殷英 黃繼剛 邢曉紅 李衛(wèi)麗

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，中國(guó)·江蘇 南京 211156

1 引言

氣彈簧普遍應(yīng)用于普通家用型汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和行李箱蓋，用以輔助車(chē)主開(kāi)啟或關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)蓋或行李箱蓋。氣彈簧缸筒內(nèi)的氣體壓強(qiáng)需要設(shè)計(jì)合理，否則車(chē)主需用很大的力關(guān)閉前后蓋、很小的力開(kāi)啟前后車(chē)蓋，不符合人機(jī)工程學(xué)，或者較小的力關(guān)閉前后車(chē)蓋，較大的力開(kāi)啟車(chē)蓋，則車(chē)蓋有掉落的風(fēng)險(xiǎn)。論文主要描述的是氣彈簧的工作原理、氣彈簧壓桿力的測(cè)量方法、影響因素以及氣彈簧安裝使用的注意點(diǎn)。

2 氣彈簧結(jié)構(gòu)及工作原理

汽車(chē)用氣彈簧是以惰性氣體為工作介質(zhì)的一種彈性元件。由缸筒、活塞、活塞桿、密封導(dǎo)向零件、連接件等組成。缸筒內(nèi)有液壓油，可以潤(rùn)滑活塞桿、活塞等零件。活塞上開(kāi)有槽或者孔，可通過(guò)高壓氣體和液壓油，控制氣彈簧的運(yùn)動(dòng)速度。缸筒內(nèi)的高壓氣體通常為氮?dú)?，制造方便且價(jià)格便宜。氮?dú)獠豢扇?，化學(xué)性質(zhì)不活潑，適宜做充入氣彈簧的高壓氣體。

首先計(jì)算氣彈簧的壓桿力。根據(jù)壓力計(jì)算公式F=ps，式中p 為壓強(qiáng)，s 為受力面積。氣彈簧的工作原理如圖1所示。

圖1 氣彈簧工作原理

已知缸筒的直徑時(shí)D，壓桿的直徑時(shí)d，缸筒內(nèi)的高壓氣體壓強(qiáng)為p，大氣壓強(qiáng)為p0。缸筒內(nèi)活塞左右壓強(qiáng)相等，活塞上有槽，可通過(guò)高壓氣體和液壓油。在不考慮摩擦力的情況下可知?dú)鈴椈傻幕钊麠U上的壓桿力為：

F=ps=1/4×πd2（p－p0）≈1/4×πd2p

由于缸筒內(nèi)氣體壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓強(qiáng)（至少幾十倍），故大氣壓強(qiáng)p0 可忽略不計(jì)。氣彈簧壓桿力正比于高壓氣體壓強(qiáng)以及活塞桿直徑的平方。由于兩邊壓力的不同，形成活塞桿的輸出撐力，在后背門(mén)開(kāi)啟一定角度后，氣彈簧的輸出力矩大于背門(mén)總成的重力矩，可有效將背門(mén)撐起，以達(dá)到開(kāi)啟背門(mén)，方便行李搬運(yùn)[1]。

3 氣彈簧壓桿力的測(cè)量

氣彈簧的壓桿力的檢測(cè)設(shè)備是壓力機(jī)，氣彈簧的壓桿力的范圍在幾十牛（單位：N）到幾千牛（單位：N）不等。需要考慮壓力機(jī)的測(cè)量范圍以及測(cè)量精度（一般企業(yè)精度在0.1N）。測(cè)試壓桿力的壓力機(jī)如圖2所示。

圖2 壓力機(jī)

由于密封件、活塞、活塞桿在運(yùn)行過(guò)程中與缸筒存在摩擦，標(biāo)記為f，數(shù)值在幾千克力到幾十千克力，取決于氣彈簧活塞桿、缸筒等尺寸大小，尺寸越大，摩擦力越大。氣彈簧的力學(xué)特性圖可較好地反映氣彈簧在工作過(guò)程中（拉伸和壓縮）力隨行程的變化規(guī)律[2]，如圖3所示。氣彈簧的運(yùn)行狀態(tài)可分為壓縮過(guò)程和拉伸過(guò)程。

圖3 氣彈簧力學(xué)特性圖

壓縮過(guò)程：氣彈簧從自由長(zhǎng)度狀態(tài)，壓縮至行程最大狀態(tài)。

拉伸過(guò)程：氣彈簧從行程最大狀態(tài)，伸展至自由長(zhǎng)度狀態(tài)。

一般在氣彈簧的壓縮過(guò)程和拉伸過(guò)程各選取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，為了壓桿力測(cè)量的準(zhǔn)確性，不選取兩端極限位置，而在靠近兩端極限位置一定距離A 和B（5mm、10mm 或者客戶(hù)要求的其他測(cè)量距離）測(cè)試壓桿力。因?yàn)闃O限位置時(shí)（自由狀態(tài)和最大行程狀態(tài)）的摩擦力方向轉(zhuǎn)換，且是起始和終止位置，摩擦力大小不穩(wěn)定。所以極限位置測(cè)量壓桿力不準(zhǔn)確。壓力機(jī)上氣彈簧測(cè)量過(guò)程如下。

