丁盛，史富強(qiáng)，俞燕

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

卡車面罩氣彈簧布置計(jì)算

丁盛，史富強(qiáng)，俞燕

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章以卡車前面罩為研究對(duì)象，對(duì)氣彈簧的行程及最小支持力進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算了前面罩在開閉過程中的操作力；并通過CATIA有限元分析的方式對(duì)氣彈簧支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行簡單分析。

氣彈簧；布置；設(shè)計(jì)計(jì)算；卡車前面罩

引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)卡車的使用開始不僅僅為“能拉貨、拉的多”這種簡單粗暴的理念，同時(shí)需兼顧安全、方便、使用可靠。

卡車前面罩作為覆蓋件，起著遮擋內(nèi)部線束，管道，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口等零部件的作用。卡車駕駛室往往偏大，前面罩重量往往較大，同時(shí)前面罩高度很高，決定了卡車前面罩不能像乘用車引擎蓋一樣使用手動(dòng)撐桿，而氣彈簧則可以很好的滿足這些使用要求。

本文將介紹壓縮式氣彈簧（以下簡稱氣彈簧）在卡車前面罩上的相關(guān)布置設(shè)計(jì)。

1 前面罩氣彈簧最小支撐力設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 氣彈簧力學(xué)模型

氣彈簧的力學(xué)模型圖如圖1所示，根據(jù)力學(xué)平衡，氣彈簧所需最小伸展力F1的確定，可按公式（1）計(jì)算：

式（1）中，F(xiàn)1為氣彈簧最小伸展力，G為前面罩重力，L為前面罩重心到鉸鏈中心的距離，b為起彈簧伸展時(shí)稈臂的有效力臂，n為氣彈簧數(shù)量，通常取2，k為安全系數(shù)，一般取1.1。

圖1 氣彈簧的力學(xué)模型圖

1.2 前面罩總成質(zhì)量、重心的確定

面罩總成重質(zhì)心通過面罩總成上各零部件的的重心計(jì)算得出，包括面罩、鎖扣安裝板、鎖扣、撐桿安裝支架、撐桿加強(qiáng)板、面罩預(yù)埋標(biāo)準(zhǔn)件、字標(biāo)等。在得知零部件密度的前提下，利用CATIA的測量慣性命令可自動(dòng)計(jì)算出各部件重量和重心坐標(biāo)點(diǎn)。

表1 某車型前面罩質(zhì)量、重心

利用公式（2）、（3）、（4）可計(jì)算出前面罩總成的重心X，Y，Z坐標(biāo)值：

該車型前面罩及附件重量為：面罩質(zhì)量m=13.85kg。

以表1中車型為例，前面罩開啟角度為87°，采用兩個(gè)氣彈簧：

可得

面罩開啟到最大位置時(shí)重力力臂：L=387.698mm

面罩開啟到最大位置時(shí)氣彈簧力臂：b=162.41mm

采用雙氣彈簧結(jié)構(gòu)：n=2

安全系數(shù)：k=1.1

將以上系數(shù)帶入公式（1），

為便于生產(chǎn)加工取整數(shù)：F1=180N

2 前面罩操作力的計(jì)算

2.1 前面罩總成力學(xué)模型

前面罩關(guān)閉時(shí)，在面罩邊緣處施加某力，確保前面罩打開通過平衡點(diǎn)，此在面罩邊緣處的操作力為前面罩開啟力；前面罩開啟時(shí)，在把手處施加某力，確保前面罩關(guān)閉通過平衡點(diǎn)，此在把手處的操作力為前面罩關(guān)閉力。

