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：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：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 -4080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。 X Z O A B B1 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+n n 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，=94 在OAB1中利用余弦定理得出： AB1 2=OA2+OB 1 2-2OAOB 1cos (1.5x+100) 2=1422+(242+x)2-2142(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 举升门开启角度 质心与铰链转轴中心的连线与 OB1之间的夹角 举升门关闭时，OB 与垂线之间的夹角 并且令OAB1= 对 O 点取力矩 其中： 则气弹簧的支撑力为： 当 +-=90时，即 =90+- 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：=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=650N 3. 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 90可以看出只有当（-）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，