尾门气弹簧设计与力值计算的深入研究

刘国梁

（北汽福田汽车股份有限公司，北京 102206）

前言

随着高科技的发展，人们对汽车使用性能以及车身造型流畅美，观动感的要求日益提高，现代车身技术也随之迅猛发展。因此，汽车上尾门、发动机舱盖的开启机构不仅要符合车身整体造型的需要，同时需兼顾安全、方便、使用可靠，气弹簧可以很好地满足这些要求。气弹簧具有容易布置、可靠性高、安装结构简单等优点。因而广泛运用在汽车、家具、医疗设备等行业。本文将介绍自由型气弹簧（ 以下简称气弹簧）在汽车尾门上的相关布置设计。

1 气弹簧的结构及工作原理

1.1 气弹簧的定义

气弹簧是指由一个密闭缸筒和可以在缸筒内滑动的活塞组件及活塞杆组成的以压缩气体为贮能介质的机构。

1.2 气弹簧的结构

气弹簧主要有自由型气弹簧、自锁型气弹簧、牵引式气弹簧、阻尼器等类型。气弹簧按照结构形式也可分为不可变阻尼结构和变阻尼结构。不可变阻尼结构气弹簧的活塞上有孔，气体在活塞孔中流通，液压油主要起阻尼和润滑作用。变阻尼结构气弹簧是在气弹簧缸筒上布置一道凸起的槽，活塞上无孔，液压油比不可变阻尼结构气弹簧少，主要对活塞起润滑作用。本文着重论述应用范围最广的气弹簧-自由型气弹簧，它主要起支撑作用，只有最短和最长两个静态使用位置。

自由型气弹簧一般由杆端连接件、密封/导向组件、油、压力管、活塞杆、活塞组件、管端连接件、活塞系统、有杆腔、无杆腔和缸筒等组成，如图1所示。

图1 气弹簧组成简图

1.3 气弹簧的特点

1）气弹簧工作过程比较稳定，使用寿命长。

2）具有支撑、牵引、缓冲、减震、轻便、动态、可调整、消除噪音等功能。

3）气弹簧可以提供精确的支撑力，并控制开启速度及阻尼。它作为支撑部件被广泛应用于尾门和引擎盖的重力平衡系统。

4）多样化的尺寸与力值匹配、线性化的力值变化、根据应用要求，可输出持续递增或递减的支撑力、根据应用要求，灵活的选择动态或者定态阻尼、多样化的末端安装组件组合，实现快速简易安装需求、宽泛的应用温度范围-40℃～80℃。

5）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。

1.4 气弹簧的工作原理

在密闭的活塞缸筒内充入高压气体（一般为氮气），两边气体压强作用在活塞面，由于两边压强的不同以及有杆腔和无杆腔的截面积差，形成活塞杆输出推力（即气弹簧的支撑力）。在尾门开启到一定角度后，气弹簧的输出力矩大于重力矩，可有效将尾门撑起,方便乘客的行李搬运，同时保证乘员安全。氮气具有较理想的非线性弹性特征，在实现开启和关闭的过程中比较平稳。

气弹簧的活塞缸筒中注入了少量的液压油，液压油起润滑和阻尼作用。气弹簧运行到行程末端,通过阻尼油或气压阻减速，防止尾门冲击造成铰链等部件承受过载力而受损坏。如下图2所示,设（Fc为气弹簧支撑力、N2为氮气、Pgas为气弹簧缸筒内气压、Patmosphere为大气压，下式中简写为Patm；a为气弹簧活塞杆直径、A为气弹簧缸筒直径），在不考虑摩擦力情况下，根据气弹簧左右两边压力平衡原理，即可以推出Fc气弹簧支撑力计算公式如下：

