氣彈簧在汽車后背門上的優化布置

蒲蕾 楊明華

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司；2.成都航天模塑股份有限公司）

氣彈簧在汽車上主要用于后背門及發動機艙蓋系統，輔助客戶開啟后背門及發動機艙蓋。氣彈簧在車身的上下安裝點和氣彈簧的彈力參數對于開關門的力矩影響非常大。在設計和計算過程中，由于變量參數太多，計算量大，所以文獻[1-2]介紹的計算方法都是采用試算法來尋找滿足開關門要求的氣彈簧安裝點，這樣的算法既費時又很難在車身上找到最佳的安裝點和最小開閉力矩的氣彈簧。文章采用嚴密的計算方法來尋找最佳安裝區域和計算開關門所需的最小彈簧力。

1 氣彈簧在后背門上的安裝類型

常用的氣彈簧在車身上的安裝方式有翻轉式和舉升式。

翻轉式安裝方式為氣彈簧上安裝點在車身上，下安裝點在后背門上；舉升式是氣彈簧上安裝點在后背門上，下安裝點在車身上，后背門在開啟過程中，后背門左右兩側安裝的氣彈簧在伸長的過程中有如2個人在后背門兩側用手穩穩舉升起后背門。安裝示意圖，如圖1所示。

圖1 氣彈簧在汽車后背門安裝示意圖

2 氣彈簧的彈力特點及展開長度計算

圖2示出氣彈簧展開長度與彈力曲線示意圖。氣彈簧在伸展階段和壓縮階段的力是有差異的，通常用4個參數來表征：最小伸展力（F1）、最大伸展力（F2）、最小壓縮力（F3）及最大壓縮力（F4）。圖2中，氣彈簧的行程為h，端頭長度為n，則氣彈簧初始長度=h+n，展開長度：L=h+n+h=2h+n。根據氣彈簧廠家推薦，n=0.1 m左右，則L=2h+0.1。

實際的彈簧力曲線，如圖2所示。一般來說，F4比F1大100 N以上（經驗值）。

圖2 氣彈簧展開長度與彈力曲線示意圖

3 氣彈簧安裝點的有效安裝區域和最優布置計算

3.1 翻轉式

從車身X軸方向看，2根氣彈簧的安裝略成八字形，但是通常每根氣彈簧與ZX平面的夾角＜8°，對受力分析影響較小，所以可以忽略不計。以翻轉式為例，圖3示出在ZX投影方向的視圖效果，O點是后背門鉸鏈安裝點，OE是后背門關閉時的位置，OE4是后背門最大開啟角度位置，C，C1，C2，C3，C4分別是后背門重心在不同開啟角度時的位置，Ф是后背門關閉狀態時OE與Z軸夾角，θ是后背門任意開啟角度，A點是氣彈簧在車身上的安裝位置，B點是氣彈簧在后背門上的安裝位置，當后背門開啟角度為θ時，B點相應地旋轉到B1，B2，B3，B4位置。為簡化分析計算，O，A，B，C，E可以近似認為在一條直線上（實際各點有少許偏差，但可忽略）。

圖3 翻轉式氣彈簧有效安裝區域計算圖

已知：后背門的重力為G，后背門的重心位置長度為OC，后背門的長度為OE（為便于計算，設OE=1 m），后背門關閉狀態時OE與Z軸夾角為Φ，后背門最大開啟角度為ψ。氣彈簧長度和公稱力以及安裝點位置需要自行計算確定。最終需要滿足：后背門開啟超過某一角度（15～30°，圖3中的B2點）后，氣彈簧的伸展力能夠自動把門打開到極限位置（E4點），關門超過一定角度（15～30°，圖3中的B1點）時，門能夠自動關閉，而在中間某個區域（圖3中B1與B2點之間夾角）能夠懸停不動，并且最大開關門所需的力＜60 N（這個力量越小，則開關門越輕便）。

