劉國(guó)梁

（北汽福田汽車(chē)股份有限公司，北京 102206）

前言

隨著高科技的發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)使用性能以及車(chē)身造型流暢美，觀動(dòng)感的要求日益提高，現(xiàn)代車(chē)身技術(shù)也隨之迅猛發(fā)展。因此，汽車(chē)上尾門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的開(kāi)啟機(jī)構(gòu)不僅要符合車(chē)身整體造型的需要，同時(shí)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因而廣泛運(yùn)用在汽車(chē)、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(jiǎn)稱氣彈簧）在汽車(chē)尾門(mén)上的相關(guān)布置設(shè)計(jì)。

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(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)。

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(rùn)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(wú)孔，液壓油比不可變阻尼結(jié)構(gòu)氣彈簧少，主要對(duì)活塞起潤(rùn)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(zhǎng)兩個(gè)靜態(tài)使用位置。

自由型氣彈簧一般由桿端連接件、密封/導(dǎo)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(wú)桿腔和缸筒等組成，如圖1所示。

圖1 氣彈簧組成簡(jiǎn)圖

1.3 氣彈簧的特點(diǎn)

1）氣彈簧工作過(guò)程比較穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。

2）具有支撐、牽引、緩沖、減震、輕便、動(dòng)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(kāi)啟速度及阻尼。它作為支撐部件被廣泛應(yīng)用于尾門(mén)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(dòng)態(tài)或者定態(tài)阻尼、多樣化的末端安裝組件組合，實(shí)現(xiàn)快速簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)，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?dú)猓?，兩邊氣體壓強(qiáng)作用在活塞面，由于兩邊壓強(qiáng)的不同以及有桿腔和無(wú)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(mén)開(kāi)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(mén)撐起,方便乘客的行李搬運(yùn)，同時(shí)保證乘員安全。氮?dú)饩哂休^理想的非線性彈性特征，在實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)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(rùn)滑和阻尼作用。氣彈簧運(yùn)行到行程末端,通過(guò)阻尼油或氣壓阻減速，防止尾門(mén)沖擊造成鉸鏈等部件承受過(guò)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?dú)?、Pgas為氣彈簧缸筒內(nèi)氣壓、Patmosphere為大氣壓，下式中簡(jiǎn)寫(xiě)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(jì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。1標(biāo)準(zhǔn)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(gè)氣壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Patm,則Patm可以忽略不計(jì)。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?dú)鈴椈沙錃饬?；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(xué)特性曲線能夠較好的反應(yīng)氣彈簧在伸展和壓縮過(guò)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(shí)輸出力值，F(xiàn)2為活塞桿開(kāi)始伸展行程L時(shí)輸出力值，F(xiàn)3為活塞桿開(kāi)始?jí)嚎s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(shí)輸出力的值（測(cè)量值與行程L有關(guān)，當(dāng)行程L小于等于80mm時(shí)，測(cè)量值=5mm；當(dāng)行程L大于80mm時(shí)，測(cè)量值=10mm）。

圖3 氣彈簧力學(xué)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(qiáng)相等。當(dāng)關(guān)閉車(chē)門(mén)時(shí)，隨著活塞桿的壓入，氣室體積逐漸減小，壓強(qiáng)P逐漸增大，活塞桿的伸出力F也逐漸增大；開(kāi)啟車(chē)門(mén)時(shí)，活塞桿伸出，氣室體積逐漸增大，壓強(qiáng)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(chē)尾門(mén)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(diǎn)在車(chē)門(mén)上，下安裝點(diǎn)在車(chē)身上，如圖4所示；車(chē)門(mén)在幵閉過(guò)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(diǎn)就是在氣彈簧運(yùn)行過(guò)程中其油液能夠較好的起到阻尼作用，且車(chē)門(mén)閉合時(shí)對(duì)鉸鏈的沖擊力較小。

圖4 氣彈簧挺舉式布置形式簡(jiǎn)圖

圖5 挺舉式結(jié)構(gòu)氣彈簧運(yùn)動(dòng)示意圖

翻轉(zhuǎn)式布置指的是氣彈簧的上安裝點(diǎn)在車(chē)身上，下安裝點(diǎn)在車(chē)門(mén)上，尾門(mén)在開(kāi)啟過(guò)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(mén)幵啟過(guò)程中氣彈簧位置會(huì)上下顛倒，油液流至活塞筒中間部位，導(dǎo)致運(yùn)行速度減慢。在行程末端，油液從有桿腔流至無(wú)桿腔，氣彈簧運(yùn)行速度會(huì)瞬間上升，導(dǎo)致尾門(mén)完全開(kāi)啟時(shí)有較大的抖動(dòng)，且影響鉸鏈安裝處的鈑金強(qiáng)度。

