后背門氣彈簧的參數(shù)化布置及力學(xué)分析

劉福強(qiáng) 趙 巖

(法拉第未來汽車＜上海＞有限公司，上海 200000)

0 前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們不僅僅對車輛的外觀有一定的要求，而且對其零部件的安全性及實用性也尤為看重。氣彈簧作為兩廂車型后背門系統(tǒng)開閉過程中的助力機(jī)構(gòu)，其設(shè)計及布置也越來越被更多的工程研發(fā)人員所重視。 尤其近年來，隨著汽車保有量的增加， 很多車型的后背門都出現(xiàn)一些小的開啟問題，給顧客使用舒適性造成了不良影響。 本文針對此問題重點(diǎn)研究后背門氣彈簧如何在汽車研發(fā)階段進(jìn)行合理參數(shù)化布置，從原理上分析出氣彈簧在各種溫度工況下的開啟力值、關(guān)閉力值、平衡角度等因素。

1 氣彈簧簡介

1.1 氣彈簧定義及結(jié)構(gòu)

氣彈簧一般由缸筒、活塞、活塞桿、閥體、導(dǎo)向件以及接頭等組成，如圖1 所示。 氣彈簧是利用密閉在壓力缸的高壓惰性氣體（一般為氮?dú)猓┗蛘哂蜌饣旌衔?，使腔體內(nèi)的壓力遠(yuǎn)大于大氣壓，然后利用活塞桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產(chǎn)生壓力差來實現(xiàn)氣彈簧拉伸和壓縮運(yùn)動。氣彈簧一般可分為不可變阻尼結(jié)構(gòu)和可變阻尼結(jié)構(gòu)兩種。

圖1 氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 氣彈簧的靜態(tài)曲線

氣彈簧的力學(xué)特性圖可較好地反映氣彈簧在工作過程中（拉伸和壓縮）力隨行程的變化規(guī)律，如圖2所示。 圖2 中F1為活塞桿拉伸到最大行程測量點(diǎn)時的彈力值；F2為活塞桿開始拉伸時的彈力值；F3為活塞桿開始壓縮時的彈力值；F4為活塞桿壓縮至最大行程時的彈力值。由于氣彈簧在壓縮的初始及終止階段在摩擦力的作用下會導(dǎo)致曲線發(fā)生突變，所以氣彈簧在設(shè)計過程中為了保證計算的精確性需要將此段的區(qū)域排除，即圖2 中的L 值位置。 L 的取值與氣彈簧的行程有關(guān)，一般行程較小時（≤80 mm）L=5 mm，當(dāng)行程較大時（＞80 mm），L=10 mm。

圖2 氣彈簧力學(xué)特性圖

根據(jù)氣彈簧力學(xué)特性圖可推導(dǎo)出：F2=F1+kl， F4=F3+kl 其中拉伸行程與壓縮行程的兩條平行線之間的Y 向距離稱之為摩擦力f， 一般情況下F3，F(xiàn)4比對應(yīng)的,F1，F(xiàn)2值大,不超過60 N，F(xiàn)2/F1的比值我們一般描述為氣彈簧的剛度k， 一般推薦值為1.15～1.5N/mm，l 為氣彈簧的最大行程（單位mm）。

氣彈簧受溫度影響較大，根據(jù)理想氣體的等容量變化關(guān)系（查理定律），密閉氣體壓強(qiáng)隨溫度升高而增大，即：

式中表明，當(dāng)體積不變時，氣體的壓力與溫度的變化成正比， 當(dāng)壓力上升時氣體的溫度隨之增加，根據(jù)經(jīng)驗值及試驗結(jié)果，溫度每增加或減小1℃，其最小支撐力相應(yīng)的變化為3‰～5‰。

室溫為t0=20℃時，氣彈簧的使用溫度為T=t0+△T 可知，

其中，熱力學(xué)溫度T 與人們慣用的攝氏溫度t 的關(guān)系為，T(K)=273.15+t（℃）。 氣彈簧的使用溫度一般需滿足在-40℃到80℃之間可正常工作。

