微车背门的气弹簧布置

2l12 − l22 l2 r= + 2 2
假设l1=1.5l2（一般是1.5倍左右，Fiat1.44，307-1.68，C4-1.43）， r=1.44 l2 当r=1.44l2时，方能使α满足90º开启要求。 ★按照此公式计算r值，与实际安装尺寸的误差：Fiat为7.7%，307为3.6%，C4为4.0%。 ②反转布置方式公式相似，l2 /2前的符号为负：
微车尾门气弹簧的布置
一、气弹簧的介绍
1.什么是气弹簧？
气弹簧也叫气撑杆，顾名思义它是一个由气体产生弹性力从而起支撑和连接作用的一 种器件。气弹簧一般由四部分组成：活塞及活塞杆、缸体、工作介质（气体）和接头。气 弹簧有多种形式，如：自由型气弹簧（支撑杆）、自锁型气弹簧（调角器、气压棒）、随 意停气弹簧（摩擦式气弹簧）、阻尼器和牵引式气弹簧。
XXX
正转
XX
XXX
反转
XXX
正转与反转各有各的特点，按其需要选择布置方式。相同的尾门开度，正转需要的摆 转空间比反转的小，但安装尺寸L一般比反转的长，正转的气弹簧活塞杆始终朝下，对其性 能发挥有一定的好处。
3. 气弹簧的布置方法。
1)、选取已有的气弹簧的尺寸，然后计算安装点。 ①在之前我们先简化一下气弹簧的布置模型，和对其进行几何分析如下： 如图：气弹簧在XZ平面上以反转布 置方式安装，边OA、AB在同一方向， 两边相加等于OB；O——背门铰链中心 轴；A——气弹簧门框安装点；B——门 关闭时，气弹簧门上安装点；C——门 完全开启时，气弹簧门上安装点
S为气弹簧的行程 V1 = π ⋅ R 2 ⋅ S p1 V1 − π ⋅ r 2 ⋅ S r2 = = 1− 2 p2 V1 R r2 则：p1 = p2 ⋅ (1 − 2 ) R
也可以表示为：
⇔
p1 ⋅ R 2 p2 = 2 2 R −r
于是伸长状态1与压缩状态2支撑力的变化∆F：
∆F = F2 − F1
由公式看，如果∆F要取得最小值：则要R>>r，但r 太小了又使支撑力F变小，而R太大也不可能，受安装 空间限制。所以一般R=11~14，r=4、5、7。支撑力变 化有100N左右。可参见后面的参数。
⇔
→
r2 或者：∆F = F1 ⋅ 2 2 R −r
则 : ∆F = p1 ⋅ π ⋅ r 2 ⋅ a = F1 ⋅ a
由此可见两种状态的支撑力的变化量的大小由气弹簧的缸径和杆径的大小和初始气压（氮 气量）决定的。而一般气弹簧由供应商规定了系列产品，即缸径和杆径有了系列的定值 （也可由主机厂自行设定），这将在后面的参数介绍有说明。所以按设计需要的气弹簧公 称力来装入氮气量。
3)、压缩过程中压缩量l与支撑力F的关系：
⇔
或者： F =
F1 r2 l 1− 2 ⋅ R S
其中l/S为压缩量与满行程的比值，l增大则F也随之增大，也就是越压缩需要的力气就越大， l/S l/ l F 符合现实气弹簧的力学现象。
3. 气弹簧的种类。
1)、自由型气弹簧 自由型气弹簧（支撑杆）是应用最为广泛的气弹簧。它主要起支撑作用，只有最 自由型气弹簧 短、最长两个位置，在行程中无法自行停止。在汽车、纺织机械、印刷设备、办公设备、 工程机械等行业应用最广。 2) 、自锁型气弹簧 自锁型气弹簧（调角器、气压棒）在医疗设备、座椅等产品上应用的最多。该种 自锁型气弹簧 气弹簧借助一些释放机构可以在行程中的任意位置停止，并且停止以后有很大的锁紧力 （可以达到10000N以上）。 3) 、随意停气弹簧 随意停气弹簧（摩擦式气弹簧）主要应用在厨房家具、医疗器械等领域。它的特 随意停气弹簧 点介于自由型气弹簧和自锁型气弹簧之间：不需要任何的外部结构而能停在行程中的任意 位置，但没有额外的锁紧力。 