其受力分析如圖2所示：

圖2 前面罩受力圖

圖中：F1為面罩開啟力；

F2為面罩關(guān)閉力；

G為面罩的重量；

L為把手到鉸鏈軸線的距離；

ω為面罩未過平衡點(diǎn)開啟的某一角度；

L3為關(guān)閉狀態(tài)下重力力臂；

L4為面罩完全開啟時(shí)重力力臂；

α為面罩開啟ω角度時(shí)與氣彈簧的夾角；

β為面罩完全開啟時(shí)與氣彈簧的夾角；

θ為面罩開啟ω角度與面罩完全開啟時(shí)的夾角；

S’為面罩完全打開狀態(tài)下氣彈簧力臂；

F、F'分別為面罩開啟ω時(shí)和面罩完全打開時(shí)撐桿的內(nèi)部支撐力。

根據(jù)力矩的平衡，可得公式（5）、（6）：

2.2 前面罩操作力計(jì)算示例

根據(jù)氣彈簧的工作原理，最大支持力與最小支持力比值等于有桿腔等于無桿腔面積的比值可得公式，該車型采用D=18mm缸筒、d=8mm活塞桿：

求得：F=234.2N，將其帶入（5）、（6）中，求得最大關(guān)閉力和最小開啟力：

由公式（7），每10°求得面罩操作力如表2、繪制撐桿力值曲線圖如圖11：

表2 某車型面罩操作力計(jì)算結(jié)果

圖3 面罩操作力隨不同角度的變化曲線

3 氣彈簧連接件的強(qiáng)度分析

3.1 氣彈簧連接件強(qiáng)度分析模型

由于卡車多行駛于工況惡劣道路，車輛工作環(huán)境與乘用車差異較大，除需對(duì)氣彈簧支撐力、操作力等進(jìn)行計(jì)算外，也需要對(duì)撐桿與車身連接零件進(jìn)行強(qiáng)度分析，以防發(fā)生支架破損、開裂等現(xiàn)象。

氣彈簧支架多數(shù)采用金屬板材沖壓成型，一般金屬材料強(qiáng)度滿足（9）即可：

3.2 氣彈簧連接件強(qiáng)度分析示例

由于氣彈簧支架結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，其具體受力狀態(tài)與受力處截面積難以計(jì)算。

為驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性，這里利用CATIA軟件的有限元分析的方法對(duì)氣彈簧的外部連接件的受力情況進(jìn)行研究分析，提前發(fā)現(xiàn)支架的受力薄弱點(diǎn)，避免后期支架開裂的現(xiàn)象發(fā)生。

仍以表一中車型為例：

該車型前面罩及附件重量為：面罩質(zhì)量m=13.85kg

采用雙氣彈簧，前文已計(jì)算出最小支撐力F’=180N。

由于卡車工況復(fù)雜性，氣彈簧與車身連接支架一般要分析兩個(gè)工況：

工況 1：氣彈簧最大壓縮狀態(tài)下，對(duì)支架施加氣彈簧最大力（F=234.2N，活塞桿壓縮距最大行程L時(shí)輸出力的值）；

工況 2：將撐桿假定為剛性體，對(duì)支架施加面罩關(guān)閉狀態(tài)下 3g加速度條件下，面罩重力（）對(duì)支架沿?fù)螚U閉合狀態(tài)下的分力。

具體步驟如下：對(duì)已完成的支架數(shù)模，添加應(yīng)用材料，普通鋼材可使用Steel。

圖4 CATIA支架數(shù)模

進(jìn)入【Advanced Meshing Tools】（高級(jí)網(wǎng)格劃分工具）工作臺(tái)。

圖5 網(wǎng)格化后的支架

進(jìn)入【Generative Structural Analysis】（創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析）工作臺(tái)，對(duì)撐桿安裝支架進(jìn)行約束。

圖6 施加約束后的支架

對(duì)撐桿支架施加兩個(gè)工況的力：

圖7 分析結(jié)果

分析結(jié)果如圖7，氣彈簧支架材料一般采用SPCC，其屈服強(qiáng)度為130Mpa～280Mpa。安全系數(shù)取1.3示例中：

該案例分析結(jié)果完全滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)壓縮式氣彈簧固有特性的詳細(xì)分析，結(jié)合物理學(xué)中的力學(xué)平衡原理，結(jié)合卡車的使用條件、工作路況完成以下工作：

（1）根據(jù)卡車氣彈簧的空間運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)前面罩氣彈簧的布置校核進(jìn)行了簡要分析；

（2）針對(duì)氣彈簧的力學(xué)特性，介紹了前面罩開啟關(guān)閉過程中的操作力計(jì)算方法；

（3）針對(duì)卡車的特殊工況及氣彈簧的物理特性，通過CATIA有限元分析的方式對(duì)撐桿連接件進(jìn)行強(qiáng)度分析。

可為其他卡車前面罩氣彈簧的正向設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 王家利,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）.30～32.

[2] 秦文波.基于 CATIA的汽車零部件有限元分析.科技致富向?qū)J].2014（36）.233.

The Placement of Truck Vehicle Masks Gas Spring

Ding Sheng, Shi Fuqiang, Yu Yan
（Technology Center of AnHui Jianghuai Automobile Company Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

In this paper, commercial vehicle mask as the research object, compression type common structure and working principle of gas springs, expounds the main arrangement form of gas springs; for gas spring trip and minimum support to calculate, calculate the mask in process of opening and closing operation at the same time; and analysis the structures strength of gas spring fitting by using CATIA software if finite element analysis.

Gas Spring; Arrangement; Design and Calculation Commercial Vehicle Mask Before

U467

A

1671-7988(2017)22-84-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.030

丁盛，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

CLC NO.:U467

A

1671-7988(2017)22-84-04