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汽车车身气弹簧应用设计分析作者 潘玉华 单位 众泰控股集团有限公司 【摘要】 汽车上气弹簧的应用是受多种条件控制的，产品开发阶段如何全面满足这些条件，从而确定在车身上气弹簧的安装位置及其支撑力是气弹簧应用的关键。目前国内汽车车身设计中，对于气弹簧应用采取逆向的方法较多。就是参照样车气弹簧在车身上大致的安装位置来布置新车，同时将原车气弹簧样件交给供应商依样去开发。为了正向设计气弹簧的应用，必须从基本原理上寻求一种在汽车上布置气弹簧的科学方法来保证设计结果的正确性。本文将通过具体设计步骤，从原理上计算分析气弹簧设计的要点，实现气弹簧应用的最优方案。【关键词】 汽车车身设计，气弹簧，应用 引言 气弹簧（gas spring)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。通常汽车上装用的气弹簧为自由型气弹簧，自由型气弹簧主要组成部件为缸筒，活塞杆，活塞，导向杆和密封件，车用气弹簧普遍应用在汽车后背门、发动机罩盖、行李舱盖的开启功能上，起到角度调节作用。在开启过程达到便捷、省力、可靠的使用效果。气弹簧由于其安装结构简单，使用维修方便，无需外界能源，整个工作行程中举力基本恒定等优点，早已广泛应用于全世界各种各样的车型中，成为一种十分常见的装置。目前国内汽车车身设计中，对于气弹簧应用采取逆向的方法较多。其系统布置只是参照样车气弹簧在车身上大致的安装位置来适用新车，同时将原车气弹簧作为样件提交给供应商照样子去开发，其结果在试装时往往由于车身结构、材料的变更造成被支撑件的质量（重量）发生变化，以及新开发气弹簧本身所达到的支撑力不确定，从而导致气弹簧支撑力不足或过大，造成被支撑件由支撑位自动回落或支撑面受力过大变形，影响整车品质。这时由于模具已经完成，车身的安装点已经不可能改变，设计师只能根据装车的实际状况来反复调整气弹簧的公称力，最终是否合适也是凭感觉来判断。这种开发过程没有依据其工作原理分析，缺乏严谨科学计算很难设计出最优的方案。所以必须从基本原理上寻求一种在车身上布置气弹簧的科学方法。气弹簧应用设计是一个涉及多个因素的系统工程，既要有理论分析计算，又要依据钣金结构的实际状态，如何做到尽量完美，对于设计师是个挑战，希望以下的分析能给从事汽车车身设计的工程师有所帮助。下面就汽车车身设计经常应用的气弹簧布置，分别以背接式汽车后背门气弹簧的应用、发动机罩盖气弹簧的应用设计进行分析。1. 两厢轿车后背门气弹簧的应用设计1.1确认后背门铰链转轴中心位置在后背门气弹簧应用设计之前必须确认：后背门两个铰链是否同轴；后背门在沿着铰链轴转动全过程中与车身部件有无干涉（一般要求间隙应大于2mm）；气弹簧安装空间有无充分预留。在这里铰链转轴中心是后续设计的基准。1.2确定后背门的开启角度根据人机工程学分析来确定后背门的开度。 目前背门开到最大位置车门下边沿的离地高度法规没有规定，根据人站在地面上使用的方便性，一般设计开启到最大位置时，后背门下部最低点高度应在离地面1800mm左右，以此来确定背门的开启角度。这样设计是基于既要考虑人的头部不易碰到后背门下部最低点，又要照顾关门操作时手部能很容易接触到拉手。由于车身的高度与结构不同，各车型背门开启角度也不相同，大致与铅垂方向夹角100110度之间，同时最大开启角度必须小于铰链能达到的最大角度。这样设计师首先根据整车总布置状态确定其开启角度。1.3.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。气弹簧安装时一般采用活塞缸筒在上方，活塞杆在下方的形式。气弹簧上安装点有两种方式：一种是设计在背门内板上，另一种是布置在门框上。这里我们仅分析上安装点设在背门内板上的形式。气弹簧的上安装点的位置距铰链转轴中心的尺寸影响气弹簧需要的支撑力。在载荷力矩一定的条件下，尺寸越小需要的支撑力越大。尺寸加大，又受到门框下安装点及行程的制约。在设计安装点的时候，必须兼顾系统的车身条件和实现目标，既达到空间利用合理又能减少气弹簧公称力的设计方案。首先根据车身状态确定下安装点，具体要求：l 尽量利用背门框上有用空间加大安装点与铰链转轴中心线的距离；l 安装面满足气弹簧运动不引起干涉的要求，必要时调整安装面；l 安装面内部设计适合强度要求的螺母加强版；l 门框上的安装点大都不设过渡支架，也有例外的。