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车用气弹簧安装设计分析 |
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作者：众泰控股集团有限公司 潘玉华 来源：AI汽车制造业 |
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目前国内汽车产品开发中，对于气弹簧应用采用逆向的方法较多。其布置方法就是参照样车气弹簧在车身上大致的安装位置来布置新车，同时将原车气弹簧样件交给供应商依样去开发，这种开发过程没有依据其工作原理分析，缺乏严谨科学计算很难设计出最优的方案。所以必须从基本原理上寻求一种在汽车上布置气弹簧的科学方法来实现最终设计结果的正确性。下面就以汽车后背门气弹簧的布置安装设计为例进行分析。
确认后背门铰链转轴中心位置
在后背门气弹簧安装设计之前，应当对已经完成的数据进行验证。必须确认后背门两个铰链是否同轴；后背门在沿着铰链轴转动全过程中与车身周围有无干涉；气弹簧安装空间有无充分预留。
确定后背门的总质量及质心的位置
后背门的总质量是多项由金属和非金属材料组成部件的质量之和。包括后背门钣金件、后背门玻璃、后雨刮器系统、牌照灯及装饰板、后牌照、后背门锁及后背门内饰板等。在得知零部件密度的前提下，利用CATIA的测量惯性命令可自动计算出重量和质心坐标点。
确定气弹簧在后背门上安装点的位置
这里气弹簧的安装点理论上是指气弹簧两端球头转动中心。气弹簧安装时一般采用活塞在上方，活塞杆在下方。气弹簧与门内板连接必须由装在后背门内板上的支架过渡，用以让开活塞外径及运动的空间。在门内板的内侧必须有加强螺母板用来安装气弹簧支架，后背门螺母板及支架的强度、后背门的刚度必须满足气弹簧最大受力状况需求。气弹簧在支架上的安装位即气弹簧的上安装点位置，此位置距铰链转轴中心的尺寸影响气弹簧需要的支撑力，在载荷力矩一定的条件下，该尺寸减少10%，气弹簧的支撑力增加将超过10%，同时气弹簧的行程也会随之变化。设计的目标应在满足后背门开度及背门两侧方便接近的前提下，尽量减小气弹簧需要的支撑力，因为过大的支撑力会增加气弹簧的制造成本以及后背门刚度要求。
确定后背门的开启角度
根据人机工程学分析来确定后背门的开度。目前背门开到最大位置车门下边沿的离地高度法规没有规定。根据人站在地面上使用的方便性，一般设计开启到最大位置时，后背门下部最低点高度应在离地面1800mm左右，以此来确定背门的开启角度。这样设计是基于既要考虑人的头部不易碰到后背门下部最低点，又要照顾关门操作时手部能很容易接触到拉手。由于车身的高度与结构不同，各车型背门开启角度也不相同，大致与铅垂方向夹角100°～110°之间。同时还要满足后背门的最大开启角度应小于铰链能达到的最大开启角度；气弹簧运行至行程终端，具有缓冲机构，以避免构件的损坏。
计算从初始位到终止位气弹簧的有效行程
根据装配和运动关系，做出示意图1。为了简化运算，这里所做的示意图忽略气弹簧摆放位置在车身Y方向偏离角度。
图1中，α角为后背门初始位至终止位的开启角 ；A点为后背门铰链转轴中心；B点为后背门初始位气弹簧上安装点；C点为后背门终止位气弹簧上安装点；D点为后背门气弹簧的下安装点。 
图1 后背门安装位置
设：AB=AC=c；BC=a；BD=x+n；CD=2x+n；∠DBC=β。
x为弹簧有效行程；n为弹簧两端头结构占用长度之和；
通过以下运算：
在ΔBDC中利用余弦定理得出：（2x+n）2=（x+n）2+ a2-2a（x+n）×cosβ。
上式中：α、β、a已经是已知数据，n值一般根据气弹簧结构不同取值范围在90～120mm之间。代入各数据，求出一元二次方程的有用根就是我们所求的气弹簧的有效行程。
当铰链转轴中心、上安装点和下安装点位于一条直线上时，气弹簧的力臂为零，对后背门转动不做贡献。此位置称作气弹簧工作死点。实际操作时，B点应该修正到A、D连线偏左1～2mm的位置，这会使得B点在后背门完全闭合之前成为气弹簧死点位置，从而提高后背门闭合的安全性。
确定气弹簧的下安装点位置
由图1知，x+n就是初始状态上安装点至下安装点的距离。在门框上找到此点位置，并对型面做适当调整。
用数学模型计算气弹簧的最小支撑力