图2 气弹簧工作原理图

Fc+Patm x a =［Pgas x A–Pgas x (A-a)］

Fc =［Pgas x A – Pgas x (A-a)］–Patm x a

Fc = (Pgas–Patm) x a

由于Patm为一定值，即一个标准大气压。1标准大气压=760毫米汞柱=1.0133 X 10的5次方帕＝0.10133MPa；一般情况下，气弹簧可以充入12～15个气压，远远大于Patm,则Patm可以忽略不计。所以Fc = Pgas x a。

由公式Fc = Pgas x a可以看出，在使用工况输出力的情况下，得知气弹簧充气量；所以可以得出气弹簧支撑力Fc仅与杆径a和充气气压Pgas有关。

气弹簧的力学特性曲线能够较好的反应气弹簧在伸展和压缩过程中力随行程的变化，如图3所示，其中F1为活塞杆伸展到距离其最大行程L时输出力值，F2为活塞杆开始伸展行程L时输出力值，F3为活塞杆开始压缩行程L吋输出力的值，F4为活塞杆压缩距最大行程L时输出力的值（测量值与行程L有关，当行程L小于等于80mm时，测量值=5mm；当行程L大于80mm时，测量值=10mm）。

图3 气弹簧力学特性图

气弹簧是采用高压气体为贮能介质的封闭零件。气弹簧缸筒为密封状态，缸筒内两气室相通，压强相等。当关闭车门时，随着活塞杆的压入，气室体积逐渐减小，压强P逐渐增大，活塞杆的伸出力F也逐渐增大；开启车门时，活塞杆伸出，气室体积逐渐增大，压强P逐渐减小，伸出力F也逐渐减小。受力面积S是恒定不变的，在实际生产中，环境温度也是要求近似恒定的(20±2℃)，所以在具体运动中F与活塞行程L近似表现为一种线性关系。（如图3所示）

2 气弹簧的布置

2.1 气弹簧的布置形式

气弹簧在汽车尾门上的布置形式一般有挺举式和翻转式两种。挺举式是指气弹簧的上安装点在车门上，下安装点在车身上，如图4所示；车门在幵闭过程中活塞杆始终在活塞筒的下方，如图4所示。此种布置形式的优点就是在气弹簧运行过程中其油液能够较好的起到阻尼作用，且车门闭合时对铰链的冲击力较小。

图4 气弹簧挺举式布置形式简图

图5 挺举式结构气弹簧运动示意图

翻转式布置指的是气弹簧的上安装点在车身上，下安装点在车门上，尾门在开启过程中，活塞杆由活塞筒的下方翻至活塞筒的上方，如图6所示；采用此种布置形式，在尾门幵启过程中气弹簧位置会上下颠倒，油液流至活塞筒中间部位，导致运行速度减慢。在行程末端，油液从有杆腔流至无杆腔，气弹簧运行速度会瞬间上升，导致尾门完全开启时有较大的抖动，且影响铰链安装处的钣金强度。

图6 气弹簧翻转式布置形式简图

图7 翻转式结构气弹簧运动示意图

一般情况下气弹簧的布置形式没有特殊的要求，建议优先选用挺举式布置方案，但由于某些造型因素上的限制；气弹簧布置空间、尾门开启角度、人机工程等不能满足的条件下可采用气弹簧翻转式布置方案，该方案较多地应用在小型车上。

2.2 气弹簧的布置安装设计

2.2.1 尾门铰链轴中心及空间校核

气弹簧布置设计之前，尾门上两个铰链必须同轴，尾门在沿着铰链轴转动全过程中与车身周围无干涉，且保留足够的安全间隙，一般要求为8mm以上。另外，气弹簧必须有足够的安装空间，能保证总装线上的工人能够方便地将气弹簧安装在车身上。如图8所示：

