两厢车背门气弹簧布置

背门受力分析

1.气弹簧一般工作原理

★气弹簧不受外力时，自然伸长为最小行程（指压缩行程）处，即最大伸长处；

★活塞两边气压相等，由于受力面积不同，产生压力差提供气弹簧的支撑力；

★气弹簧运动中瞬时提供的总支撑力包括两部分：压力差产生的支撑力和摩擦力。

★外力压缩气弹簧，由于撑杆在气室内体积增大，压缩气体的有效容积变小，气室气压变大，压力差产生的支撑力变大；

★摩擦力变化：

气室压力越大，摩擦力越大，

撑杆运动越快，摩擦力越大，

离自然伸长处越远，摩擦力越大；

★气温影响气弹簧支撑力：气温越低，气室压力越低，气弹簧提供的支撑力越小。

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2.背门XZ平面静止状态分析

2.1气弹簧XZ平面安装尺寸分析

模型简化：

★边OA、AB在同一方向，两边相加等于OB；

下图中：

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；

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2

2

2

2

22212222

22212

2

2

212222222

212122

22

OA OB AB AC OC OA 2OC OA cos ()2()cos 2(1cos )2(1cos )0()0(0<<180)

2(1cos )2()2()1cos 1cos 2r l l r r l r r l r l r l l l l r l r l l l l l l l l r αα

αααααα≈-=-=+-⨯=+------+-=∆--+=︒---±--

--=

=+

从上述推导过程中可以看出：

★当α=0º时，∆式即l 22=l 12，此时门无法打开。

★当l 1，l 2一定时，要满足开启的角度α（0<α<180º）越大，r 值就应该越小；

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要满足α=90º（BF 两厢），

2

2l r =+

假设l 1=1.5l 2（一般是1.5倍左右，Fiat1.44，307-1.68，C4-1.43），

r =1.44 l 2

当r =1.44l 2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%。

2.2背门XZ平面工况要求

下图中：

W——门的重力；

E——门的重心，设OE长度=k；

状态1——背门下平衡点；

状态2——背门上平衡点；

状态3——背门处于水平位置（重心E与O的连线OE水平）；

状态4——背门完全开启；

状态0-1——背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

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将门打开。

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

状态2-4——背门重力力矩小于气弹簧支撑力力矩，背门会自行打开，直至达到气弹簧最小行程处（背门完全开启），状态3时重力力矩最大。

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2.3气弹簧XZ平面支撑力分析

2.3.1气弹簧的最大支撑力

下图中：

F——气弹簧支撑力；

d——气弹簧支撑力力臂，即O到AC的距离；

W——门的重力；

E——门的重心，设OE长度=k；

Φ——门关闭时，OB与垂线之间的夹角；

β——OC与OE之间的夹角；

γ——∠OAC

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在△OAC 中，

222

21222

2112arccos

2,,()arccos

2()OA AC OC

OA AC

OA r l AC l OC r r l l r l r l γγ+-=•=-==-+-=-其中

对O 点取力矩

22sin(180)

sin()d OAsin ()sin sin()()sin F d W k W k F d

r l W k F r l φαβφαβγγ

φαβγ•=••︒--+••+-=

==-••+-=

-而

当Φ+α-β=90º，即α=90º+β-Φ时，力F 最大，此时背门处于水平位置（重

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心E 与O 的连线OE 水平）。

2

()sin W k

F r l γ•=

-

由此可见，气弹簧的支撑力必须大于F 方能支撑住门，使门向上打开不致于引起下坠。

★一般气弹簧的最大支撑力比理论计算值F 要大10-20%以上。 2.3.2背门的平衡条件

状态

开启角

能否平衡

摩擦力F f

总支撑力力矩M F 与 重力力矩M W 比

较

类型/大小

方向

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注：上表各状态均为无外力时分析，F s为最大静摩擦力，

★状态2时背门开启的角度为α2：

当背门开启角α>α2时，背门会自行开启，直至达到气弹簧最小行程处（状态4，背门完全开启）；

当背门开启角α=α2时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F等于重力的力矩M W，总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供，大小为最大静摩擦力，方向同总支撑力方向相反；

当背门开启角α2>α>αb时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F等于重力的力矩M W，总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供，大小由最大静摩擦力~0（α2 ~αb），方向同总支撑力方向相反。

★状态b时背门开启的角度为αb：

当背门开启角α=αb时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F等于重力的力矩M W，总支撑力完全由压力差产生的支撑力提供，无摩擦力。

★状态1时背门开启的角度为α1：

当背门开启角α1<α<αb时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F等于重力的力矩M W，总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供，大小由0~最大静摩擦力（αb~α1），方向同总支撑力方向。

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