先走壓縮過(guò)程，靠近自由長(zhǎng)度的距離為A 的點(diǎn)為F3，此時(shí)在壓力機(jī)上測(cè)得的壓桿力F3 等于缸內(nèi)高壓氣體在此位置時(shí)的壓力（FA）加上摩擦力，數(shù)值F3=FA+f1。

壓縮至靠近最大行程位置的距離為B 的點(diǎn)的壓桿力為F4，壓桿力等于此時(shí)缸內(nèi)高壓氣體產(chǎn)生的壓力（FB）加上摩擦力：F4=FB+f2。

然后拉伸過(guò)程，靠近行程最大位置距離為B 的點(diǎn)的壓桿力標(biāo)記為F2，壓桿力等于此時(shí)缸內(nèi)高壓氣體產(chǎn)生的壓力（FB）減去摩擦力：F2=FB-f2。

拉伸過(guò)程中靠近自由長(zhǎng)度的點(diǎn)的壓桿力標(biāo)記為F1，壓桿力等于此時(shí)缸內(nèi)高壓氣體產(chǎn)生的壓力（FA）減去摩擦力：F1=FA-f1。

由此可知，F(xiàn)3-F1=2f1，F(xiàn)4-F2=2f2，F(xiàn)3 與F1 相差2 倍的摩擦力f1，理論上在F3 和F1 點(diǎn)，缸內(nèi)氣壓相等，摩擦力大小相等，方向相反。同理F4 與F2 相差兩倍的摩擦力f2，此位置的缸內(nèi)氣壓相等，摩擦力大小相等，方向相反。

實(shí)際測(cè)量中，摩擦力由于壓桿在不同位置，不同氣壓，測(cè)量速度不同，同一根氣彈簧的摩擦力略有差異，上述f1、f2 的值很接近，實(shí)際評(píng)價(jià)時(shí)f1、f2 用同一標(biāo)準(zhǔn)，不允許超過(guò)一定的值，幾十牛至上百牛，與氣彈簧直徑的大小有關(guān)系。壓力機(jī)一般測(cè)試從壓縮到拉伸整個(gè)循環(huán)，在上述4 個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試壓桿力。為了測(cè)量準(zhǔn)確，通常會(huì)讓氣彈簧先預(yù)走一兩個(gè)循環(huán)，再進(jìn)行測(cè)量。

氣彈簧由于零件、裝配工藝過(guò)程等差異，摩擦力也會(huì)不同。如圖4所示，統(tǒng)一規(guī)格的四支氣彈簧，可以看出天藍(lán)色和深藍(lán)色曲線(xiàn)的氣彈簧的摩擦力明顯小于黃色和紅色氣彈簧。測(cè)試距離A 為10mm，測(cè)試距離B 為5mm。

圖4 氣彈簧實(shí)際測(cè)試曲線(xiàn)

在汽車(chē)用氣彈簧中，一般用最小的F1 的值來(lái)標(biāo)稱(chēng)氣彈簧的壓力值。比如說(shuō)汽車(chē)氣彈簧壓力值為350N，指的是氣彈簧在拉伸過(guò)程中，靠近自由狀態(tài)距離A（5mm、10mm 或其他客戶(hù)規(guī)定的位置，此距離需綜合考慮氣彈簧的行程）壓力機(jī)所測(cè)得的氣彈簧的壓桿力。

4 環(huán)境溫度對(duì)氣彈簧的影響

氣彈簧未安裝時(shí)，處于自由狀態(tài)。當(dāng)氣彈簧的軸向缸筒內(nèi)壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部氣體體積減小，氣彈簧內(nèi)部氣體壓強(qiáng)增大，氣彈簧產(chǎn)生更大的壓桿力。氣彈簧由于內(nèi)部高壓氣體遵循理想氣體狀態(tài)方程：

pv=nRT

式中，p 為壓強(qiáng)（Pa）；v 為氣體體積（m3）；T 為溫度（K）；n 為氣體的物質(zhì)的量（單位：moL）；R 為摩爾氣體常數(shù)，也叫普適氣體恒量（單位：J/（moL·K））。對(duì)于氣彈簧，可知?dú)鈴椈蓛?nèi)部封閉這高壓氣體，氣體的量n 是恒定的，此時(shí)在同一溫度T 工作，R 是恒量，可知?dú)怏w的壓強(qiáng)和氣體的體積成反比。正常狀態(tài)下，氣彈簧處在伸展?fàn)顟B(tài)即最長(zhǎng)狀態(tài)，內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)最小。當(dāng)氣彈簧的壓桿壓向缸筒內(nèi)壓縮時(shí)，壓桿的體積占用了缸內(nèi)氣體的體積，氣體體積減小，缸筒內(nèi)氣體壓強(qiáng)增大。當(dāng)軸壓縮到最大行程時(shí)，缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到最大。

