車(chē)用氣彈簧安裝設計分析
作者：眾泰控股集團有限公司 潘玉華 來(lái)源：AI汽車(chē)制造業(yè)
目前國內汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，對于氣彈簧應用采用逆向的方法較多。其布置方法就是參照樣車(chē)氣彈簧在車(chē)身上大致的安裝位置來(lái)布置新車(chē)，同時(shí)將原車(chē)氣彈簧樣件交給供應商依樣去開(kāi)發(fā)，這種開(kāi)發(fā)過(guò)程沒(méi)有依據其工作原理分析，缺乏嚴謹科學(xué)計算很難設計出最優(yōu)的方案。所以必須從基本原理上尋求一種在汽車(chē)上布置氣彈簧的科學(xué)方法來(lái)實(shí)現最終設計結果的正確性。下面就以汽車(chē)后背門(mén)氣彈簧的布置安裝設計為例進(jìn)行分析。
確認后背門(mén)鉸鏈轉軸中心位置
在后背門(mén)氣彈簧安裝設計之前，應當對已經(jīng)完成的數據進(jìn)行驗證。必須確認后背門(mén)兩個(gè)鉸鏈是否同軸；后背門(mén)在沿著(zhù)鉸鏈軸轉動(dòng)全過(guò)程中與車(chē)身周?chē)袩o(wú)干涉；氣彈簧安裝空間有無(wú)充分預留。
確定后背門(mén)的總質(zhì)量及質(zhì)心的位置
后背門(mén)的總質(zhì)量是多項由金屬和非金屬材料組成部件的質(zhì)量之和。包括后背門(mén)鈑金件、后背門(mén)玻璃、后雨刮器系統、牌照燈及裝飾板、后牌照、后背門(mén)鎖及后背門(mén)內飾板等。在得知零部件密度的前提下，利用CATIA的測量慣性命令可自動(dòng)計算出重量和質(zhì)心坐標點(diǎn)。
確定氣彈簧在后背門(mén)上安裝點(diǎn)的位置
這里氣彈簧的安裝點(diǎn)理論上是指氣彈簧兩端球頭轉動(dòng)中心。氣彈簧安裝時(shí)一般采用活塞在上方，活塞桿在下方。氣彈簧與門(mén)內板連接必須由裝在后背門(mén)內板上的支架過(guò)渡，用以讓開(kāi)活塞外徑及運動(dòng)的空間。在門(mén)內板的內側必須有加強螺母板用來(lái)安裝氣彈簧支架，后背門(mén)螺母板及支架的強度、后背門(mén)的剛度必須滿(mǎn)足氣彈簧最大受力狀況需求。氣彈簧在支架上的安裝位即氣彈簧的上安裝點(diǎn)位置，此位置距鉸鏈轉軸中心的尺寸影響氣彈簧需要的支撐力，在載荷力矩一定的條件下，該尺寸減少10%，氣彈簧的支撐力增加將超過(guò)10%，同時(shí)氣彈簧的行程也會(huì )隨之變化。設計的目標應在滿(mǎn)足后背門(mén)開(kāi)度及背門(mén)兩側方便接近的前提下，盡量減小氣彈簧需要的支撐力，因為過(guò)大的支撐力會(huì )增加氣彈簧的制造成本以及后背門(mén)剛度要求。
確定后背門(mén)的開(kāi)啟角度
根據人機工程學(xué)分析來(lái)確定后背門(mén)的開(kāi)度。目前背門(mén)開(kāi)到最大位置車(chē)門(mén)下邊沿的離地高度法規沒(méi)有規定。根據人站在地面上使用的方便性，一般設計開(kāi)啟到最大位置時(shí)，后背門(mén)下部最低點(diǎn)高度應在離地面1800mm左右，以此來(lái)確定背門(mén)的開(kāi)啟角度。這樣設計是基于既要考慮人的頭部不易碰到后背門(mén)下部最低點(diǎn)，又要照顧關(guān)門(mén)操作時(shí)手部能很容易接觸到拉手。由于車(chē)身的高度與結構不同，各車(chē)型背門(mén)開(kāi)啟角度也不相同，大致與鉛垂方向夾角100°～110°之間。同時(shí)還要滿(mǎn)足后背門(mén)的最大開(kāi)啟角度應小于鉸鏈能達到的最大開(kāi)啟角度；氣彈簧運行至行程終端，具有緩沖機構，以避免構件的損壞。
計算從初始位到終止位氣彈簧的有效行程