4) 、阻尼器 阻尼器在汽车和医疗设备上都用得比较多，其特点是阻力随着运行的速度而改变。 阻尼器 可以明显的对相连的机构的速度起阻尼作用。 5) 、牵引式气弹簧 牵引式气弹簧是一种特殊的气弹簧:别的气弹簧在自由状态的时候都处在最长的位 牵引式气弹簧 置，即在受到外力后是从最长的位置向最短的位置运动，而牵引式气弹簧的自由状态在最 短的位置，受到牵引时从最短处向最长处运行。牵引式气弹簧中也有相应的自由型、自锁 型等。 在汽车尾门上经常用的就是自由型气弹簧，起到支撑尾门的作用。
OA ≈ OB − AB = r − l2 AC = OC + OA − 2OC × OA cos α l12 = r 2 + (r − l2 ) 2 − 2r (r − l2 ) cos α
2 2(1 − cos α )r 2 − 2(1 − cos α )l2 r + l2 − l12 = 0(∆) 2 l2 − l12 r − l2 r + = 0(0<α <180°) 2(1 − cos α ) 2 2 2 2
气弹簧XZ平面安装尺寸分析，计算
2(l22 − l12 ) 2(l22 − l12 ) 2 l2 ± l − l2 − 1 − cos α = 1 − cos α + l2 r= 2 2 2
2 2
从上述推导过程中可以看出： ★当α=0º时，∆式即l22=l12，此时门无法打开。 ★当l1，l2一定时，要满足开启的角度α（0<α<180º）越大，r值就应该越小； 要满足α=90º（BF两厢），
其特点及应用：气弹簧工作过程比较稳定，使用寿命长，具有缓冲、减震，消除噪音 等功能。广泛用于汽车、纺机、印刷、食品、烟草等各种机械上，实现门窗的举升、暂停、 闭合等动作。使用实例如下：
2. 气弹簧的一般工作原理。
气弹簧是以气体和液体为工作介质的一种弹性元件，由压力管，活塞及若干联接件组 成，其内部充有高压氮气，因为活塞有通孔，所以两端气体气压均等，又由于两端受力面 积不同而产生向外的弹力，弹力的大小可以通过设置不同的氮气气压而设定。与机械弹簧 不同的是，气弹簧具有近乎线性的弹性曲线。标准气弹簧的弹性系数k介于1.2和1.4之间， 其他参数可根据要求及工况灵活定义。
2. 气弹簧的布置方式。
气弹簧在尾门开启时按其气弹簧的旋转方向方式分正转和反转两种布置方式。正转 正转： 正转 从车左侧面（车头方向在左，车尾在右）看过去，旋转方向为顺时针的布置方式为正转； 这种方式的气弹簧的上安装点布置在尾门上，下安装点在后侧围门框上；尾门开启时气弹 簧弹簧力向上。反转 反转：情况与正转相反。从车左侧面（车头方向在左，车尾在右）看过去， 反转 旋转方向为逆时针的布置方式为反转；这种方式的气弹簧的上安装点布置在后侧围门框上， 下安装点在尾门上；尾门开启时气弹簧弹簧力向下。正转的车有XX、XXX，反转的车有 XXX、XXX、XXX等车型。
l r =
2 2
2 ( l 22 − l 12 ) − 1 − cos α − l 2 2 2
③从已有系列的气弹簧中选取一种，按其已知尺寸计算求r： 选用某款气弹簧YQ10/22-004，其参数：杆径d=10mm，缸径D=22mm，安装尺寸 L=530mm，行程S=210mm，公称力F=600N
在尾门上 气弹簧压 布置点到 气弹簧行 气弹簧自 尾门定义 数模测量 误差值 车型 布置方式 缩后长度 铰链轴的 程S 然长度l1 开度α 实际值r0 ω% l2 计算距离 r 新设计 反转 210 530 328 79 530.04 0 #DIV/0!
