智能自助設(shè)備中氣彈簧的位置選擇及計(jì)算應(yīng)用

冀建濤 王超

1. 恒銀金融科技股份有限公司 天津 300000；

2. 天津津航技術(shù)物理研究所 天津 300000

引言

隨著科技日新月異的發(fā)展，人們的生活也發(fā)生了翻天覆地的變化，更加的智能化、信息化和科技化。智能自助設(shè)備作為高度精密的機(jī)電一體化裝置，越來(lái)越多的應(yīng)用于銀行、保險(xiǎn)及醫(yī)院等各種窗口和辦公區(qū)域，代替了柜臺(tái)人員的工作，辦理業(yè)務(wù)時(shí)更加的簡(jiǎn)單快捷。這些設(shè)備在為客戶(hù)帶來(lái)更多便捷服務(wù)的同時(shí)，也對(duì)自助設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)提出了更高的要求。氣彈簧廣泛應(yīng)用于設(shè)備面板支撐處，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互換性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)備維護(hù)人員需要經(jīng)常打開(kāi)面板進(jìn)行各種維護(hù)和保養(yǎng)的工作，所以對(duì)面板氣彈簧的支撐和安裝位置就成為設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹氣彈簧在智能設(shè)備中的設(shè)計(jì)及計(jì)算。

1 氣彈簧的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 氣彈簧的基本結(jié)構(gòu)

氣彈簧是一種可以起支撐、緩沖、制動(dòng)、高度調(diào)節(jié)及角度調(diào)節(jié)等功能的工業(yè)配件。它是由壓力缸、活塞、活塞桿、密封導(dǎo)向套、填充物（惰性氣體或者油氣混合物），缸內(nèi)控制元件與缸外控制元件（指可控氣彈簧）和接頭等幾部分構(gòu)成的，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 氣彈簧主要零件及名稱(chēng)

氣彈簧按照結(jié)構(gòu)又可分為液壓阻尼式氣彈簧、動(dòng)態(tài)阻尼式氣彈簧。液壓阻尼式氣彈簧其彈伸速度取決于活塞管的布局和活塞小孔的直徑及內(nèi)部所使用油液的黏度。動(dòng)態(tài)阻尼式氣彈簧把活塞小孔變?yōu)楣艿辣谏弦粭l長(zhǎng)溝槽。溝槽的幾何形狀和長(zhǎng)度決定了其阻尼的效果，使它是一種帶阻尼的彈性支撐件，具有安裝方便、占用空間小、互換性強(qiáng)、運(yùn)用穩(wěn)定可靠，無(wú)須外加動(dòng)力源，無(wú)噪聲、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1.2 氣彈簧的基本原理

氣彈簧原理是在密閉的壓力缸內(nèi)充入惰性氣體或者油氣混合物，使腔體內(nèi)的壓力高于大氣壓的幾倍或者幾十倍，利用活塞桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產(chǎn)生的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞桿的運(yùn)動(dòng)。氣彈簧大多數(shù)應(yīng)用于汽車(chē)后備箱門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、自助設(shè)備的面板開(kāi)合處等部位，無(wú)須外界動(dòng)力，舉力穩(wěn)定用于實(shí)現(xiàn)緩沖、支撐、角度調(diào)節(jié)等功能。

氣彈簧的力性能可以適應(yīng)各種不同類(lèi)型的工況，力特性曲線可通過(guò)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整出各種形式的輸出力特性曲線。

2 氣彈簧的連接方式及安裝位置選取

2.1 氣彈簧的連接方式

氣彈簧常規(guī)連接方式分為：塑料接頭連接方式、金屬球型接頭連接方式、單耳片連接方式、U型耳片連接方式等；汽車(chē)所用氣彈簧一般采用的是塑料接頭加金屬支架或金屬球型接頭連接方式加金屬支架，塑料接頭和金屬接頭：分為普通直式和斜傾式，傾斜式可分為不同的角度(如10°、16°)等，可根據(jù)不同情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。如有支架，建議板材厚度為3mm，可以根據(jù)力的大小對(duì)支架進(jìn)行工藝處理，例如建議沖壓出加強(qiáng)筋來(lái)增加強(qiáng)度等。