根據裝配和運動(dòng)關(guān)系，做出示意圖1。為了簡(jiǎn)化運算，這里所做的示意圖忽略氣彈簧擺放位置在車(chē)身Y方向偏離角度。
圖1中，α角為后背門(mén)初始位至終止位的開(kāi)啟角 ；A點(diǎn)為后背門(mén)鉸鏈轉軸中心；B點(diǎn)為后背門(mén)初始位氣彈簧上安裝點(diǎn)；C點(diǎn)為后背門(mén)終止位氣彈簧上安裝點(diǎn)；D點(diǎn)為后背門(mén)氣彈簧的下安裝點(diǎn)。
圖1 后背門(mén)安裝位置
設：AB=AC=c；BC=a；BD=x+n；CD=2x+n；∠DBC=β。
x為彈簧有效行程；n為彈簧兩端頭結構占用長(cháng)度之和；
通過(guò)以下運算：
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已經(jīng)是已知數據，n值一般根據氣彈簧結構不同取值范圍在90～120mm之間。代入各數據，求出一元二次方程的有用根就是我們所求的氣彈簧的有效行程。
當鉸鏈轉軸中心、上安裝點(diǎn)和下安裝點(diǎn)位于一條直線(xiàn)上時(shí)，氣彈簧的力臂為零，對后背門(mén)轉動(dòng)不做貢獻。此位置稱(chēng)作氣彈簧工作死點(diǎn)。實(shí)際操作時(shí)，B點(diǎn)應該修正到A、D連線(xiàn)偏左1～2mm的位置，這會(huì )使得B點(diǎn)在后背門(mén)完全閉合之前成為氣彈簧死點(diǎn)位置，從而提高后背門(mén)閉合的安全性。
確定氣彈簧的下安裝點(diǎn)位置
由圖1知，x+n就是初始狀態(tài)上安裝點(diǎn)至下安裝點(diǎn)的距離。在門(mén)框上找到此點(diǎn)位置，并對型面做適當調整。
用數學(xué)模型計算氣彈簧的最小支撐力
如圖2所示：A、B、C、D分別為鉸鏈轉軸中心、氣彈簧閉合狀態(tài)上安裝點(diǎn)、氣彈簧開(kāi)啟狀態(tài)上安裝點(diǎn)、氣彈簧下安裝點(diǎn)（門(mén)框固定點(diǎn)）；L1質(zhì)量力臂；L2為氣彈簧支撐力力臂；設后背門(mén)質(zhì)心為E點(diǎn)，質(zhì)量為G；氣彈簧的支撐力為F。
圖2 后背門(mén)受力分析
以鉸鏈軸中心線(xiàn)為旋轉中心，根據力矩平衡原理，當氣彈簧為兩只時(shí)可得如下表達式：
GL1=2FL2 ，F=GL1/2L2
計算得到的F值一般情況下，實(shí)際選用的公稱(chēng)支撐力要增加15％～20％為合適。
后背門(mén)的最小關(guān)閉力和最小開(kāi)啟力
圖2中；設后背門(mén)總質(zhì)量為 G , G 的力臂為L(cháng)1；氣彈簧支撐力為 F ；F的力臂為L(cháng)2；施加的外力為 Fw；Fw的力臂Lw。
后背門(mén)從完全關(guān)閉到開(kāi)啟到最大，大致分為4個(gè)不同的過(guò)程。開(kāi)啟過(guò)程中，力臂是變化的，所以力矩也是變化的。最初位置施加的外力為開(kāi)啟力；最終位置施加的外力為關(guān)閉力；開(kāi)啟力和關(guān)閉力在可接受范圍內，布置設計合理。
以下以鉸鏈軸中心線(xiàn)為旋轉中心，分析后背門(mén)運動(dòng)過(guò)程受力狀況。
過(guò)程1：初始狀態(tài)后背門(mén)的重力力矩和氣彈簧支撐力力矩同向，開(kāi)啟時(shí)需提供外力才能將后背門(mén)打開(kāi)，狀態(tài)0-1，此過(guò)程開(kāi)啟力：
Fw =（GL1+ FL2）/ Lw，
最小開(kāi)啟力大于Fw，背門(mén)才能順利打開(kāi)。
過(guò)程2：后背門(mén)運動(dòng)到通過(guò)氣彈簧工作死點(diǎn)后，后背門(mén)的重力力矩和氣彈簧支撐力力矩反向，開(kāi)啟時(shí)需提供外力，狀態(tài)1-2，此過(guò)程開(kāi)啟力：
