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1、举升门气弹簧布置与支撑力计算单 位:上海同捷科技股份有限公司姓 名:许晓晖拟晋级别:中级举升门气弹簧布置与支撑力计算许晓晖摘要:气弹簧助力式启动机构是目前乘用车上常常采用的一种构造。目前国内汽车车身设计中,对于气弹簧布置、选用采用逆向措施较多。即以标杆样车为参照,来布置设计车，以标杆车使用的气弹簧为基本样件,然后通过CE运动分析来进行校核。本文从正向设计出发，以举升门为例，具体简介了举升门气弹簧的布置与支撑力计算的设计过程,为新车设计正向布置气弹簧提供借鉴。核心词：举升门 气弹簧布置气弹簧是一种可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的配件。气弹簧与其他弹簧相比具有尺寸小、容易布置、可
2、靠性高及弹力随行程的变化小等特点，可在40范畴内工作，温度对其弹力的影响不到。气弹簧在专业生产厂家均按原则化和系列化设计,使用和维修也更加以便。本文就汽车设计中常常应用的气弹簧布置,以举升门气弹簧的应用设计进行分析。一、确认举升门铰链转轴中心位置在举升门气弹簧应用设计之前必须确认:举升门两个铰链与否同轴;举升门在沿着铰链轴转动过程中与车身部件有无干涉(一般规定间隙应不小于3mm）;与否有气弹簧安装空间。铰链转轴中心是后续设计的基准。二、拟定举升门的启动角度根据人机工程学分析来拟定举升门的开度,目前对举升门开到最大位置车门下边沿的离地高度法规没有规定。根据整车总布置状态，拟定该车型的举升门启动最
3、大角度为94,举升门最高点离地高度为m。这样定义既考虑到人的头部不易遇到举升门下部最低点,也照顾到关门操纵时手部能很容易接触到拉手。三、计算气弹簧上、下安装点的位置及有效行程气弹簧和安装座通过带有螺纹段的轴销连接。气弹簧的安装点理论上是指气弹簧两端轴销上球头转动中心。有效行程是指气弹簧在车门关闭到车门完全启动长度变化的尺寸。一方面根据车身状态拟定上安装点，具体规定：l 安装面应满足气弹簧运动不引起干涉的规定,必要时调节安装面;l 安装面内部设计适合强度规定的螺母加强板。启动角度，上安装点拟定之后,根据装配和运动关系,做出下示示意图。为了简化计算，这里所做的示意图忽视气弹簧摆放位置在车身Y向的偏
4、离角度。图1 气弹簧示意图在上图中:O点为举升门铰链中心轴A点为气弹簧上安装点（在车身门框上)B点为门完全关闭时,气弹簧下安装点(在举升门上)1点为门完全启动时,气弹簧下安装点(在举升门上)设气弹簧的有效行程为x,n为弹簧两端头构造占用长度之和;则B=xn，1=1.5x+n值一般根据气弹簧构造不同，取值范畴在90-10mm,现暂取100mm。已知,OA=142mm，1=O=OA+A=12+(x+n)=22+x,=94在OAB1中运用余弦定理得出：AB=OA2+OB12-OAO1c(15x+10)22+(242x)2-242(42+x）cs94求解取整：x=32则AB420mm气弹簧上安装点的位
5、置为A点，点设在举升门上，距A点的长度为3100=2mm。当铰链转轴中心、上安装点、下安装点位于一条直线上时,气弹簧的力臂为零，对举升门转动不做奉献,此位置称作为气弹簧工作死点。实际根据布置的局限,A点会偏移OB连线。四、拟定举升门的总质量及质心位置举升门的总质量是多项由金属和非金属材料构成部件的质量之总和。涉及举升门钣金件、后风挡玻璃、后雨刮器系统（涉及电机与刮臂）、牌照灯及装饰板、后牌照、门锁,门内护板等。在得知零件密度的前提下，运用CATA的测量命令可自动计算出质量和质心坐标。通过测算,举升门质量为30.55kg,质心坐标转换为平面坐标点（以举升门铰链中心轴位原点，如图1坐标轴）为(=1
6、97.22,Y=0,Z=-480.1)五、计算气弹簧的最小支撑力,分析举升门的启动力和关闭力1. 举升门Z平面工况规定举升门的运动状态如图示图2举升门XZ平面运动状态示意图在上图中G为举升门的重力E点为举升门的质心状态1举升门下平衡点状态2举升门上平衡点状态3举升门处在水平位置（重心E与的连线OE水平)状态举升门完全启动状态0-1举升门重力力矩不小于气弹簧支撑力力矩,启动时需提供外力才干将门打开状态12举升门重力力矩等于气弹簧支撑力力矩,此时举升门处在平衡区域,不必提供外力举升门即可处在静止状态。状态2-4举升门重力矩不不小于气弹簧支撑力力矩,举升门会自行打开，直至达到气弹簧最大行程处(举升门
7、完全启动),状态3时重力力矩最大。2. 气弹簧所需的最小支撑力如下图,当举升门完全启动时，根据受力状况,推导气弹簧所需的最小支撑力计算公式。图3 举升门受力分析其中:F气弹簧支撑力d气弹簧支撑力力臂G举升门的重力k举升门的质心到铰链转轴中心的距离举升门启动角度质心与铰链转轴中心的连线与OB1之间的夹角举升门关闭时，OB与垂线之间的夹角并且令AB1=对O点取力矩 其中：则气弹簧的支撑力为:当+=90时，即+-时,力F最大,此时举升门处在水平位置。在AB1中,其中:OA =14mm,1=80mm，OB1562mm则计算得：=757则计算出:Fm=10N,使用两支气弹簧,因此,单个气弹簧的最小支撑力
8、为65N，即气弹簧的最小支撑力必须不小于5才干支撑住举升门。并且一般气弹簧的最小支撑力比理论计算值要不小于10%0%，取中间值15，则气弹簧的最小伸展力F10N3. 举升门的启动力和关闭力分析当举升门启动时,受力状况如图4所示图 举升门启动时受力分析其中:FO为举升门启动力O为启动力力臂F为举升门启动时,气弹簧的助力KO为举升门重力力臂对O点取力矩从上式可以看出，合适增长气弹簧助力FO的力臂d(图4中do=）,则可以减小启动力，即可以将A点向左侧调节,使点不在B连线上。当举升门关闭时,受力状况如图5所示图5 举升门关闭时受力分析其中：F为举升门关闭力为关闭力力臂FC为气弹簧的支撑力KC为举升门
9、重力力臂对点取力矩从上式可以看出,合适减小气弹簧支撑力FC,则可以减小关闭力，根据支撑力的推导公式： 由于可以看出只有当（-）越大,支撑力越小，因此合适将气撑杆的下安装点B往右侧移动,可以减小举升门关闭力。六、总结通过以上的理论分析计算,气弹簧的几何尺寸、最小支撑力等基本参数已经可以拟定。根据这些基本参数可以在气弹簧供应商产品系列中选择与基本参数接近的现成产品。根据气弹簧的基本参数及所选气弹簧规格形式建立气弹簧3数模,并进行运动分析，验证举升门启动过程中,气弹簧与周边件有无干涉,气弹簧的球头运动与否自如，有无干涉卡死的现象,根据运动分析成果,做必要的调节。然后应用C分析软件，分析安装点周边强度及刚度与否足够，根据分析成果，进行局部加强。参照文献：1 潘玉华. 汽车车身气弹簧应用设计分析，众泰控股集团有限公司，2. 谷正气.轿车车身M.北京：人民交通出版社，
