举升门气弹簧布置与支撑力计算

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：气弹簧助力式开启机构是目前乘用车上经常采用的一种结构。目前国内汽车车身设计中，对于气弹簧布置、选用采用逆向方法较多。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础样件，然后通过CAE运动分析来进行校核。本文从正向设计出发，以举升门为例，详细介绍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。

关键词：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。气弹簧与其它弹簧相比具有尺寸小、容易布置、可靠性高及弹力随行程的变化小等特点，可在-40℃——80℃范围内工作，温度对其弹力的影响不到4%。气弹簧在专业生产厂家均按标准化和系列化设计，使用和维修也更加方便。本文就汽车设计中经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：举升门两个铰链是否同轴；举升门在沿着铰链轴转动过程中与车身部件有无干涉（一般要求间隙应大于3mm）；是否有气弹簧安装空间。铰链转轴中心是后续设计的基准。

二、确定举升门的开启角度

根据人机工程学分析来确定举升门的开度，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。依据整车总布置状态，确定该车型的举升门开启最大角度为94°，举升门最高点离地高度为2002mm。这样定义既考虑到人的头部不易碰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开启长度变化的尺寸。

首先根据车身状态确定上安装点，具体要求：

●安装面应满足气弹簧运动不引起干涉的要求，必要时调整安装面；

●安装面内部设计适合强度要求的螺母加强板。

开启角度，上安装点确定之后，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略气弹簧摆放位置在车身Y向的偏离角度。

X

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）

B

1

点为门完全开启时，气弹簧下安装点（在举升门上）

设气弹簧的有效行程为x，n为弹簧两端头结构占用长度之和；则AB=x+n，AB

1

=1.5x+n n值一般根据气弹簧结构不同，取值范围在90-120mm，现暂取100mm。

OA已知，OA=142mm，OB

1

=OB=OA+AB=142+(x+n)=242+x，α=94°

在△OAB

1

中利用余弦定理得出：

AB

12=OA2+OB

1

2-2×OA×OB

1

×cosα

(1.5x+100)2=1422+(242+x)2-2×142×(242+x)×cos94°

求解取整：x=320

则AB=420mm

气弹簧上安装点的位置为A点，B点设在举升门上，距A点的长度为320+100=420mm。

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，对举升门转动不做贡献，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、确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组成部件的质量之总和。包括举升门钣金件、后风挡玻璃、后雨刮器系统（包括电机与刮臂）、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，利用CATIA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XZ平面坐标点（以举升门铰链中心轴位原点，如图1坐标轴）为（X=197.22，Y=0，Z=-480.21）

五、计算气弹簧的最小支撑力，分析举升门的开启力和关闭力

1.举升门XZ平面工况要求

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——举升门处于水平位置（重心E与O的连线OE水平）

状态4——举升门完全开启

状态0-1——举升门重力力矩大于气弹簧支撑力力矩，开启时需提供外力才能将门打开

状态1-2——举升门重力力矩等于气弹簧支撑力力矩，此时举升门处于平衡区域，无须提供外力举升门即可处于静止状态。

状态2-4——举升门重力矩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（举升门完全开启），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，当举升门完全开启时，根据受力情况，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

α——举升门开启角度

β——质心与铰链转轴中心的连线与OB1之间的夹角

θ——举升门关闭时，OB与垂线之间的夹角

并且令∠OAB1=γ

对O点取力矩

其中：

则气弹簧的支撑力为：

当θ+α-β=90°时，即α=90°+β-θ时，力F最大，此时举升门处于水平位置。在△OAB1中，

其中：OA =142mm，AB

1=580mm，OB

1

=562mm

则计算得：γ=75.7°

则计算出：F max=1130N，使用两支气弹簧，因此，单个气弹簧的最小支撑力为565N，即气弹簧的最小支撑力必须大于565N才能支撑住举升门。

而且一般气弹簧的最小支撑力比理论计算值要大于10%—20%，取中间值15%，则气弹簧的最小伸展力F1=650N

3.举升门的开启力和关闭力分析

当举升门开启时，受力情况如图4所示