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-1-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。-2-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。XZOABB1α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）B1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，AB1=1.5x+nn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，OB1=OB=OA+AB=142+(x+n)=242+x，α=94°在△OAB1中利用余弦定理得出：AB12=OA2+OB12-2×OA×OB1×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。-3-四、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-4-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-5-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，AB1=580mm，OB1=562mm则计算得：γ=75.7°则计算出：Fmax=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=650N3.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-6-图4举升门开启时受力分析其中：FO为举升门开启力LO为开启力力臂FPO为举升门开启时，气弹簧的助力KO为举升门重力力臂对O点取力矩从上式可以看出，适当增加气弹簧助力FPO的力臂dO（图4中do=0），则可以减小开启力，即可以将A点向左侧调整，使A点不在OB连线上。当举升门关闭时，受力情况如图5所示-7-图5举升门关闭时受力分析其中：FC为举升门关闭力LC为关闭力力臂FPC为气弹簧的支撑力KC为举升门重力力臂对O点取力矩从上式可以看出，适当减小气弹簧支撑力FPC，则可以减小关闭力，根据支撑力的推导公式：-8-因为α＞90°可以看出只有当（θ-β）越大，支撑力越小，因此适当将气撑杆的下安装点B往右侧移动，可以减小举升门关闭力。六、总结经过以上的理论分析计算，气弹簧的几何尺寸、最小支撑力等基本参数已经可以确定。根据这些基本参数可以在气弹簧供应商产品系列中选择与基本参数接近的现成产品。依据气弹簧的基本参数及所选气弹簧规格形式建立气弹簧3D数模，并进行运动分析，验证举升门开启过程中，气弹簧与周边件有无干涉，气弹簧的球头运动是否自如，有无干涉卡死的现象，根据运动分析结果，做必要的调整。然后应用CAE分析软件，分析安装点周边强度及刚度是否足够，根据分析结果，进行局部加强。参考文献：[1].潘玉华.汽车车身气弹簧应用设计分析，众泰控股集团有限公司，2009[2].谷正气.轿车车身[M].北京：人民交通出版社，2002