同時(shí)可知，氣體n 一定，氣體體積一定，氣體的壓強(qiáng)和環(huán)境溫度成正比。壓強(qiáng)的比值即為溫度的比值。計(jì)算公式如下：

p1/p2=T1/T2

因此，由于溫度影響，同一款氣彈簧在夏天、冬天工作，或者不同緯度、不同海拔地區(qū)工作時(shí)，內(nèi)部氣體壓強(qiáng)是不同的，產(chǎn)生的壓桿力也不同。氣彈簧設(shè)計(jì)需要考慮在低溫情況下，氣彈簧的壓桿力減小，以免支撐不住車(chē)蓋砸傷人。

計(jì)算可知，假設(shè)夏季氣彈簧環(huán)境溫度30℃，冬季氣彈簧環(huán)境溫度-30℃，此時(shí)氣彈簧夏季壓強(qiáng)比冬季壓強(qiáng)高出24.68%。計(jì)算公式如下：

Variance=（T1-T2）/T2

T1、T2 需轉(zhuǎn)化為開(kāi)爾文溫度，開(kāi)爾文溫度和攝氏溫度相差一個(gè)常數(shù)273.15，所以上面的例子夏季與冬季的氣彈簧內(nèi)部壓強(qiáng)相差近25%。計(jì)算如下：

Variance=（30-（-30））/（273.15+（-30））=24.68%。

故氣彈簧在設(shè)計(jì)氣體壓強(qiáng)時(shí)，需要考慮夏季氣彈簧壓桿力大，關(guān)閉前后車(chē)蓋是需要更大的力，同時(shí)考慮冬季，氣彈簧壓桿力減小，關(guān)閉前后車(chē)蓋的力不能小于一定的值，否則車(chē)蓋會(huì)有掉落風(fēng)險(xiǎn)。

一般氣彈簧供應(yīng)商在設(shè)計(jì)氣彈簧時(shí)要求，冬季低溫情況（-30℃或其他要求）下前后車(chē)蓋的關(guān)閉力不能小于20N，即大于2kg 的力（不同的車(chē)型，不同的主機(jī)廠，要求略有不同）。夏天高溫情況（30℃或其他要求），開(kāi)啟車(chē)蓋的最大開(kāi)啟力，不得大于70N，即7kg 的力（不同車(chē)型，不同主機(jī)廠，要求略有不同）。因此，氣彈簧應(yīng)用需考慮使用環(huán)境溫度，權(quán)衡關(guān)閉力及開(kāi)啟力的大小。

不同溫度下（-30℃，30℃，80℃）測(cè)量的氣彈簧的力學(xué)特性曲線(xiàn)如圖5所示?？擅黠@看出溫度不同，氣彈簧的壓桿力大小差距明顯。

圖5 氣彈簧不同溫度下的力學(xué)特性

中間灰色的線(xiàn)是30℃時(shí)氣彈簧一個(gè)壓縮、拉伸過(guò)程的行程對(duì)應(yīng)壓桿力的曲線(xiàn)。上灰色線(xiàn)以及黃色線(xiàn)（80℃）是氣彈簧的壓縮過(guò)程，下灰色線(xiàn)以及藍(lán)色線(xiàn)（-30℃）是氣彈簧的拉伸過(guò)程。

5 氣彈簧的安裝使用

在氣彈簧選型及安裝時(shí)，主要考慮一下幾個(gè)方面：一是壓桿力；二是工作行程；三是安裝尺寸；四是門(mén)體開(kāi)啟角度[3]。

選擇合適的氣彈簧后，由于汽車(chē)前后車(chē)蓋在大多時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，氣彈簧處在壓縮狀態(tài)。安裝時(shí)注意氣彈簧活塞桿的方向在前后蓋關(guān)閉時(shí)應(yīng)向下，如圖6所示。在此狀態(tài)，液壓油由于重力的原因處于缸筒底部，可以很好地潤(rùn)滑活塞桿、密封導(dǎo)向等零件，也有利于氣彈簧封氣，提高氣密性。

圖6 前后蓋關(guān)閉狀態(tài)時(shí)氣彈簧的形態(tài)

在氣彈簧的生產(chǎn)制造中，或者安裝使用中，應(yīng)注意保護(hù)好活塞桿，防止活塞桿表面磕碰，有磕碰傷的活塞桿在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)劃傷密封零件，造成高壓氣體泄露。導(dǎo)致氣彈簧壓桿力不足甚至完全失效。

6 結(jié)語(yǔ)

論文論述了汽車(chē)用氣彈簧的工作原理、氣彈簧壓桿力的測(cè)量方式以及環(huán)境溫度因素對(duì)氣彈簧壓桿力的影響以及在安裝使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)。同時(shí)，歸納總結(jié)了一些氣彈簧在設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)滿(mǎn)足的設(shè)計(jì)要求，在氣彈簧設(shè)計(jì)初期可以參考這些數(shù)值。