一般气弹簧冲入的氮气量有60~80个大气压，气弹簧力远大于大气压力，则上式可省略p0：
大气压 力F0
[
(
)]
F = p ⋅π ⋅ r 2 1 = ⋅ p ⋅π ⋅ d 2 4
由公式看，气弹簧支撑力F仅与杆径r和 充气气压p有关
2)、气弹簧压缩与伸长过程支撑力的改变：
设伸长状态（自然状态）为1状态，压缩状态为2状态，有： p1 ⋅V1 p2 ⋅ V2 = = 恒量 T1 T2 如果不考虑气温的变化，则：p1 ⋅ V1 = p2 ⋅ V2 前后状态的压强比等于它们的容积比： p1 V2 = p2 V1
2)、一般供应商提供的气弹簧的参数如下列表：
二、微车掀背式尾门气弹簧的布置
1. 先期输入条件。
造型A面、地面线、尾门铰链以及尾门的开度α ：
→
由造型科完成造型A面后，总布置科计算出地面线，然后就是尾门总成的结构设计阶 段：布置铰链线，定义尾门开度α。 尾门定义开度α：尾门造型A面的最低点绕铰链轴线旋转后，跟地面线垂直距离为 1.8m，此时的尾门状态与其关闭状态之间的夹角（即旋转角度）就是尾门定义开度α。
4. 气弹簧的参数。
1)、气弹簧的参数如：杆径d、缸径D、行程S、安装尺寸L、公称力F、接头形式。由前面 的公式分析一下这几个参数：
双向气弹簧
①杆径d：杆径d和充气气压p是与公称力F密切相关的，同气压情况下选用杆径d越大， 公称力越大。但正常情况是杆径d形成系列产品，如d=6、8、10、12、14，在同杆径情况 下冲入不同的氮气量得到不同的公称力F。
②缸径D：为了使公称力F的变化量∆F较小，尽量使缸径D远大于杆径d，但受空间和成 本等因素限制，缸径D不可能无限大，一般D/d=2~3。 ③行程S：行程S与公称力F关系不是很大，在同等气压下，行程S越大需要充气越多，只 要压缩量与行程的比值l/S相同，变化的支撑力F还是一样的。换句话说，在初始气压相同 的情况下行程S越长，相同的支撑力变化量∆F越得到细分，支撑力变化越缓慢。行程S可 根据安装需要定制。 ④安装尺寸L：也就是自然状态气弹簧的长度，按安装需要定。 ⑤公称力F：按照设计需要选取，一般比需要的最低气弹簧力稍高。公称力F大小由杆径 d和充气气压p。 ⑥接头形式：按安装空间需要选取或定制。
备注
以现有N109为例
注意：l2=l1-S+8，也就是尾门在关闭状态是弹簧的压缩行程需小于满行程S，不能压缩到极限状 态，要留8~10mm的余量。防止安装误差关不了门。
求得在尾门上的安装点到铰链轴线的计算距离r后，便可以在UG里把气弹簧在空间上 大概布置出来了。 Ⅰ.把尾门的造型A面提取出来绕布置好 的铰链轴线旋转角度α=79°
1)、不考虑摩擦力，对气弹簧进行力的推导：设支撑力F ，缸径D（半径R），杆 径d （半径r ），冲入气体压强p，活塞两端面积差S”-S’，大气压p0
F = p⋅S = p ⋅ ( S ′′ − S ′) − p0 ⋅ π ⋅ r 2 = p ⋅ π ⋅ R 2 − π ⋅ R 2 − π ⋅ r 2 − p0 ⋅ π ⋅ r 2 = ( p − p0 ) ⋅ π ⋅ r 2 1 = ⋅ ( p − p0 ) ⋅ π ⋅ d 2 4
来自百度文库
p = p1 ⋅
V1 V1 − π ⋅ r 2 ⋅ l
R2 ⋅ S = p1 ⋅ 2 R ⋅ S − r2 ⋅l p1 = r2 ⋅l 1− 2 R ⋅S
F = ( p − p0 ) ⋅ π ⋅ r 2 p1 ⋅ π ⋅ r 2 = − p0 ⋅ π ⋅ r 2 2 r ⋅l 1− 2 R ⋅S p1 ⋅ π = − p0 ⋅ π ⋅ r 2 1 1 l − 2⋅ r2 R S
Ⅱ.在XZ对称平面上用草图以铰链 轴为圆心画出半径r的圆，此时圆周就是 我们要布置在尾门上的安装点的轨迹。 在其圆上画两条夹角79 °的半径，安装 点B距离尾门分缝线20~25mm左右，如 图。
α=79°
C
B
20~25mm
Ⅲ. 再以尾门上的安装点B为圆心 半径为l2画圆，以安装点C为圆心半径为 l1画圆，如果仅仅是垂直平面XZ安装气 弹簧的话，此时两圆的交点就是气弹簧 的另一个安装点了，如图。
= [( P2 − P0 ) − ( P − P0 )]⋅ π ⋅ r 2 1 R2 = P ( 2 2 − 1) ⋅ π ⋅ r 2 1 R −r r2 2 = P ⋅π ⋅ r ⋅ 2 2 1 R −r P ⋅π ⋅ r 4 = 12 2 R −r
r2 设： = 2 2 a R −r d2 = 2 D −d2
气弹簧弹性曲线
理论上从公式推算看并非线性关系，但由于气弹簧在运 动过程活塞两端的气压均等存在个滞后性，还有摩擦力的 作用，所以气弹簧的作用力可近似线性关系。标准气弹簧 的弹性系数k介于1.2和1.4之间。
或者： F = F1 + k ⋅ l
不考虑大气压的影响，则上式为：
F=
p1 ⋅ π 1 1 l − 2⋅ r2 R S