圖6 氣彈簧翻轉(zhuǎn)式布置形式簡(jiǎn)圖

圖7 翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)氣彈簧運(yùn)動(dòng)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(mén)開(kāi)啟角度、人機(jī)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(chē)上。

2.2 氣彈簧的布置安裝設(shè)計(jì)

2.2.1 尾門(mén)鉸鏈軸中心及空間校核

氣彈簧布置設(shè)計(jì)之前，尾門(mén)上兩個(gè)鉸鏈必須同軸，尾門(mén)在沿著鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)全過(guò)程中與車(chē)身周?chē)鸁o(wú)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(chē)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(mén)上安裝點(diǎn)的位置和尾門(mén)開(kāi)啟角的確定

氣彈簧和安裝座通過(guò)帶有螺紋段的軸銷(xiāo)連接。氣彈簧的安裝點(diǎn)理論上是指氣彈簧兩端軸銷(xiāo)上球頭轉(zhuǎn)動(dòng)中心。

在尾門(mén)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(mén)內(nèi)板連接由帶有螺紋段的球頭軸銷(xiāo)通過(guò)尾門(mén)內(nèi)板上安裝過(guò)孔安裝在尾門(mén)內(nèi)板上。在布置尾門(mén)上安裝點(diǎn)時(shí)要校核氣彈簧活塞外徑及氣彈簧運(yùn)動(dòng)的空間，保證尾門(mén)在開(kāi)閉過(guò)程中與周邊不會(huì)出現(xiàn)干涉的情況。在安裝點(diǎn)處門(mén)內(nèi)板對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)通過(guò)加強(qiáng)螺母板來(lái)安裝氣彈簧。此處的安裝強(qiáng)度、尾門(mén)的剛度必須滿足氣彈簧最大受力狀況時(shí)的需求。氣彈簧在滿足尾門(mén)的開(kāi)度下，盡量減小氣彈簧的支撐力，因?yàn)檫^(guò)大的支撐力會(huì)增加氣彈簧的制造成本以及尾門(mén)剛度要求。如圖9所示：

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

圖10 人機(jī)工程學(xué)校核

尾門(mén)的最大開(kāi)啟角度是由總布置根據(jù)人機(jī)工程學(xué)分析來(lái)確定，以美國(guó)男性第95百分位的人體進(jìn)行校核，該氣彈簧要能滿足尾門(mén)能停于最大開(kāi)啟角度位置。如圖10所示：目前尾門(mén)幵到最大位置時(shí)車(chē)門(mén)下邊沿離地高度沒(méi)有法規(guī)規(guī)定。根據(jù)人站在地面上使用方便性，尾門(mén)開(kāi)啟角度設(shè)計(jì)到開(kāi)啟最大角度的位置時(shí)，尾門(mén)下部最低點(diǎn)高度應(yīng)在離地面1900mm以上，來(lái)確定尾門(mén)的開(kāi)啟角度。這樣設(shè)計(jì)是基于既要考慮人的頭部不易碰到尾門(mén)下部最低點(diǎn)，又要照顧關(guān)門(mén)操作方便性要求。由于每種車(chē)型車(chē)身的高度與結(jié)構(gòu)不同，各車(chē)型尾門(mén)幵啟角度也不同，最主要的是在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證尾門(mén)最大開(kāi)啟角度小于鉸鏈能達(dá)到的最大開(kāi)啟角度。

2.2.3 氣彈簧的有效行程及下安裝點(diǎn)的確定

有效行程是指氣彈簧在車(chē)門(mén)關(guān)閉至車(chē)門(mén)完全開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)度變化的尺寸。氣彈簧的有效行程通過(guò)計(jì)算得出，如圖11中，α為尾門(mén)初始位置至終止位置的開(kāi)啟角度；A點(diǎn)為尾門(mén)鉸鏈轉(zhuǎn)軸中心；B點(diǎn)為尾門(mén)初始位氣彈簧上安裝點(diǎn)；C點(diǎn)為尾門(mén)終止位置氣彈簧上安裝點(diǎn)；D點(diǎn)為尾門(mén)氣彈簧的下安裝點(diǎn)。

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

圖11 氣彈簧運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(diǎn)至下安裝點(diǎn)的距離。在門(mén)上找到此點(diǎn)位置，即D點(diǎn),并對(duì)型面做適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)鉸鏈轉(zhuǎn)軸中心、上安裝點(diǎn)和下安裝點(diǎn)位于一條直線上時(shí)，此時(shí)氣彈簧的力臂為零，對(duì)尾門(mén)閉合不做貢獻(xiàn)。所以此位置稱作氣彈簧工作死點(diǎn)。實(shí)際操作時(shí)，B點(diǎn)應(yīng)該修正到A、D連線偏左1mm～2mm的位置，以防B點(diǎn)在尾門(mén)完全閉合之前成為氣彈簧工作死點(diǎn)的位置，從而提高尾門(mén)閉合的安全性。