3.1.1 氣彈簧上安裝點的有效安裝范圍

首先要確定A點的可選區域。圖3中，令：OA=x，0＜x＜1 m，則：OA+AB+BE=OE，即：x+AB+BE=1，則：AB=1-x-BE。

氣彈簧初始長度：AB=h+n=h+0.1=1-x-BE，則：h=0.9-x-BE。

氣彈簧展開長度（AB4）還應小于其理論最大展開長度（L=2h+0.1），即：

后背門在打開到ψ角時，在△OAB4中，根據余弦定理，有

其中：OB4=OB=OE-BE=1-BE，OA=x，代入式（2）得：

再根據式（1），則有 x2+（1-BE）2-2x（1-BE）cos ψ≤（1.9-2x-2BE）2，由此可得：

求解式（3），即可得到x的2個根。通常由于后背門密封條和鈑金結構的影響，B點位置不會與E點重合，通常 BE=0.1 m左右，ψ=100°左右，代入式（3）后求解 x得到：x1=0.34 m，x2=2.03 m。因 0＜x＜1 m，所以舍棄x2，從而x即OA的取值范圍為0＜x＜0.34 m。這樣就得到了氣彈簧上安裝點的有效安裝范圍。超出該范圍時，氣彈簧的行程就會無法滿足要求。顯然，x越大，則相應的氣彈簧對后背門開啟時的作用力臂也越長，把后背門撐開所需的彈簧力就越小。所以，x=0.34 m時所需要的彈簧力是最小的（通常具體車型的BE和ψ都可確定，代入式（3），即可求出該車型的OA值）。

3.1.2 確定氣彈簧的規格

通常氣彈簧的公稱力越大，內部氣體壓力和密封要求也越高，制造工藝也越難，相應成本也會越高，所以要盡量選用能把后背門撐開到極限角度的最小彈簧力。

在△OAB1中，根據余弦定理，有則：

設后背門在開啟θ角時，氣彈簧力臂OD=d，則：△OAB1面積 =0.5OA×OB1sin θ=0.5AB1×d，則：

后背門在任意開啟角度的重力矩：

在使用2根氣彈簧的情況下，單根氣彈簧的彈力應該滿足F1＞MG/2d，即：

式（6）中：G，OC，Ф，BE 均已知，x的范圍也根據式（3）求出，用excel表格把式（6）編寫出來，可以很容易的求出θ在從0變動到ψ時的F1的值。通常只需計算ψ區間內的F1，然后取最大值即可。例：G=250 N，OC=0.55 m，Ф=18°，BE=0.1 m，ψ=100°，x=0.34 m，則計算結果為：F1=205 N。

通常，氣彈簧在使用過程中由于氣體、油液泄露及溫度變化會導致其彈力發生變化，所以要在F1max的基礎上乘以一個安全系數（1.2）來選擇氣彈簧的相應規格。可以選擇F1=205 N×1.2=246 N作為氣彈簧的最小伸展力，根據x=0.34 m也可以計算出氣彈簧的行程：h=0.9-x-BE=0.9-0.34-0.1=0.46，AB4=2h+0.1=1.02m。

根據以上計算結果，再依據氣彈簧廠家提供的氣彈簧規格，就可以選擇合適的氣彈簧了。

3.1.3 計算開關門所需的力矩

文獻[1-2]在計算開關門力矩時，把氣彈簧的彈力簡單認為是一個單向線性的變化值，或者簡化為某個固定的值，這樣雖然可以簡化計算，但是卻導致計算結果與實際情況偏差較大，因為氣彈簧的彈力在伸展和壓縮階段的彈力相差可能超過100 N以上。

選定氣彈簧規格后，F1，F2，F3，F4相應地就可以確定了。設：伸展階段彈性系數k1=（F2-F1)/h，壓縮階段彈性系數k2=（F4-F3)/h，從而可以計算氣彈簧在任意位置的彈力（F）：

