楊保成，糜澤陽，焦洪宇

（常熟理工學院汽車工程學院，江蘇 常熟 215500）

SUV后背門氣動撐桿的設計

楊保成，糜澤陽，焦洪宇

（常熟理工學院汽車工程學院，江蘇 常熟 215500）

從氣動撐桿工作的基本原理出發(fā)，對氣動撐桿的設計布置進行了研究，利用MATLAB軟件對氣動撐桿在后背門上的安裝位置進行優(yōu)化計算，尋找出了優(yōu)化布置方案.根據選定的參數，對氣動撐桿的結構尺寸進行了設計，設計過程中采用力矩平衡原理，對氣動撐桿運動過程中的受力進行了詳細分析.同時對MATLAB軟件導出的數據和力矩圖像分析，發(fā)現(xiàn)設計與優(yōu)化結果符合人機工程學要求.通過對氣動撐桿的設計與優(yōu)化布置，完成了后背門的平穩(wěn)開閉和人手的輕松輔助.為氣動撐桿的選型與設計提供了理論參考，也提高了后背門總成的開發(fā)設計效率.

氣動撐桿；優(yōu)化布置；MATLAB；力矩平衡

隨著汽車產業(yè)的發(fā)展，人們不僅對車身造型的美觀有一定要求，對車身各部件的安全性要求也逐漸提高.在后背門開啟助力機構中氣動撐桿又稱為氣彈簧（下稱“氣彈簧”），與其他彈簧比較，氣彈簧具備很多優(yōu)點，例如：尺寸小、安裝便利、可靠性高，可在-35～70℃范圍內工作，彈性性能受溫度影響小等特點［1］，因此在各種機械結構中被廣泛運用.同時，在后背門開啟關閉過程中，氣彈簧拉伸壓縮動作緩慢，具有較高的安全性，不會對人造成傷害.

氣彈簧是SUV后背門設計中的重要部件，通過對后背門氣動撐桿的參數設計，可以優(yōu)化氣動撐桿的結構參數，有效提高撐桿的強度.合理布置氣動撐桿的安裝位置，可以改善空間不足、受力不均帶來的安裝問題，可以有效利用撐桿的工作行程，保證后背門的最佳開啟角度，對后背門總成設計安裝具有重要作用，并且對于實際的生產實踐也具有重要的參考價值.但在氣彈簧設計過程中，設計人員大都采用逆向設計的方法，因此設計過程并不是十分嚴謹，如氣彈簧選型參數過大，則會導致運動干涉、鉸接點不合理、氣彈簧內部支撐力過大、浪費力矩等弊端，這些都會使氣彈簧的使用壽命降低，而且浪費成本［2］.為此，本文以普通SUV后背門氣動撐桿設計為例，利用MATLAB軟件對設計過程中氣動撐桿在后背門上的安裝位置進行優(yōu)化布置.

1 氣彈簧的結構及工作原理

氣彈簧一般由活塞桿、活塞、缸筒、導向套、閥體以及兩端的接頭組成.氣彈簧的工作原理如圖1所示.其內部充有高壓氣體，由于在活塞內部設有通孔，活塞兩端氣體壓力相等，而活塞兩側的截面積不同，在氣體壓力作用下，產生向截面積小的一側的壓力，即氣彈簧的彈力F.這個彈力會對后背門產生力矩，使后背門平穩(wěn)開啟，再利用活塞桿的最大行程來限制后背門的最大開度.

2 氣彈簧的選型與安裝形式

氣彈簧包括自由型氣彈簧、自鎖式氣彈簧、隨意停氣彈簧、氣壓棒、阻尼器等類型.SUV后背門在開啟關閉過程中，氣動撐桿只需要有恒定的彈力，能起支撐作用即可，故選擇自由型氣彈簧支撐桿.

氣彈簧在汽車后背門上主要有挺舉式和翻轉式兩種安裝形式.翻轉式安裝適用于后背門質量較輕或者氣彈簧受力較小的情況，而挺舉式可以承受較大的后背門質量.若后背門質量較重，仍采用翻轉式安裝，那么要達到挺舉式安裝時的力矩，則要提高氣彈簧的彈力，這必然導致氣彈簧缸筒內將要充入更加高壓的氣體，這對氣彈簧密封性的要求將大大提高，使用壽命也會受到影響；同時，過大的彈力也使氣彈簧的選材要求更高.故挺舉式安裝的優(yōu)點多于翻轉式安裝，所以選擇挺舉式安裝.