2.2 氣彈簧的安裝位置選取

氣彈簧位置選取的首要遵循的原則是不能與所處位置電子物料干涉的前提下，要使打開(kāi)面板的操作人員可以方便開(kāi)啟和關(guān)閉面板，能夠順利進(jìn)入到需要維護(hù)的區(qū)域，需要符合人機(jī)工程學(xué)。同時(shí)，現(xiàn)在設(shè)備所選用的氣彈簧大多是增加了保護(hù)套裝置，目的是為了防止萬(wàn)一由于長(zhǎng)時(shí)間設(shè)備老化，氣彈簧失效、力值降低造成的危險(xiǎn)，選取的位置是需要人手方便操作，可以按壓保護(hù)套壓桿位置。還需要根據(jù)整機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)及需要維護(hù)模塊的空間來(lái)確定面板翻轉(zhuǎn)角度，以此來(lái)確定氣彈簧的位置選取[2]。

3 氣彈簧的力值和行程的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 面板的重力計(jì)算及重心計(jì)算

自助設(shè)備面板的重心和重力的計(jì)算通常是借助三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行賦值計(jì)算，在此以Creo軟件舉例加以說(shuō)明：在設(shè)計(jì)好總裝圖紙后，打開(kāi)面板組件圖紙，將面板裝配體中的所有零件材料進(jìn)行賦值。具體操作過(guò)程如下：打開(kāi)單個(gè)零件-點(diǎn)擊“File(文件)”-“Prepare(準(zhǔn)備)”，選取“Model Properties(編輯模型屬性)”，在“Material(材料)”一欄中分配該零件的材料屬性，然后點(diǎn)擊確定。

當(dāng)面板組件的所有零件依據(jù)上述過(guò)程將材料賦值完成后，點(diǎn)擊“Analysis(分析)”-“Mass Properties(質(zhì)量屬性)”可彈出對(duì)話框，對(duì)話框中可顯示當(dāng)前組件的重量及重心位置，重心相對(duì)于默認(rèn)坐標(biāo)系的相對(duì)坐標(biāo)。

3.2 氣彈簧展長(zhǎng)和行程的計(jì)算

在對(duì)氣彈簧進(jìn)行選用和計(jì)算時(shí)，首先要了解氣彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸，需要保證活塞桿在使用過(guò)程中不會(huì)被過(guò)度的拉伸和壓縮。如圖2所示，L為氣彈簧的展長(zhǎng)，即自然狀態(tài)下兩個(gè)吊耳孔的中心距；S為活塞桿的行程，L1為缸筒長(zhǎng)度。以常用的某款氣彈簧為例，若保證安全的使用氣彈簧，活塞桿壓縮到底后預(yù)留安全余量B≥10mm，密封系統(tǒng)長(zhǎng)度為40mm。

圖2 氣彈簧結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

需要滿足氣彈簧的使用條件：

L≥22+L1+10+S+18 其中：L1=S+40 可得：L≥2S+90

由于生產(chǎn)氣彈簧廠家不同和所生產(chǎn)的型號(hào)也不同，密封圈長(zhǎng)度會(huì)有所差異，但此條件大部分廠商可滿足生產(chǎn)，選用氣彈簧行程和展長(zhǎng)時(shí)需要滿足上述條件。

在獲得面板重心和重量，掌握氣彈簧選取滿足的條件后，可進(jìn)行氣彈簧的選用設(shè)計(jì)。以某款機(jī)型為例來(lái)詳細(xì)闡述：首先選取氣彈簧的展長(zhǎng)，建議選擇生產(chǎn)廠家批量較大或典型規(guī)格的展長(zhǎng)氣彈簧，自助設(shè)備中展長(zhǎng)規(guī)格包含：L為246.5mm、300mm、350mm、375mm等等規(guī)格，此處選取L=350mm，滿足氣彈簧使用，行程選擇S=125mm。面板的打開(kāi)閉合需要滿足維護(hù)區(qū)域的尺寸要求，在滿足人機(jī)工程學(xué)基礎(chǔ)上選取面板打開(kāi)角度為70°（此角度暫定，后續(xù)計(jì)算時(shí)可在此基礎(chǔ)上微調(diào)）。

圖3 氣彈簧位置選取示意圖

設(shè)定氣彈簧定點(diǎn)圓心為P，面板轉(zhuǎn)軸圓心為Q, 以Q為圓心可做氣彈簧動(dòng)點(diǎn)的軌跡圓，氣彈簧旋轉(zhuǎn)以P為圓心，可做出兩個(gè)半徑為R=350mm和R=225mm的圓，兩個(gè)圓和氣彈簧動(dòng)點(diǎn)的軌跡圓交點(diǎn)分別設(shè)為M和N，添加約束條件MQ和NQ的夾角為70度，可得到如圖四所示氣彈簧定點(diǎn)和動(dòng)點(diǎn)的位置圖。