2 氣彈簧的布置

2.1 氣彈簧的安裝方式分析

氣彈簧在后背門上的布置形式一般分為直立式和翻轉(zhuǎn)式兩種。直立式是指上安裝點(diǎn)在后背門上而下安裝點(diǎn)在側(cè)圍的流水槽上，在后背門的開閉過程中始終保持活塞筒在上的原則，此布置方式的優(yōu)勢在于氣彈簧在運(yùn)行中油液能較好地起到阻尼和緩沖作用。直立式氣彈簧的布置方式一般適用于后背門較重的車型，布置方式示意圖如圖3 所示。 翻轉(zhuǎn)式是指上安裝點(diǎn)在側(cè)圍的流水槽上而下安裝點(diǎn)在后背門上，當(dāng)后背門打開時， 活塞桿由缸筒的下方翻轉(zhuǎn)至缸筒的上方。此種布置方式會導(dǎo)致在氣彈簧行程末端（后背門開啟到最大）油液會從有桿腔進(jìn)入到無桿腔，氣彈簧的運(yùn)行速度瞬間增大導(dǎo)致后背門會發(fā)生較大抖動。翻轉(zhuǎn)式氣彈簧的布置方式一般適用于后背門質(zhì)量較輕或者受力較小的車型，布置方式示意圖如圖4 所示。

一般情況下， 建議優(yōu)先采用直立式安裝方式，但若不能滿足布置空間、人機(jī)工程及后背門開啟角度等情況下可采用翻轉(zhuǎn)式安裝結(jié)構(gòu)。不論采用哪種安裝方式都必須要滿足缸筒在上活塞桿在下的原則，這種安裝原則不僅可以減小摩擦最大限度地起到阻尼和緩沖性能，而且在側(cè)圍流水槽里還可以實現(xiàn)防水避免氣彈簧滲水失效。

圖3 直立式后背門氣彈簧布置方式

圖4 翻轉(zhuǎn)式后背門氣彈簧布置方式

2.2 后背門開啟時的運(yùn)動和受力分析

2.2.1 運(yùn)動分析

從車身X 軸方向看，兩根后背門氣彈簧的安裝成“八”字形，通常情況下要求每根氣彈簧與中性面（ZX平面） 的夾角不大于8°（過大的角度會導(dǎo)致氣彈簧在背門Y 向分力增大影響后背門剛度）， 此時對受力分析影響較小，在做受力計算時可忽略不計，因此可以將其簡化為平面受力系統(tǒng)來分析。

圖5 中O 點(diǎn)為鉸鏈旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，A 為氣彈簧在側(cè)圍流水槽上的安裝點(diǎn)（上安裝點(diǎn)），B,B1,B2,為后背門開啟時氣彈簧的三個特殊位置，其中為氣彈簧在后背門關(guān)閉位置時的氣彈簧的安裝點(diǎn)（下安裝點(diǎn)），B1為氣彈簧支撐力矩與重力矩相等時的位置點(diǎn)，B2為后背門開啟到最大位置時氣彈簧的位置點(diǎn)，如圖5 所示。

圖5 后背門運(yùn)動狀態(tài)示意圖

2.2.2 受力分析

后背門依靠氣彈簧實現(xiàn)開閉的過程中，會受到鉸鏈中心O 的支反力、氣彈簧的彈力F 以及后背門自身的重力G 等， 這些力都將會對后背門的運(yùn)動產(chǎn)生影響，其中鉸鏈中心O 的支反力對O 點(diǎn)取矩為零，后背門開啟時氣彈簧的下安裝點(diǎn)B 會繞鉸鏈中心O 做圓弧運(yùn)動。 在圖5 中，A 點(diǎn)為氣彈簧的上安裝點(diǎn)（側(cè)圍上的固定點(diǎn)），B＇ 點(diǎn)為氣彈簧開啟到最大位置時在后背門上的安裝點(diǎn)，P 點(diǎn)為后背門關(guān)閉狀態(tài)下質(zhì)心位置點(diǎn)，P' 點(diǎn)為后背門開啟到最大位置時質(zhì)心位置點(diǎn)，H1點(diǎn)為開啟后背門的作用點(diǎn)位置，H1' 點(diǎn)為關(guān)閉后背門時的作用點(diǎn)位置，α 為初始角度即為OB 與鉛垂線的夾角，β 為OA 與OB 的夾角，γ 為OP' 與水平線的夾角，根據(jù)人機(jī)工程需要，設(shè)計后背門的開啟最大角度為82.5°，后背門質(zhì)量為30 kg，如圖6 所示。