氣彈簧活塞桿在后背門開閉機構中宜采用向下位置的安裝形式，這樣的安裝形式可以減小摩擦并且保證最好的阻尼質量和緩沖性能［3］.在陰雨天氣還可以防水，防止氣動撐桿滲水失效.安裝簡圖如圖2所示.

圖1 氣彈簧工作原理

圖2 挺舉式后背門氣動撐桿

3 氣彈簧的設計要求

（1）氣彈簧的伸展壓縮過程平穩(wěn)，不能發(fā)生氣阻現(xiàn)象，且后背門開啟過程中不能有過大的抖動.

（2）氣彈簧的設計行程要能保證后背門的開度符合人機工程學要求.

（3）后背門鎖開啟后，后背門應在氣彈簧的力矩作用下自動打開一個角度，根據人機工程學要求，這個角度大約為30°.

（4）氣彈簧的彈力要設計合理，確保人關閉后背門時的操作力不能過大.

4 后背門開啟時的運動及受力分析

4.1 運動狀態(tài)

由于后背門厚度及撐桿厚度相對于后背門長度來說，尺寸太小對后背門運動狀態(tài)幾乎沒有影響，故可忽略不計.為了更加清晰地分析后背門的運動狀態(tài)，可以將后背門及氣動撐桿簡化為如圖2所示的平面運動機構.

圖中A為鉸鏈中心，B為后背門關閉狀態(tài)時的下邊沿，D為氣動撐桿的下安裝點，后背門開啟過程中C點的位置點如圖3中C1，C2，C3所示，其中C1為后背門閉合時氣動撐桿的上安裝點［1］，C2為撐桿力矩與后背門重力矩相等的點，C3為后背門開啟到極限位置時氣彈簧的上安裝所在的位置，后背門的質心位置為點M.

4.2 受力分析

在后背門的開關過程中，會受到氣彈簧的彈力F，鉸鏈中心A的反向摩擦力以及后背門本身的重力G.這3個力都會產生影響后背門運動的力矩，由于鉸鏈中心A的反力的作用力矩為0，可忽略不計.后背門在運動過程中沒有受到側向力的影響，故可以簡化為平面受力分析［4］，如圖4所示.

圖3 后背門運動狀態(tài)

圖4 后背門受力分析

5 數值仿真計算

5.1 參數的選取

后背門開啟和關閉時，氣彈簧的上安裝點C和后背門質心M繞A點作圓周運動.AC1與鉛直方向的夾角為α=28.13°，后背門最大開度β=80°，設后背門開啟角度為θ，即∠CAD=θ，OA=990 mm，OB=530 mm，AB= 1124 mm，后背門質心位置AM=760 mm，AC=a，AD=b，CD=c.普通SUV后背門總成的質量可取為26 kg，即G=260 N.

5.2 MATLAB仿真計算

氣動撐桿長度可在三角形ACD中通過余弦定理［2］求得氣動撐桿的力臂d可通過三角形面積求得撐桿力F和重力G對后背門的力矩隨開關過程中θ角的變化而變化.據此可以將氣動撐桿力矩表示為后背門重力矩表示為氣動撐桿的數量是n=2，安全系數K=1.1，則根據力矩平衡原理得，將已知數據代入得

用MATLAB建立數學模型，轉化為求解多變量非線性最優(yōu)化問題，約束條件如下：

為了簡化程序的編寫，將變量a，b，θ分別用χ1，χ2，χ3替代，再寫出MATLAB程序來表達該數學模型.運行該程序之后，MATLAB軟件會取遍約束條件中的所有點進行計算，輸出最優(yōu)化的計算結果如下：

從MATLAB運算結果可以得知，當氣動撐桿的安裝位置越靠近后背門下邊緣，氣動撐桿受到的力F就越小.在極限位置a，b同時取得最大值時，撐桿力F取得最小值.

5.3 氣動撐桿下安裝點的確定

氣動撐桿下安裝點即氣彈簧在車身側圍上的安裝點.根據MATLAB計算結果，再綜合考慮實際問題，由于受后背門上尾燈布置的影響，為了不發(fā)生運動干涉，氣動撐桿下安裝點應盡量靠下，至少距離后背門下邊緣300 mm，這里初選BD=324 mm，即AD=b=800 mm.