开启角度、下安装点确定之后，根据装配和运动关系，做出以下示意图。为了简化运算，这里所做的示意图忽略气弹簧摆放位置在车身Y方向偏离角度 。 在示意图 1中：AD长度为已知角为初始位至终止位的开启角 A点为铰链转轴中心B点为初始位气弹簧上安装点 C点为终止位气弹簧上安装点D点为气弹簧的下安装点设：x为气弹簧有效行程; n为弹簧两端头结构占用长度之和；AB=AC=c ; BC=a ; BD=x+n; CD=2x+n; DBC= ；通过以下运算：a=2csin c=AD-(x+n) a=2(AD-x-n) sin =90+ 示意图 1在BDC中利用余弦定理得出：（2x+n）2=（x+n）2+ a2-2a(x+n)cos将a值代入上式中；、为已知数据， n值一般根据气弹簧结构不同取值范围在90-120mm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。气弹簧上安装点的位置为B点，B点设在后背门上，距D点长度x+n。具体要求：l 气弹簧与门内板连接由装在后背门内板上的支架过渡，用以让开活塞外径及运动的空间；l 支架的安装面设在背门内板的立面上，在门内板的内侧必须有螺母加强板，螺母加强板及安装支架的强度、后背门的刚度必须满足气弹簧最大受力状况要求。l 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，对后背门转动不做贡献。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1-2mm的位置，这会使得B点在后背门完全闭合之前成为气弹簧死点位置，从而提高后背门闭合的安全性。1.4.确定后背门的总质量及质心的位置后背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。它们包括后背门钣金件、后背门玻璃、后雨刮器系统、牌照灯及装饰板、后牌照、后背门锁、后背门内饰板等。在得知零件密度的前提下，利用CATIA的测量工具条中测量惯性命令可自动计算出质量和质心坐标点。1.5.用数学模型计算气弹簧的最小关闭力、最小开启力和最小支撑力 示意图 2 示意图 2：设A点为铰链转轴中心、B点为后背门闭合状态气弹簧上安装点、C点为后背门开启状态气弹簧上安装点、D点为气弹簧下安装点（门框固定点）； E点为后背门质心位置点， G为后背门质量；L1为质量力臂；F为气弹簧的支撑力；L2为气弹簧支撑力力臂；Fw为施加的外力; Lw为 Fw力臂。 后背门从完全关闭到开启到最大，大致分为四个不同的过程。背门绕铰链轴开启过程中，力臂是变化的，所以力矩也是变化的。最初位置施加的开门外力为开启力；最终位置施加关门外力为关闭力；最终位置后背门重力力矩等于气弹簧支撑力力矩时气弹簧的支撑力为最小支撑力；开启力和关闭力在可接受范围内，布置设计为合理。开启力和关闭力目标范围应在50N左右。以下以铰链轴中心线为旋转中心，分析后背门开启过程受力状况 过程1、初始状态后背门的重力力矩和气弹簧支撑力力矩方向相同，开启时需提供克服两种力矩之和的外力矩才能将后背门打开，状态0-1，此过程开启力：Fw =（GL1+ F L2）/ Lw，可以看出只有当外力大于Fw，背门才能顺利打开。过程2、后背门运动到通过气弹簧工作死点后，后背门的重力力矩和气弹簧支撑力力矩方向相反，开启时需提供外力会越来越小，状态1-2，此过程开启力：Fw =（G L1- F L2）/ Lw 过程3、后背门的重力力矩等于气弹簧支撑力力矩，此时后背门处于平衡区域，如果不提供外力，理论上后背门可处于静止状态。状态2-3，此过程开启力：Fw =（GL1- F L2）/ Lw， 当 G L1= F L2时 Fw =0， F=GL1/L2过程4、后背门重力力矩小于气弹簧支撑力力矩，后背门会自行打开，直至达到后背门完全开启。状态3- 4，此过程无需外力。Fw =（G L1- F L2）/ Lw 0当后背门处于最大开度时，关闭背门所需最小的外力；Fw =（F L2 -G L1）/ Lw后背门关闭过程： 必须施加大于上式中Fw的力，背门才能开始关闭过程； 当运动到当 G L1= F L2时 Fw = 0， F= GL1/L2Fw =0之后，背门会自动关闭。关闭后背门的全过程受力状况与开启时的过程正好相反，这里不再重述。