如图2所示：A、B、C、D分别为铰链转轴中心、气弹簧闭合状态上安装点、气弹簧开启状态上安装点、气弹簧下安装点（门框固定点）；L1质量力臂；L2为气弹簧支撑力力臂；设后背门质心为E点，质量为G；气弹簧的支撑力为F。
图2 后背门受力分析
以铰链轴中心线为旋转中心，根据力矩平衡原理，当气弹簧为两只时可得如下表达式：
GL1=2FL2 ，F=GL1/2L2
计算得到的F值一般情况下，实际选用的公称支撑力要增加15％～20％为合适。
后背门的最小关闭力和最小开启力
图2中；设后背门总质量为 G , G 的力臂为L1；气弹簧支撑力为 F ；F的力臂为L2；施加的外力为 Fw；Fw的力臂Lw。
后背门从完全关闭到开启到最大，大致分为4个不同的过程。开启过程中，力臂是变化的，所以力矩也是变化的。最初位置施加的外力为开启力；最终位置施加的外力为关闭力；开启力和关闭力在可接受范围内，布置设计合理。
以下以铰链轴中心线为旋转中心，分析后背门运动过程受力状况。
过程1：初始状态后背门的重力力矩和气弹簧支撑力力矩同向，开启时需提供外力才能将后背门打开，状态0-1，此过程开启力：
Fw =（GL1+ FL2）/ Lw，
最小开启力大于Fw，背门才能顺利打开。
过程2：后背门运动到通过气弹簧工作死点后，后背门的重力力矩和气弹簧支撑力力矩反向，开启时需提供外力，状态1-2，此过程开启力：
Fw =（G L1- F L2）/ Lw 。
过程3：后背门的重力力矩等于气弹簧支撑力力矩，此时后背门处于平衡区域，如果不提供外力后背门可处于静止状态。状态2-3，此过程开启力：
Fw=（G L1- F L2）/ Lw，
当 GL1= F L2时， Fw =0。
过程4：后背门重力力矩小于气弹簧支撑力力矩，后背门会自行打开，直至达到后背门完全开启。
状态3-4，此过程开启力为负数。
Fw =（G L1- F L2）/ Lw，
当后背门处于最大开度时关闭背门所需最小的外力：
Fw =（F L2 -G L1）/ Lw，
必须施加大于上式中Fw的力，背门才能关闭。
当运动到Fw =0之后，背门会自动关闭。关闭后背门的全过程受力状况与开启时的过程正好相反，这里不再重述。
气弹簧基本参数
我们经过以上理论的计算分析，将气弹簧的基本参数确定之后，就得到了理想的设计方案。将基本参数提交给气弹簧供应商开发。
气弹簧基本参数：等级 A级；气缸外径：22mm（可选）；活塞杆外径：10 mm（可选）；有效行程：x mm；气弹簧总长 （2x+n）mm；气弹簧公称力：
气弹簧基本参数、规格表达一般采用以下格式（见图3、图4）：
图3 气弹簧规格、参数表达
图4 气弹簧
建立气弹簧 三维数模及安装连接方式设计
依据气弹簧已有的基本参数及所选气弹簧规格形式建立气弹簧3D数模，表达内容应包括气弹簧外型尺寸、运动行程关系和两端结构形式、球头运动关系、螺栓等。气弹簧两端连接形式各有不同，设计时根据安装部位情况及所选供应商产品规格具体匹配其连接方式。有采用两端都用安装支架的，也有一端直接固定在车身上的。不管哪种方式，设计时必须验证在后背门运动的全过程中，气弹簧的球头必须转动自如，不得有干涉卡死的现象。如果发生这样情况，令气弹簧球头中心位置不变，调整气弹簧螺栓安装面角度来适应运动的需要。
确定方案对后背门开闭做全程运动分析
由于后背门内板和车身后门框结构设计时预留的气弹簧间隙，是在气弹簧安装设计之前。完成气弹簧安装3D数模设计之后，必须验证在后背门开启的全过程中气弹簧周围与车身有无干涉，要求最小距离大于2mm；如不满足要求，可考虑局部调整后门框钣金结构，再不满足，就应调整安装点位置，适应已有空间。
后背门气弹簧安装CAE分析
用CAE软件分析在开启及关闭全过程中后背门及门框安装点附近的应力情况，若接近或超过屈服极限，就应加强安装点周围的强度和刚度。用增加螺母加强版的强度和接触面达到改善车门局部强度和刚度的效果。CAE分析若仍不满足，只有减少气弹簧的公称力，但系统设计又需要重新布置。
结语
车用气弹簧安装设计是一个涉及多个因素的系统工程，既要有理论分析计算，又要依据钣金结构的实际状态，如何做到尽量完美，对于设计师是个挑战。 (end)
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(6/5/2010) |
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