气弹簧在壁床中的选型设计

摘   要： 随着空间充分利用、合理收纳理念兴起，能够充分优化利用房屋空间的壁床受到关注。气弹簧是壁床上一个非常关键的启闭五金件，其设计质量较大程度上影响壁床的使用舒适度、收放利用寿命等。从气弹簧安装点优化设计和双向阻尼功能设计两个方面，对气弹簧进行选型设计;优化安装点设计，以直翻壁床为例，建立坐标系，构建壁床力学模型，研讨不同壁床开启、关闭角度下的手部操作力，减轻壁床开启时的手部操作力;强化双向阻尼功能设计，对气弹簧进行结构改造，加装机械弹簧和阻尼片，避免壁床关闭时的打板现象。优化后，壁床使用者的便利性、舒适性、安全性得到提升，为气弹簧应用于壁床时的选型设计提供了一种设计思路。

关键词： 气弹簧;壁床;安装点优化设计;双向阻尼;手部操作力;打板

中图分类号：TH135    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 04-030-04

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.005

引言

当前，房屋空间充分利用成为一种时尚，也是一种需求[1]。壁床具有隐藏式床体設计结构[2]，能够充分优化利用房屋空间，越来越受到人们的欢迎[3]。

然而，目前市面上大部分壁床使用体验不够好，其主要原因是气弹簧选型不够优化[4]。气弹簧是壁床上一个非常关键的启闭五金件，其设计质量能够较大程度上影响壁床的使用舒适度[5-6]。本文从气弹簧安装点优化设计和双向阻尼功能设计两个方面，对气弹簧进行选型设计，以提升壁床使用者的安全和舒适体验。

1  气弹簧安装点优化设计

1.1  结构分析

目前市面上壁床有直翻和侧翻两类[7]。直翻壁床以床体的长度作为翻转半径，床体的重心产生的力矩较大，所需气弹簧支撑力矩也大。侧翻壁床以床体的宽度作为翻转半径，床体的重心产生的力矩较小，所需气弹簧支撑力矩也小。

本文以直翻壁床为研究对象，气弹簧受限于壁床的整体设计厚度，气弹簧的力臂较小，所以要求气弹簧的支撑力较大。直翻壁床又分为轻型床和重型床，轻型床大多是宽度为1.3 m、长度为1.8 m的床体，重型床大多是宽度为1.5 m、长度为2 m的床体。本次选型以1.5 m×2 m的重型床为例，该床体的床架、床垫质量总计大约100 kg。床的关闭点以最外床沿处为着力点;床的开启点不宜太高，在1.5～1.7 m较为合适。收纳床体的框架应该做得尽量薄，减少室内占用空间，宽度为0.3～0.4 m一般较为合适。综上，除了气弹簧的安装点选择较为自由，其他的关键点均受到较大限制。本文以铰链原点为（0， 0）点，建立直角坐标系。

1.2  手部操作力计算

根据气弹簧的力值特性，假定气弹簧弹伸到最长位置预压缩5 mm处的力值为F1，压缩到最短位置预弹伸5 mm处的力值为F2，如图1所示。

假设气弹簧行程为，则可计算出任意弹伸时行程下的气弹簧弹力为

（1）

根据图2所示的壁床简易模型，构建如图3所示的壁床力学模型。

根据力臂平衡原理

（2）

壁床关闭过程中，

（3）

（4）

开启过程中，

（5）

（6）

式（3）～（6）中，n为气弹簧数量，暂定为2;W为床体质量;FH为手关闭力;FH'为手开启力;ξ为温度对气弹簧力值的影响系数;Li-j为点i和j之间的长度;是壁床的任意开启角度。

此外，在气弹簧的安装点中，04点是固定点，03点绕着01点旋转，所以在运动过程中L1-3和L1-4长度不变。根据余弦定理，可计算气弹簧的弹伸长度，即

（7）

（8）

（9）

式（8）中，是壁床完全开启后L1-3和L1-4的夹角。

联合式（1）～（9），可以得到壁床开启和关闭时手部操作力公式分别为

（10）

（11）

根据式（10）～（11），得到如图4所示的手部操作力曲线图，其中包括低温、常温、高温三种情况。实线为壁床关闭曲线，即床体上翻，角度从0°到90°;虚线为壁床开启曲线，即床体下落，角度从90°到0°。

1.3  力值选择

根据式（10）～（11）可得到手部操作力随着壁床开启或关闭角度的变化而变化的情况：

在壁床开启过程中，随着床体的下落，气弹簧逐渐压缩，气弹簧提供的力值逐渐增大，提供的顺时针力矩变大，到壁床完全开启后，达到最大压缩量，即行程用完，此时气弹簧力和提供的力矩最大。在这个过程中，需要注意气弹簧力值和重力的平衡关系，以使手部操作力适中。如果气弹簧力值过大，则手部操作力就会很大;如果气弹簧力值太小，床体下落的速度会很快，甚至直接砸到地面。

同理，在壁床关闭过程中，随着床体的翻起，气弹簧是逐渐弹伸的，气弹簧提供的力值逐渐变小，提供的顺时针力矩也会变小。如果气弹簧力值过大，则闭合时会造成床体与竖直床架打板;反之，会增加壁床开启过程中手部操作力。