3 氣彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 用數(shù)學(xué)模型計(jì)算氣彈簧的最小支撐力

氣彈簧的力學(xué)模型圖如圖12所示，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了確保氣彈簧能按照要求在最大開(kāi)啟時(shí)完全支撐開(kāi)尾門(mén)，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(mén)重力，L為尾門(mén)重心到鉸鏈中心的距離，b為氣彈簧伸展時(shí)桿臂的有效力臂，α為尾門(mén)開(kāi)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(jì)算公式，下式（3）：

圖12 氣彈簧力學(xué)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(mén)操作力的計(jì)算

當(dāng)尾門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，在把手處施加某力，確保車(chē)門(mén)打開(kāi)通過(guò)平衡點(diǎn)，此時(shí)把手處的操作力為尾門(mén)開(kāi)啟力；當(dāng)尾門(mén)在開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，在把手處施加某力，確保車(chē)門(mén)關(guān)閉通過(guò)平衡點(diǎn)，此時(shí)把手處的操作力為尾門(mén)關(guān)閉力。

圖13 尾門(mén)受力圖

尾門(mén)在開(kāi)閉狀態(tài)下受力如圖13所示，設(shè)M為尾門(mén)重心到鉸鏈軸線的距離，R為氣彈簧下安裝點(diǎn)到鉸鏈軸線的距離，ω為尾門(mén)未過(guò)平衡點(diǎn)開(kāi)啟的某一角度，pc為尾門(mén)開(kāi)啟力，po為尾門(mén)關(guān)閉力，G為尾門(mén)重量，Rc為尾門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下把手到鉸鏈軸線的距離，bc為尾門(mén)開(kāi)啟ω角度吋至鉸鏈軸線距離,Fc為尾門(mén)開(kāi)啟ω時(shí)氣彈簧內(nèi)部的支撐力，ac為尾門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下氣彈簧到鉸鏈軸線的距離，Ro為尾門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下把手到鉸鏈軸線的距離，bo為尾門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下尾門(mén)重心到鉸鏈軸線的距離, FO為尾門(mén)完全打開(kāi)時(shí)撐桿內(nèi)部的支撐力，ao為尾門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下氣彈簧到鉸鏈軸線的距離，α為尾門(mén)開(kāi)啟ω角度時(shí)與氣彈簧的夾角，β為尾門(mén)完全開(kāi)啟時(shí)與氣彈簧的夾角，φ為尾門(mén)開(kāi)啟ω角度與尾門(mén)完全幵啟時(shí)的夾角。

根據(jù)力矩平衡原理得①②兩等式：

①當(dāng)尾門(mén)完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)氣彈簧的支撐力由下等式可以推出

②當(dāng)尾門(mén)完全開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)氣彈簧的支撐力由下等式可以推出

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

由①②③④⑤⑥六個(gè)等式可以推出：

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

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

圖14 某車(chē)開(kāi)關(guān)門(mén)力示意圖

圖15 常溫下操作力計(jì)算結(jié)果

以下是某車(chē)開(kāi)關(guān)門(mén)力示意圖，如圖14所示，車(chē)門(mén)開(kāi)啟角度為78°，將選取其中10個(gè)角度作為操作力的計(jì)算點(diǎn)，根據(jù)尾門(mén)操作力的計(jì)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(kāi)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(yàn)值及試驗(yàn)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(duì)氣彈簧的操作力產(chǎn)生較大的影響。所以在計(jì)算操作力的時(shí)候,應(yīng)考慮在不同溫度下消費(fèi)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(jì)算操作力的計(jì)算結(jié)果，并繪制出低高溫下操作力隨開(kāi)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(jì)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(jì)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(jì)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(guò)結(jié)合物理學(xué)中的力矩平衡原理對(duì)自由型氣彈簧固有特性進(jìn)行詳細(xì)的分析，并考慮在環(huán)境溫度對(duì)氣彈簧固有特性的影響下，對(duì)汽車(chē)尾門(mén)氣彈簧的布置及設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程做了詳細(xì)的分析，論述了氣彈簧正向布置設(shè)計(jì)的思路及方法，打破了以前逆向設(shè)計(jì)或?qū)嵻?chē)匹配的設(shè)計(jì)方法，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加科學(xué)化。而且在設(shè)計(jì)階段通過(guò)力值的分析就能進(jìn)行氣彈簧的可行性分析，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文可為其他車(chē)型氣彈簧的正向設(shè)計(jì)與布置提供參考。