開門階段：F開=F2-k1（AB1-AB）；

關門階段：F關=F4-k2（AB1-AB）；

開門階段氣彈簧力矩：M開=F開d；

關門階段氣彈簧力矩：M關=F關d；

后背門重力矩：MG=G×OCsin（Ф+θ）。

M開-MG和M關-MG就是要計算的開關門力矩。根據式（3）求得x范圍后，選定A，B點安裝位置，AB值就確定了，AB1可根據余弦定理或式（2）進行計算，從而可以算出M-MG的值。

假設：OE=1 m，OA=x=0.34 m，門關閉時與Z軸夾角 Ф=18°，ψ=100°。以 θ為橫坐標，0＜θ＜ψ，M-MG計算結果為縱坐標，可以繪出M開-MG和M關-MG的曲線圖，如圖4所示。

圖4 計算得到不同開啟角度下所需的開關門力矩圖

從圖4可以得出，當θ=0°時，開門所需的力矩：M開-MG=-39.9 N·m；當 θ=52°時，關門所需力矩：M關-MG=61.6 N·m，在開門角度為18°以后，氣彈簧的力量能夠自動把門撐開到最大角度，在關門角度＜13°時，門的重力能夠自動使門關閉，在13～18°時，后背門可以懸停不動。

改變 OA=x的值，選取 x為 0.1，0.15，0.2，0.225，0.25，0.275，0.3 m，分別計算氣彈簧最小彈力和開關門力矩，并找出最大開關門力矩、開關門自鎖角度。計算得到不同彈簧安裝點對應的結果，如表1所示。

表1 計算得到不同彈簧安裝點對應的結果

從表1可以看出，隨著OA逐漸變大到0.34 m，所需的彈簧力和最大開門力矩逐漸變小，但是最大關門力矩則逐漸變大。從氣彈簧的成本來考慮應盡量選擇彈簧力較小的情況，如果對開關門的力矩或開門彈開角度和關門自鎖角度有指定要求，也可以根據表1來選擇相應的OA值。當OA＜0.2 m時，所需的彈簧力急劇變大。綜合對比，推薦選擇OA=0.2～0.34 m，相應的F1在 456～270 N。

有時候為了降低最大開門力矩值，還可以把氣彈簧的安裝點A往車頭方向適當移動一定距離（通常＜30 mm），這樣可以避開氣彈簧的作用死點（當O，A，B點在一條直線上時，氣彈簧的作用力對開關門都不起作用），降低開門所需要的初始力矩。

3.2 舉升式

參考3.1節的計算方法，可以得到同樣的結果：氣彈簧在后背門上的安裝點位置的取值范圍為0＜x＜0.34。氣彈簧的最小彈力和開關門力矩結果都與3.1節的結論完全相同，計算過程略。

4 結論

1）如果后背門質量不是很重，對于布置空間、后背門開啟角度及人機工程可以滿足的情況下優先選擇翻轉式，此安裝方式多應用在小型車上。

2）根據文章的計算結果，對于后背門長度為1 m，重量為250 N的情況下，不論是翻轉式還是舉升式安裝，氣彈簧在后背門上的最佳安裝點都在距離鉸鏈0.2～0.34 m范圍內，相應的F1=456～270 N，最大開門力矩約40 N·m，最大關門力矩約60 N·m，比較符合人體工程學的要求。

3）為了降低最大開門力矩值，可以把氣彈簧在車身上的安裝點往車頭前方適當移動一定距離（通常＜50 mm），從而避開氣彈簧的死點。后背門長度不是1 m的情況下，粗略的估計，可以認為最佳安裝點在距離鉸鏈1/5～1/3后背門長度處。

4）實際布置氣彈簧的時候，如果在后背門關閉狀態下，氣彈簧軸線延長線在鉸鏈的前方（車頭方向），那么推薦采用翻轉式安裝方式；如果延長線在鉸鏈后方（車尾方向），則推薦采用舉升式安裝。

5）為了保證安全性，后背門開啟速度不能過快，也就是要使開門力矩盡量小。而在快要到最大開啟角度的時候，要求后背門運動速度降低，才能使其平穩止動，避免因速度過快而發生回彈和抖動，相應的就應該降低此時開門所需的力矩。