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。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；222222212222222122221222222221212222OAOBABACOCOA2OCOAcos()2()cos2(1cos)2(1cos)0()0(0180)2(1cos)2()2()1cos1cos222rllrrlrrlrlrllllrlrllllllllr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（0α180º）越大，r值就应该越小；要满足α=90º（BF两厢），22122222lllr假设l1=1.5l2（一般是1.5倍左右，Fiat1.44，307-1.68，C4-1.43），r=1.44l2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%。2.2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。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在△OAC中，222212222112arccos2,,()arccos2()OAACOCOAACOArlAClOCrrllrlrl其中对O点取力矩22sin(180)sin()dOAsin()sinsin()()sinFdWkWkFdrlWkFrl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（重心E与O的连线OE水平）。2()sinWkFrl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Ff总支撑力力矩MF与重力力矩MW比较类型/大小方向00º0~10ºαα1否动态/FfA→BMFMW1α=α1能静态/Fs→0A→BMF=MW1~bα1ααb能静态/FsA→BMF=MWbα=αb能0无MF=MWb~2αbαα2能静态/0→FsB→AMF=MW2α=α2能静态/FsB→AMF=MW2~4α2αα4否动态/FfB→AMFMW4α=αmax注：上表各状态均为无外力时分析，Fs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αα2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MF等于重力的力矩MW，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α2ααb时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩MF等于重力的力矩MW，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MF等于重力的力矩MW，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α1ααb时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩MF等于重力的力矩MW，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。当背门开启角α=α1时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩MF等于重力的力矩MW，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；当背门开启角αα1时，背门会自行关闭，直至达到气弹簧最大行程处（状态0，背门完全关闭）；2.3.3气温对气弹簧支撑力的影响查尔斯定律：Pi/Ti=Pf/TfT为开尔文温度，20ºC=293K，-40ºC=233K，80ºC=353K；★根据公式计算：在其他条件相同的情况下，-40ºC时气弹簧的支撑力是20ºC时的79.5%，80ºC气弹簧的支撑力是20ºC时的1.2倍。2.3.4背门开启力和关闭力的分析上图中，Fo，Fc分别为开启力和关闭力。背门开启：W·ko-Fo·L–Fpo·do=0ko=ksinΦ；do=l2sinβ；背门关闭：W·kc+Fc·Lc–Fpc·dc=0kc=k·cos(Φ+α-90º)；dc=(r-l2)sinγ；Lc=L·cos(Φ+α-β-90º)；★背门的重力对开启力和关闭力的大小影响最大，背门越轻开启和关闭越方便；★一般情况下，背门在50磅（22.68千克）以上时，开启力和关闭力在12-15磅（约合53.33-66.67N）左右，15-18磅（约合66.67-80N）也可接受，超过18磅的话对操作的人就有点困难了。3.气弹簧空间布置几何关系