Fw =（G L1- F L2）/ Lw 。
過(guò)程3：后背門(mén)的重力力矩等于氣彈簧支撐力力矩，此時(shí)后背門(mén)處于平衡區域，如果不提供外力后背門(mén)可處于靜止狀態(tài)。狀態(tài)2-3，此過(guò)程開(kāi)啟力：
Fw=（G L1- F L2）/ Lw，
當 GL1= F L2時(shí)， Fw =0。
過(guò)程4：后背門(mén)重力力矩小于氣彈簧支撐力力矩，后背門(mén)會(huì )自行打開(kāi)，直至達到后背門(mén)完全開(kāi)啟。
狀態(tài)3-4，此過(guò)程開(kāi)啟力為負數。
Fw =（G L1- F L2）/ Lw，
當后背門(mén)處于最大開(kāi)度時(shí)關(guān)閉背門(mén)所需最小的外力：
Fw =（F L2 -G L1）/ Lw，
必須施加大于上式中Fw的力，背門(mén)才能關(guān)閉。
當運動(dòng)到Fw =0之后，背門(mén)會(huì )自動(dòng)關(guān)閉。關(guān)閉后背門(mén)的全過(guò)程受力狀況與開(kāi)啟時(shí)的過(guò)程正好相反，這里不再重述。
氣彈簧基本參數
我們經(jīng)過(guò)以上理論的計算分析，將氣彈簧的基本參數確定之后，就得到了理想的設計方案。將基本參數提交給氣彈簧供應商開(kāi)發(fā)。
氣彈簧基本參數：等級 A級；氣缸外徑：22mm（可選）；活塞桿外徑：10 mm（可選）；有效行程：x mm；氣彈簧總長(cháng) （2x+n）mm；氣彈簧公稱(chēng)力：
氣彈簧基本參數、規格表達一般采用以下格式（見(jiàn)圖3、圖4）：
圖3 氣彈簧規格、參數表達
圖4 氣彈簧
建立氣彈簧 三維數模及安裝連接方式設計
依據氣彈簧已有的基本參數及所選氣彈簧規格形式建立氣彈簧3D數模，表達內容應包括氣彈簧外型尺寸、運動(dòng)行程關(guān)系和兩端結構形式、球頭運動(dòng)關(guān)系、螺栓等。氣彈簧兩端連接形式各有不同，設計時(shí)根據安裝部位情況及所選供應商產(chǎn)品規格具體匹配其連接方式。有采用兩端都用安裝支架的，也有一端直接固定在車(chē)身上的。不管哪種方式，設計時(shí)必須驗證在后背門(mén)運動(dòng)的全過(guò)程中，氣彈簧的球頭必須轉動(dòng)自如，不得有干涉卡死的現象。如果發(fā)生這樣情況，令氣彈簧球頭中心位置不變，調整氣彈簧螺栓安裝面角度來(lái)適應運動(dòng)的需要。
確定方案對后背門(mén)開(kāi)閉做全程運動(dòng)分析
由于后背門(mén)內板和車(chē)身后門(mén)框結構設計時(shí)預留的氣彈簧間隙，是在氣彈簧安裝設計之前。完成氣彈簧安裝3D數模設計之后，必須驗證在后背門(mén)開(kāi)啟的全過(guò)程中氣彈簧周?chē)c車(chē)身有無(wú)干涉，要求最小距離大于2mm；如不滿(mǎn)足要求，可考慮局部調整后門(mén)框鈑金結構，再不滿(mǎn)足，就應調整安裝點(diǎn)位置，適應已有空間。
后背門(mén)氣彈簧安裝CAE分析
用CAE軟件分析在開(kāi)啟及關(guān)閉全過(guò)程中后背門(mén)及門(mén)框安裝點(diǎn)附近的應力情況，若接近或超過(guò)屈服極限，就應加強安裝點(diǎn)周?chē)膹姸群蛣偠�。用增加螺母加強版的強度和接觸面達到改善車(chē)門(mén)局部強度和剛度的效果。CAE分析若仍不滿(mǎn)足，只有減少氣彈簧的公稱(chēng)力，但系統設計又需要重新布置。
結語(yǔ)
車(chē)用氣彈簧安裝設計是一個(gè)涉及多個(gè)因素的系統工程，既要有理論分析計算，又要依據鈑金結構的實(shí)際狀態(tài)，如何做到盡量完美，對于設計師是個(gè)挑戰。 (end)
