí)，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(jìn)行氣彈簧子系統(tǒng)試驗(yàn)及舉升門子系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)。在試驗(yàn)完成后，滿足試驗(yàn)要求的最小F 1力值定為F 1的最終力值。

3 總結(jié)

本文介紹了氣彈簧的力學(xué)特性，基于杠桿原理對(duì)氣彈簧在舉升門的開啟和關(guān)閉過程的力學(xué)進(jìn)行理論分析，并結(jié)合多個(gè)車型項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)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(guān)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)上布置氣彈簧的時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)保證了氣彈簧布置的準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)氣彈簧布置過程中的返工，滿足用戶對(duì)舉升門開啟力、關(guān)閉力等相關(guān)性能的要求。由于不同的氣彈簧供應(yīng)商在氣彈簧結(jié)構(gòu)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(yīng)商同步進(jìn)行，可有效地避免不可行布置方案所帶來的大量重復(fù)工作，為項(xiàng)目開發(fā)節(jié)省時(shí)間。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]韋學(xué)軍，許文光.微型客車尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)簡(jiǎn)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(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2014（6）.

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

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡(jiǎn)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(shù)中心車門工程師，從事車門設(shè)計(jì)工作；彭子棟，男，湖南瀏陽(yáng)人，學(xué)士，上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心車門工程師，從事車門相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù)中心車門工程師，從事車門相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。