从安全考虑，一般情况下计算得到的F值选用时公称支撑力应增加15左右，此数值定义为气弹簧选用时的最小支撑力，当使用的气弹簧为两只时所选气弹簧的公称支撑力为F值的1/2;经过以上理论的计算分析，气弹簧的几何尺寸、最小公称力等基本参数已经可以确定：气弹簧基本参数：等级 A级 (可选) 气缸外径 22mm (可选) 活塞杆外径 10 mm (可选)有效行程 x mm 气弹簧总长 (2x+n) mm n值由气弹簧规格、结构决定。 为确定值。 气弹簧公称力 1.15*GL1=2FL2 F=（N）气弹簧基本参数、规格表达一般采用以下格式： 根据这些要素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。也可以将基本参数按照以上的格式提交给供应商专门开发。1.6.建立气弹簧 3维数模及安装连接方式设计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，表达内容应包括气弹簧外型尺寸、运动行程关系、两端结构形式、球头运动关系、带有螺纹段的轴销等。气弹簧两端连接形式各有不同，设计时根据安装部位情况及所选供应商产品规格具体匹配其连接方式。有采用两端都用安装支架的；也有一端直接固定在车身上的；不管哪种方式，设计时必须验证在后背门运动的全过程中，气弹簧的球头是否转动自如，有无干涉卡死的现象。如果发生这样情况，令气弹簧球头中心位置不变，调整气弹簧螺栓安装面角度来适应运动的需要。1.7. 确定方案对后背门开闭做全程运动分析 由于后背门内板和车身后门框结构设计时预留的气弹簧间隙，是在气弹簧安装设计之前。完成气弹簧安装3D数模设计之后，必须验证在后背门开启的全过程中气弹簧周围与车身有无干涉，要求最小距离大于2mm;如不满足要求，可考虑局部调整后背门框钣金结构，适应已有空间。1.8 后背门气弹簧应用系统CAE分析用CAE软件分析在开启及关闭全过程中后背门及门框安装点附近的应力情况，若接近或超过屈服极限，就应加强安装点周围的强度和刚度。用改变门内板局部断面、增加螺母加强版的强度、增加螺母板接触面面积达到改善局部强度和刚度的效果。2. 汽车发动机罩盖气弹簧应用设计 发动机罩盖在普通小型的中低挡车上大多采用简单的金属杆件支撑，用人力掀开机盖并支撑。这种支撑成本低，操作灵便。但是如果车型稍大，机盖较大，自重偏沉，用手掀起比较费力，或是中高档车要求更好的使用效果，这时就要考虑气弹簧支撑。 发动机罩盖的气弹簧支撑形式已经有很多种，一些高档车（如丰田皇冠、北京现代）直接从机舱内设计安装点，上面支撑到机盖内板中间部位上、气弹簧也只有一根。 由于机盖一直处于气弹簧支撑力受力状态，需要机盖良好的刚性。这种设计与内板连接可以用支架过渡，使得刚性的气弹簧离开机盖外板表面的距离达到50mm,有利于满足行人保护法规的要求。困难在于机舱内部件繁多，要留出气弹簧的运动空间需要整体配合。 普通的中低档轿车大部分还是采用支撑点在两侧机舱边梁和机盖内板两侧立面上，使用两根气弹簧的结构。布置方式也有两种，一种是前支点在发动机盖上，后支点在两侧机舱边梁上；另一种则前支点在两侧机舱边梁上，后支点在发动机盖上，以下对后一种结构进行设计分析。2.1.发动机罩盖气弹簧安装方位与后背门有所不同，但其设计原理和程序基本相同，应用时可以参照后背门设计。 示意图3在示意图3中：各个字母代表的定义与后背门示意图1相同，依照后背门支点确定的原则及有效行程的计算方法，计算出气弹簧的有效行程，确定并选择气弹簧的尺寸参数，这里不再重复。2.2.根据人体工程的要求，发动机罩盖的开启角度一般设计在50度左右；2.3.为了保证发动机罩盖打开时的安全性，重力力矩必须大于气弹簧支撑力力矩；2.4.为了达到良好的轻松省力使用效果，重力力矩与支撑力力矩相差不要太多，15%左右为宜，开启力设计为35N左右；2.5.不考虑气弹簧的工作死点；2.6.受力示意图4：过程 1、发动机罩盖的重力力矩和气弹簧支撑力力矩方向反向，开启时需提供的外力会越来越小，状态0-1 ，此过程开启力：Fw =（G L1- F L2）/ Lw 过程2、发动机罩盖的重力力矩等于气弹簧支撑力力矩，此时发动机罩盖处于平衡区域，如果不提供外力，理论上后背门可处于静止状态。状态1-2，此过程开启力：Fw =（GL1- F L2）/ Lw， 当 G L1= F L2时 Fw =0 F= GL1/L2过程3、发动机罩盖重力力矩小于气弹簧支撑力力矩，发动机罩盖会自行打开，直至达到发动机罩盖完全开