圖6 后背門受力分析示意圖

根據(jù)受力平衡條件，氣彈簧在常溫狀態(tài)下（20℃）開關(guān)過程中需滿足氣彈簧的彈力力矩要等于后背門自身重力矩的條件：2×（F1×LF）=G×LG。 其中式中LF、LG分別為氣彈簧彈力力臂與后背門重力力臂，2 代表兩根氣彈簧。 通過此公式即可得出氣彈簧的彈力值F1，F(xiàn)1值的大小直接影響到氣彈簧在各種溫度工況下的后背門開啟和關(guān)閉力值以及其他性能指標(biāo)， 若F1值過大則會導(dǎo)致開啟力和關(guān)閉力增大，在高溫情況下極易發(fā)生自爆風(fēng)險，且此值過大在缸筒直徑一定的前提下氣彈簧自身的性能將有所下降； 若F1值過小則有可能無法正常開啟后背門，甚至后背門在其重力作用下會自行下落，造成貨物進(jìn)出后背門不便，容易引起客戶抱怨，因此根據(jù)經(jīng)驗，F(xiàn)1值一般建議700 N 左右。

前文提到氣彈簧受溫度影響較大，在計算低溫工況下（-40℃）的氣彈簧彈力值F1時可根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程（查理定律），可知：

由此得出在低溫（-40℃）狀態(tài)下的F1值:

從圖6 可知，氣彈簧的最大伸長量及工作行程由后背門關(guān)閉狀態(tài)下B 點(diǎn)坐標(biāo)和后背門開啟到最大位置B' 點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計算即可得出氣彈簧的伸長時的總長度L,初始長度L1及氣彈簧的工作行程S：

L：后背門開啟最大位置時氣彈簧兩端球頭銷的中心距（mm）；

L1：后背門關(guān)閉狀態(tài)下氣彈簧兩端球頭銷的中心距（mm）；

H：安全間隙（通常取5mm）。

依據(jù)人機(jī)布置要求， 常溫時的后背門平衡角度一般在為10°～20°宜， 此值主要取決于后背門的開啟高度。 當(dāng)平衡角度過大時則會導(dǎo)致后背門開啟高度過高，開啟力將增大；當(dāng)平衡角度過小則會致使乘員開啟操作不便，影響后背門的自關(guān)性能。

在后背門的開啟和關(guān)閉的初始階段， 根據(jù)布置要求一般需要人為施加一定的外力， 此力值我們稱之為初始開啟力和關(guān)閉力。 當(dāng)后背門在關(guān)閉狀態(tài)下氣彈簧從壓縮到開啟的瞬間力值即為初始開啟力， 常溫工況此力值一般需要控制（60±10）N 在范圍內(nèi)；當(dāng)后背門處于最大開啟位置，氣彈簧由最大伸長量狀態(tài)下關(guān)閉后背門時的瞬間力值即為初始關(guān)閉力， 常溫工況此力值一般要求（70±10N）在范圍內(nèi)。 根據(jù)受力平衡條件公式：

即可得出氣彈簧的開啟力，關(guān)閉力的算法（本文不在論述）。 在根據(jù)上文討論的溫度工況 （-40℃，20℃，80℃）對氣彈簧開啟和關(guān)閉力的影響即可得到不同工況下的力值，見圖7。 圖中橫坐標(biāo)為后背門開啟角度（°），縱坐標(biāo)為氣彈簧力值大?。∟）。 圖中表明開啟力隨溫度的升高開啟力反而下降，而對于關(guān)閉力來講恰好相反，其關(guān)閉力隨環(huán)境溫度的升高而增大。 常溫工況下平衡點(diǎn)出現(xiàn)在后背門開啟11°時， 低溫工況下平衡點(diǎn)為后背門開啟13°， 高溫工況下平衡點(diǎn)為后背門開啟6°，滿足人機(jī)布置需求。

圖7 氣彈簧力— 開啟角度曲線圖

3 結(jié)論

本文介紹了氣彈簧的工作原理及力學(xué)性能，應(yīng)用力平衡原理對氣彈簧在整個開閉過程中的受力進(jìn)行了理論分析，并結(jié)合實際項目經(jīng)驗，對氣彈簧力值的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析。同時根據(jù)CATIA 軟件建立坐標(biāo)系能快速地確定氣彈簧的長度及工作行程大小，避免反復(fù)計算。 本文還歸納總結(jié)了一些滿足氣彈簧布置要求的理想建議值，在設(shè)計初期可充分考慮這些值作為參考，可有效地縮短布置時間提高工作效率。