5.4 氣動撐桿上安裝點的確定

氣動撐桿的上安裝點即撐桿頂部在后背門上的固定點.根據氣彈簧設計手冊，設X為氣彈簧的有效行程，則氣彈簧的初始長度為Χ+100(mm)，即C1D=Χ+100(mm).那么AC=800-(Χ+100)=700-Χ(mm).當后背門開度達到最大時，氣彈簧達到最大行程，即C3D=2Χ+100(mm).在三角形ADC3中，由余弦定理得(2Χ+100)2=(700-Χ)2+8002-2×800×(700-Χ)COS80，解得氣彈簧有效行程Χ=357 mm，所以氣彈簧初始長度為457 mm，則a=343 mm.

5.5 氣動撐桿支撐力的確定

當后背門的門鎖打開后，后背門會在氣動撐桿的彈力作用下自動打開一個角度，這個角度所對應的點就是氣動撐桿力矩與后背門重力矩的平衡點［6-7］.根據人機工程學要求，這個角度可取為30°，即后背門自動開啟的高度大約到人的腰部，這樣人可以更加方便地拉動車門.根據θ=30°時的力矩平衡列出方程

5.6 后背門開啟角度與人施力關系

使用MATLAB的plot命令，輸出氣動撐桿支撐力矩、重力矩與后背門開啟角度變化的關系曲線（圖5）以及人力與后背門開啟角度變化的關系曲線（圖6）.

從圖5、圖6可看出，后背門開啟角度小于30°的范圍內，重力矩大于氣彈簧支撐力矩，后背門在這兩個力矩作用下，有關閉的趨勢，可防止后背門自動打開.在后背門開啟30°附近，后背門處于懸停狀態(tài)，人手可輕松實現(xiàn)開啟或關閉.隨著后背門開度的增大，人手所需要施加的力逐漸減小，符合人機工程學的要求.當后背門的開啟角度大于30°后，隨著開啟角度的增大，氣彈簧的支撐力矩和重力矩的合力距逐漸減小，后背門的開啟速度也會慢慢降低，這樣就避免了后背門開啟到行程末端時與汽車頂蓋的剛性撞擊，有利于提高氣彈簧和后背門鉸鏈的使用壽命.

圖5 支撐力矩和重力矩與后背門開啟角度變化的關系

6 結論

（1）建立了數學模型，由MATLAB運算的結果可以得知，當氣動撐桿的安裝位置越靠近后背門下邊緣，氣動撐桿受到的力越小.

（2）應用MATLAB軟件對SUV后背門氣彈簧的布置進行了分析.在后背門開啟30°左右后，隨著后背門開度的增大，人手所需要施加的力會逐漸減小，符合人機工程學的要求.

本設計的計算過程并不復雜，原理也較簡單，但優(yōu)化布置過程中變量較多，通過MATLAB軟件優(yōu)化的算法和強大的計算能力，很好地解決了計算問題.可為其他車型后背門氣彈簧的優(yōu)化布置與設計提供參考.

圖6 人所施加的力與后背門開啟角度變化的關系

［1］周利民，班正逸，劉少峰.后背門氣彈簧設計探析［J］.汽車實用技術，2013（11）：70-75.

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［6］LEE S J.Development and analysis of an air spring model［J］.International Journal of Automotive Technology,2010(4):471-479.

［7］LI X B,TIAN L.Research on Vertical Stiffness of Belted Air Springs［J］.Vehicle System Dynamics,2013(11):1655-1673.

The Design of SUV Back Door Pneumatic Struts

YANG Baocheng,MI Zeyang,JIAO Hongyu
(School of Automotive Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Starting from the basic working principle of pneumatic struts,the authors of this paper studied the design and layout of the pneumatic strut,used the MATLAB software to calculate the position of the pneumatic strut on the back door with optimization calculation and found out the optimal layout scheme.According to the selected parameters,the structure of the pneumatic strut was designed.In the design process,the principle of the moment balance was used to analyze the stress in the movement process of the pneumatic strut in detail.At the same time,the data and moment images were analyzed and it was found that the results of design and optimization met the requirements of ergonomics.The design and optimal layout of the pneumatic strut enable the back door to open and close steadily with easy assistance by the staff,which not only provides a theoretical reference for the selection and design of pneumatic struts,but also improves the back door assembly development and design efficiency.

pneumatic strut;optimal layout;MATLAB;moment balance

U463.92+9；TH123+.1

A

1008-2794（2017）02-0022-04

2016-10-19

國家自然科學基金“結構周期性布局優(yōu)化理論與方法研究”（51605046）

楊保成，副教授，碩士，研究方向：汽車及其零部件數字化設計，E-mail：ybc1996@cslg.cn.