基于如上描述的力值选择矛盾点，需要特别关注气弹簧力值曲线图的绘制。

在合理的F1范围内，应当增加气弹簧的弹性系数X（F2与F1的比值），使壁床开启过程中，手脱离后，壁床最后能缓慢落地。在这一过程中F2的值应当尽量大，使气弹簧逆时针力矩能抵消壁床框架下落产生的逐渐增加的重力顺时针力矩。最有效的途径是在气弹簧中注入更多的液压油，以增强弹性系数。注入液压油后，如果弹性系数仍然较小，则需要在气弹簧压力管端加一个机械弹簧，该机械弹簧的弹性系数可处于一个合理范围，以实现选型中需要的气弹簧力值变化。如图5所示，以横坐标为行程，纵坐标为气弹簧力值，那么s3点即为气弹簧内部活塞接触到机械弹簧后产生的力值变化起始点。

2  气弹簧双向阻尼功能设计

首先，在气弹簧弹伸方向，需要有强大的阻尼功能，才能使壁床在关闭过程中不会发生打板现象。如图6所示，在气弹簧内部，靠近活塞杆端加装机械弹簧（序号03）和阻尼片（序号02）。当内部活塞组件到达阻尼区时，阻尼片受到机械弹簧的支撑力，不再与活塞组件有间隙，此时气体只能通过阻尼片的较小孔径流通到另一侧，从而形成较强阻尼。

同时，在活塞组件的模块上加装压缩方向的阻尼片（序号01），气弹簧压缩后，气体也需要经过该阻尼片的孔径流通到另一侧，但是该压缩阻尼不大。当壁床完全打开，气弹簧压缩到最短的时候，力值平衡，壁床缓慢下落。

根据第1章的思路，如果床体质量为70～120 kg，那么壁床安装点得以优化后，F1为800～2 000 N。对于较大力值，弹伸阻尼效果不强，所以在选型时，应使得F1尽量小，使壁床在关闭的最后阶段不会因为弹伸方向阻尼弱而发生对墙壁的打板现象。

3  结论与讨论

本文从气弹簧安装点优化设计和双向阻尼功能设计两个方面，对气弹簧进行了选型设计。本文只是针对普通气弹簧应用于壁床时该如何选型进行了一些注意事项层面的分析说明，所代表的是普遍性，不专门针对气弹簧的特殊应用。

在选型过程中需要注意每个厂家气弹簧的基础数据是不一样的，气弹簧的固有参数，如弹性系数、总长和行程等都是有范围的，对阻尼功能等进行设计时，需要注意参数的可实现性，否则可能设计出自相矛盾的设计方案。

同时，固有參数的特定范围恰恰体现了安装点选择的重要性。通过本文的研究，良好的气弹簧和床架安装点设置，合理的力值、弹性系数选择能有效提高壁床的使用手感，使开启、关闭壁床过程中手部操作力合适，上翻、下翻过程中速度感觉良好，阻尼合适。对壁床使用者减轻操作力、提升手感体验等具有重要意义，需要在壁床选型设计中充分重视。

参考文献

[1] 李芾， 付茂海， 黄运华. 空气弹簧动力学特性参数分析[J]. 西南交通大学学报， 2003， 38（3）： 276-281.

[2] 韩晓娟. 空气弹簧的特性及应用研究[J]. 机械设计与制造， 2001（4）： 78.

[3] 周长城， 任传波. 最佳阻尼匹配减振器阀片厚度优化设计与特性试验[J]. 振动工程学报， 2009， 22（1）： 54-59.

[4] 贺李平. 汽车减振器动态特性仿真技术研究[D]. 北京： 北京理工大学， 2010.

[5] 杨猛. 油气弹簧阻尼结构的特性研究[D]. 北京： 北京理工大学， 2015.

[6] 王智高. 小户型居室家具设计研究[D]. 齐齐哈尔： 齐齐哈尔大学， 2012.

[8] 蒋玉珠， 徐延海. 四用折叠家具[J]. 建筑材料工业， 1957（7）： 37.

作者简介：

张徐前（1988—），通信作者，男，机械工程师。研究方向：气弹簧应用。

E-mail： 742739443@qq.com

（收稿日期：2020-05-14）

Selection and Design of Gas Spring in Wall Bed

ZHANG Xu-qian

（Stabilus （Shanghai） Mechanical and Electrical Technology Service Co.， Ltd.， Shanghai 201203， China）

Abstract： With the emerge of concepts including full use of space and reasonable storage， more and more attention has been paid to the wall bed which can make full use of the housing space. Air spring is a very important opening and closing hardware of the wall bed， its design quality greatly affects the comfort and service life of the wall bed. From two aspects of the design of the gas spring， namely， the installation point optimal design and the bidirectional damping function design， the gas spring is selected and designed. In the optimization of the installation point optimal design， the straight wall bed is taken as an example， the coordinate system is established， and the mechanical model of the wall bed is built， to discuss the hand operation force under different opening and closing angles of the wall bed， which reduces the hand operation force when the wall bed is opened; in the enhancement of the bidirectional damping function design， the structural transformation of the air spring is carried out， and the mechanical spring and damping sheets are installed to avoid the phenomenon of board beating when the wall bed is closed. After optimization， the convenience， comfort and safety of users of the wall bed are improved， providing a design idea for the selection and design of air spring when it is applied to the wall bed.

Key words： Gas Spring; Wall Bed; Installation Point Optimal Design; Bidirectional Damping; Hand Operation Force; Board Beating