图8 翻转式布置气弹簧与周边间隙示意图

2.2.2 气弹簧在尾门上安装点的位置和尾门开启角的确定

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。

在尾门关闭状态下，气弹簧安装一般活塞筒处于上方，活塞杆处于下方。气弹簧与门内板连接由带有螺纹段的球头轴销通过尾门内板上安装过孔安装在尾门内板上。在布置尾门上安装点时要校核气弹簧活塞外径及气弹簧运动的空间，保证尾门在开闭过程中与周边不会出现干涉的情况。在安装点处门内板对应的内侧通过加强螺母板来安装气弹簧。此处的安装强度、尾门的刚度必须满足气弹簧最大受力状况时的需求。气弹簧在满足尾门的开度下，尽量减小气弹簧的支撑力，因为过大的支撑力会增加气弹簧的制造成本以及尾门刚度要求。如图9所示：

图9 气弹簧在尾门上安装点的位置示意图Design Guide = 1770 mm～1900mm Small car:1770mm

图10 人机工程学校核

尾门的最大开启角度是由总布置根据人机工程学分析来确定，以美国男性第95百分位的人体进行校核，该气弹簧要能满足尾门能停于最大开启角度位置。如图10所示：目前尾门幵到最大位置时车门下边沿离地高度没有法规规定。根据人站在地面上使用方便性，尾门开启角度设计到开启最大角度的位置时，尾门下部最低点高度应在离地面1900mm以上，来确定尾门的开启角度。这样设计是基于既要考虑人的头部不易碰到尾门下部最低点，又要照顾关门操作方便性要求。由于每种车型车身的高度与结构不同，各车型尾门幵启角度也不同，最主要的是在设计时必须保证尾门最大开启角度小于铰链能达到的最大开启角度。

2.2.3 气弹簧的有效行程及下安装点的确定

有效行程是指气弹簧在车门关闭至车门完全开启时长度变化的尺寸。气弹簧的有效行程通过计算得出，如图11中，α为尾门初始位置至终止位置的开启角度；A点为尾门铰链转轴中心；B点为尾门初始位气弹簧上安装点；C点为尾门终止位置气弹簧上安装点；D点为尾门气弹簧的下安装点。

发酵酱油指标检测：全氮的测定参照GB/T 5009.5-2003；氨基酸态氮和总酸的测定采用电位滴定仪；L-谷氨酸的测定采用L-谷氨酸快速检测试剂盒(德国R-Biopharm公司)。

图11 气弹簧运动示意图

设 AB=AC=c、BC=a、∠DBC=β，在三角形 ABC中，∠ABC由余弦定理可得：

设 x为弹簧有效行程,n为弹簧两端头结构占用长度之和，BD=x+n 则CD=2x+n，在三角形BCD中利用余弦定理得出：

上式中β、α已知，n值一般根据气弹簧结构不同取值范围在90mm～120mm之间。代入各数据求出一元二次方程的有用根就是我们所求的气弹簧的有效行程。由图11可知，x+n就是初始状态上安装点至下安装点的距离。在门上找到此点位置，即D点,并对型面做适当调整。当铰链转轴中心、上安装点和下安装点位于一条直线上时，此时气弹簧的力臂为零，对尾门闭合不做贡献。所以此位置称作气弹簧工作死点。实际操作时，B点应该修正到A、D连线偏左1mm～2mm的位置，以防B点在尾门完全闭合之前成为气弹簧工作死点的位置，从而提高尾门闭合的安全性。

3 气弹簧设计计算

3.1 用数学模型计算气弹簧的最小支撑力

气弹簧的力学模型图如图12所示，在实际应用过程中，为了确保气弹簧能按照要求在最大开启时完全支撑开尾门，F1一定要能满足要求。F1为气弹簧最小支撑力，G为尾门重力，L为尾门重心到铰链中心的距离，b为气弹簧伸展时杆臂的有效力臂，α为尾门开启后与水平面夹角，a为重力臂，n为气弹簧数量、通常取2，K为安全系数一般取1.1～1.2；根据力矩平衡原理，可以推出气弹簧所需最小支撑力F1的计算公式，下式（3）：