直線PQ的連線稱(chēng)為氣彈簧的死點(diǎn)線，保證氣彈簧在關(guān)閉時(shí)N點(diǎn)不可穿過(guò)氣彈簧死點(diǎn)線，PN和PQ的夾角也應(yīng)小于10度，不宜過(guò)大，該夾角過(guò)大會(huì)造成面板關(guān)閉后氣彈簧力矩大自動(dòng)彈開(kāi)面板的危險(xiǎn)，過(guò)小時(shí)也會(huì)造成面板關(guān)閉臨界點(diǎn)氣彈簧力矩過(guò)小，面板會(huì)有磕碰的隱患。選取合適角度后，驗(yàn)證P點(diǎn)和Q點(diǎn)對(duì)整機(jī)內(nèi)部其他元器件不干涉，則可確定氣彈簧的位置。

3.3 氣彈簧的力值計(jì)算

氣彈簧點(diǎn)位和規(guī)格確定好之后對(duì)氣彈簧力值進(jìn)行計(jì)算和校核。面板在打開(kāi)過(guò)程中，在中間某一值時(shí)刻重力力矩可達(dá)到最大值。例如面板開(kāi)角大于90°的情況下，重心和旋轉(zhuǎn)軸連線位于水平狀態(tài)下力矩最大，若面板開(kāi)角小，需要確認(rèn)重力力矩的最大值，此舉例情況重力力矩最大時(shí)是面板打開(kāi)最大角度時(shí)力矩最大[3]。

圖4 重力力矩最大時(shí)受力分析

無(wú)論面板翻開(kāi)角度多少，需要保證MF＞MGmax

推導(dǎo)出公式：2F·LF＞k·mg·LGMAX K為安全系數(shù)，通常取值為1.1~1.5，此處取值1.2。

帶入數(shù)值LF=101.3mm LGMAX=466.3mm 面板重力m=18.3kg 氣彈簧為2根，故力值取2倍。

可得F＞1.2x18.3x9.8x466.3/(2x101.3)。

可推出F＞495N 查詢(xún)相關(guān)氣彈簧規(guī)格，最終選取F=500N。

氣彈簧力值確定后，應(yīng)用力矩平衡關(guān)系對(duì)氣彈簧壓縮到最底部時(shí)，計(jì)算重力矩和氣彈簧力矩的大小，同時(shí)選取中間某位置進(jìn)行校核，保證重力矩最大時(shí)氣彈簧力矩大于重力力矩，面板打開(kāi)最高點(diǎn)時(shí)氣彈簧力矩大于重力力矩，面板關(guān)閉時(shí)重力力矩大于氣彈簧力矩，具體計(jì)算在此不做贅述。

4 氣彈簧的使用注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)時(shí)盡可能保證在面板關(guān)閉狀態(tài)下氣彈簧缸筒在上方，活塞桿在下方，這樣阻尼油對(duì)缸筒內(nèi)氣體有很好的密封作用，從而延長(zhǎng)氣彈簧壽命。

氣彈簧在工作中只能施加壓縮和伸展的力，不應(yīng)受傾斜力或橫向力的作用，設(shè)計(jì)氣彈簧安裝軸或安裝座時(shí)一定保證定點(diǎn)和動(dòng)點(diǎn)的安裝位置保持平齊。

面板上固定點(diǎn)與鉸鏈距離較近時(shí)，在保證滿足氣彈簧的生產(chǎn)前提下，一定要注意鉸鏈和鈑金的強(qiáng)度，避免使用過(guò)程中氣彈簧的力導(dǎo)致鈑金變形或開(kāi)裂現(xiàn)象。

氣彈簧選取時(shí)導(dǎo)向套不宜過(guò)短，過(guò)短容易造成活塞桿松動(dòng)性大，使用一段時(shí)間后，會(huì)造成氣彈簧的密封性不好，影響氣彈簧壽命，造成漏氣或漏油等現(xiàn)象。

不允許破壞氣彈簧活塞桿的表面，嚴(yán)禁將化學(xué)物質(zhì)、油漆等涂抹在活塞桿當(dāng)中，活塞桿表面嚴(yán)禁磕碰，嚴(yán)禁對(duì)裝有氣彈簧的設(shè)備進(jìn)行焊接和噴涂等工序加工[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)壓縮氣彈簧的固有特性進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了氣彈簧的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)氣彈簧在智能自助設(shè)備中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和安裝選取進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)氣彈簧在實(shí)際當(dāng)中的使用注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)，以后在其他設(shè)備上設(shè)計(jì)氣彈簧時(shí)可作為設(shè)計(jì)參考。