汽車用氣彈簧工作原理及測量應(yīng)用

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·江蘇 南京 211156

1 引言

氣彈簧普遍應(yīng)用于普通家用型汽車的發(fā)動機(jī)蓋和行李箱蓋，用以輔助車主開啟或關(guān)閉發(fā)動機(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，否則車主需用很大的力關(guān)閉前后蓋、很小的力開啟前后車蓋，不符合人機(jī)工程學(xué)，或者較小的力關(guān)閉前后車蓋，較大的力開啟車蓋，則車蓋有掉落的風(fēng)險。論文主要描述的是氣彈簧的工作原理、氣彈簧壓桿力的測量方法、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，可以潤滑活塞桿、活塞等零件?；钊祥_有槽或者孔，可通過高壓氣體和液壓油，控制氣彈簧的運(yùn)動速度。缸筒內(nèi)的高壓氣體通常為氮?dú)?，制造方便且價格便宜。氮?dú)獠豢扇迹瘜W(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D，壓桿的直徑時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，在后背門開啟一定角度后，氣彈簧的輸出力矩大于背門總成的重力矩，可有效將背門撐起，以達(dá)到開啟背門，方便行李搬運(yùn)[1]。

3 氣彈簧壓桿力的測量

氣彈簧的壓桿力的檢測設(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)的測量范圍以及測量精度（一般企業(yè)精度在0.1N）。測試壓桿力的壓力機(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)可分為壓縮過程和拉伸過程。

圖3 氣彈簧力學(xué)特性圖

壓縮過程：氣彈簧從自由長度狀態(tài)，壓縮至行程最大狀態(tài)。

拉伸過程：氣彈簧從行程最大狀態(tài)，伸展至自由長度狀態(tài)。

一般在氣彈簧的壓縮過程和拉伸過程各選取兩個測量點(diǎn)，為了壓桿力測量的準(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 或者客戶要求的其他測量距離）測試壓桿力。因?yàn)闃O限位置時（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。所以極限位置測量壓桿力不準(zhǔn)確。壓力機(jī)上氣彈簧測量過程如下。

先走壓縮過程，靠近自由長度的距離為A 的點(diǎn)為F3，此時在壓力機(jī)上測得的壓桿力F3 等于缸內(nèi)高壓氣體在此位置時的壓力（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。

拉伸過程中靠近自由長度的點(diǎn)的壓桿力標(biāo)記為F1，壓桿力等于此時缸內(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)際測量中，摩擦力由于壓桿在不同位置，不同氣壓，測量速度不同，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)際評價時f1、f2 用同一標(biāo)準(zhǔn)，不允許超過一定的值，幾十牛至上百牛，與氣彈簧直徑的大小有關(guān)系。壓力機(jī)一般測試從壓縮到拉伸整個循環(huán)，在上述4 個測試點(diǎn)測試壓桿力。為了測量準(zhǔn)確，通常會讓氣彈簧先預(yù)走一兩個循環(huán)，再進(jìn)行測量。

氣彈簧由于零件、裝配工藝過程等差異，摩擦力也會不同。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)色曲線的氣彈簧的摩擦力明顯小于黃色和紅色氣彈簧。測試距離A 為10mm，測試距離B 為5mm。

圖4 氣彈簧實(shí)際測試曲線

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

4 環(huán)境溫度對氣彈簧的影響

氣彈簧未安裝時，處于自由狀態(tài)。當(dāng)氣彈簧的軸向缸筒內(nèi)壓縮運(yùn)動時，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，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，缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到最大。

同時可知，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，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)化為開爾文溫度，開爾文溫度和攝氏溫度相差一個常數(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，需要考慮夏季氣彈簧壓桿力大，關(guān)閉前后車蓋是需要更大的力，同時考慮冬季，氣彈簧壓桿力減小，關(guān)閉前后車蓋的力不能小于一定的值，否則車蓋會有掉落風(fēng)險。

一般氣彈簧供應(yīng)商在設(shè)計(jì)氣彈簧時要求，冬季低溫情況（-30℃或其他要求）下前后車蓋的關(guān)閉力不能小于20N，即大于2kg 的力（不同的車型，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），開啟車蓋的最大開啟力，不得大于70N，即7kg 的力（不同車型，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)閉力及開啟力的大小。

不同溫度下（-30℃，30℃，80℃）測量的氣彈簧的力學(xué)特性曲線如圖5所示。可明顯看出溫度不同，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

中間灰色的線是30℃時氣彈簧一個壓縮、拉伸過程的行程對應(yīng)壓桿力的曲線。上灰色線以及黃色線（80℃）是氣彈簧的壓縮過程，下灰色線以及藍(lán)色線（-30℃）是氣彈簧的拉伸過程。

5 氣彈簧的安裝使用

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

選擇合適的氣彈簧后，由于汽車前后車蓋在大多時間處于關(guān)閉狀態(tài)，氣彈簧處在壓縮狀態(tài)。安裝時注意氣彈簧活塞桿的方向在前后蓋關(guān)閉時應(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)行過程中會劃傷密封零件，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

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