图12 气弹簧力学模型图

由图12和力矩平衡原理得：F1 x b x n = G x a x K

由余弦函数得：a = L x cos a

则气弹簧最小支撑力

3.2 尾门操作力的计算

当尾门在关闭状态时，在把手处施加某力，确保车门打开通过平衡点，此时把手处的操作力为尾门开启力；当尾门在开启状态时，在把手处施加某力，确保车门关闭通过平衡点，此时把手处的操作力为尾门关闭力。

图13 尾门受力图

尾门在开闭状态下受力如图13所示，设M为尾门重心到铰链轴线的距离，R为气弹簧下安装点到铰链轴线的距离，ω为尾门未过平衡点开启的某一角度，pc为尾门开启力，po为尾门关闭力，G为尾门重量，Rc为尾门关闭状态下把手到铰链轴线的距离，bc为尾门开启ω角度吋至铰链轴线距离,Fc为尾门开启ω时气弹簧内部的支撑力，ac为尾门关闭状态下气弹簧到铰链轴线的距离，Ro为尾门开启状态下把手到铰链轴线的距离，bo为尾门开启状态下尾门重心到铰链轴线的距离, FO为尾门完全打开时撑杆内部的支撑力，ao为尾门开启状态下气弹簧到铰链轴线的距离，α为尾门开启ω角度时与气弹簧的夹角，β为尾门完全开启时与气弹簧的夹角，φ为尾门开启ω角度与尾门完全幵启时的夹角。

根据力矩平衡原理得①②两等式：

①当尾门完全关闭状态时气弹簧的支撑力由下等式可以推出

②当尾门完全开启状态时气弹簧的支撑力由下等式可以推出

根据图13，尾门受力图和三角函数公式可以推出③④⑤⑥四等式

由①②③④⑤⑥六个等式可以推出：

则：尾门开启力Pc =［M x G x sinω–2Fc x（R x sinα）］/ Rc

尾门关闭力Po =［2Fo x R x sinβ–M x sin（φ+ω-90）x G］/ Ro

图14 某车开关门力示意图

图15 常温下操作力计算结果

以下是某车开关门力示意图，如图14所示，车门开启角度为78°，将选取其中10个角度作为操作力的计算点，根据尾门操作力的计算公式，常温下得出操作力如图15所示，绘制出常温下操作力随开启角度变化的曲线如图16所示。

图16 常温下操作力随不同角度的变化曲线

由于气弹簧受温度的影响较大，根据经验值及试验结果，温度每增加或减小 1°，其气弹簧最小支撑力相应的变化 3‰～5‰，气弹簧一般的使用温度是-40℃～80℃，温度变化大，故对气弹簧的操作力产生较大的影响。所以在计算操作力的时候,应考虑在不同温度下消费者的操作感受。图17和图19是气弹簧在低温（-40℃）和高温（80℃）下的计算操作力的计算结果，并绘制出低高温下操作力随开启角度变化的曲线如图18和图20所示。

图17 低温下操作力计算结果

图18 低温下操作力随不同角度的变化曲线

图19 高温下操作力计算结果

图20 高温下操作力随不同角度的变化曲线

综合上述高低温和常温三种温度下操作力的计算结果得出如下组合变化曲线，如下图21所示：

图21 高低温和常温三种温度下操作力随不同角度的变化曲线

4 结论

本文通过结合物理学中的力矩平衡原理对自由型气弹簧固有特性进行详细的分析，并考虑在环境温度对气弹簧固有特性的影响下，对汽车尾门气弹簧的布置及设计计算过程做了详细的分析，论述了气弹簧正向布置设计的思路及方法，打破了以前逆向设计或实车匹配的设计方法，使产品设计更加科学化。而且在设计阶段通过力值的分析就能进行气弹簧的可行性分析，提高了产品设计质量。本文可为其他车型气弹簧的正向设计与布置提供参考。