汽車后背門空氣彈簧參數(shù)化設(shè)計(jì)

周大光 王雁

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

隨著人們對汽車使用性能以及車身造型要求的日益提高，現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)技術(shù)也隨之迅猛發(fā)展。為此，車門、后背門及發(fā)動機(jī)罩等活動機(jī)構(gòu)不僅要符合車身整體造型的需要，還要滿足安全、可靠及使用舒適性的要求。而空氣彈簧作為后背門開閉過程的重要助力零件，它設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了后背門系統(tǒng)開發(fā)的成敗。所以，對于空氣彈簧的布置及性能控制設(shè)計(jì)應(yīng)得到充分的重視并進(jìn)行深入的研究。空氣彈簧的參數(shù)化設(shè)計(jì)是在對其工作原理、布置方法及使用性能掌握較充分的前提下進(jìn)行的。參數(shù)化設(shè)計(jì)的方式使空氣彈簧的設(shè)計(jì)具有簡便性和規(guī)范性，可以提高產(chǎn)品的開發(fā)效率和準(zhǔn)確性。同時(shí)，作為標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)工具，空氣彈簧的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)得到了進(jìn)一步積累，保證了設(shè)計(jì)能力的延續(xù)性。目前，國內(nèi)主要空氣彈簧制造商都有一套自己較成熟的自動化設(shè)計(jì)軟件，輸入相關(guān)參數(shù)即可完成全部設(shè)計(jì)工作，包括零件的選型、尺寸的設(shè)計(jì)、力值的輸出及開關(guān)門手力的曲線等。而車身設(shè)計(jì)公司中除國外能力較強(qiáng)的公司，國內(nèi)多數(shù)公司不具備或初步具備設(shè)計(jì)及控制能力。文章所介紹的汽車后背門空氣彈簧參數(shù)化設(shè)計(jì)方法填補(bǔ)了國內(nèi)汽車主機(jī)廠關(guān)于相關(guān)方面的空白，具備較先進(jìn)的開發(fā)水平。

1 原理及計(jì)算方法

1.1 工作原理

1.1.1 基本結(jié)構(gòu)

空氣彈簧由壓力管、連接頭、活塞桿、活塞、密封及導(dǎo)向組件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 空氣彈簧剖面圖

1.1.2 工作原理[1]

圖2示出空氣彈簧工作原理。空氣彈簧是在密閉的壓力管中充入惰性氣體或者油氣混合物，使壓力管內(nèi)的壓強(qiáng)高于大氣壓的幾倍或者幾十倍。由于活塞內(nèi)部或筒壁設(shè)有通孔，活塞兩端壓強(qiáng)相等，而活塞兩側(cè)的截面積不同，有面積差（ΔS），在壓力管內(nèi)壓力的作用下，產(chǎn)生向截面積較小一側(cè)的壓力，即空氣彈簧的“支撐力”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)活塞桿的運(yùn)動。“支撐力”的大小可以通過設(shè)置不同直徑的活塞桿和壓力管或者輸入不同的壓強(qiáng)而設(shè)定。

圖2 空氣彈簧工作原理圖

1.2 理論計(jì)算方法

理論計(jì)算是空氣彈簧設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是掌握空氣彈簧理論設(shè)計(jì)的鑰匙。它的重點(diǎn)是根據(jù)所選彈簧的尺寸參數(shù)計(jì)算出空氣彈簧彈力特性曲線圖中的Fa和Fb彈力。圖3示出空氣彈簧彈力特性曲線。

圖3 空氣彈簧彈力特性曲線圖

“圖 3 中，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4是廠家為了提高檢測準(zhǔn)確度將活塞壓縮或釋放一定位置后檢測并標(biāo)注在圖紙中的力值，是包含了阻尼的實(shí)測值，該值并非開閉位置的極限力值，與理論計(jì)算值有一定差異。而Fa和Fb則為理論計(jì)算中空氣彈簧的2個(gè)極限力值，是校驗(yàn)助力效果的主要考察項(xiàng)，沒考慮彈簧的阻尼，為理論值，在計(jì)算空氣彈簧時(shí)只需計(jì)算Fa和Fb即可。其余彈力可以推導(dǎo)得出。”

理想氣體狀態(tài)方程式是空氣彈簧理論計(jì)算的基本公式，如式（1）所示。

式中：P——缸筒內(nèi)所充氣壓，MPa；

V——?dú)怏w體積，mm3；

n——?dú)怏w物質(zhì)的量，mol；

R——理想氣體常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度，K。

由力學(xué)公式F=PΔS，可知F與P成正比，則推導(dǎo)出空氣彈簧任意2個(gè)位置的F1和F2與氣體體積及溫度有關(guān)，具體關(guān)系，如式（2）所示。

一個(gè)壓縮、伸展循環(huán)內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動，溫度是恒定的。此時(shí)，由式（2）推導(dǎo)出2個(gè)位置力值變化關(guān)系式，如式（3）可所示。

力值的變化，就意味著體積的變化，此時(shí)，就需要計(jì)算出2個(gè)位置空氣彈簧缸體內(nèi)體積的變化。以后背門開啟位置（伸展最大位置）和關(guān)閉位置（壓縮最大位置）為例，計(jì)算2個(gè)位置的體積。伸展最大位置的腔體內(nèi)為純圓柱體，此時(shí)缸內(nèi)氣體體積計(jì)算，如式（4）所示。

式中：Va——伸展最大位置體積，mm3；

r外——缸筒半徑，mm；

t壁——缸筒壁厚，mm；

L行程——活塞桿壓縮的距離，mm。

壓縮最大位置的腔體內(nèi)為非圓柱體，部分活塞桿伸入了腔體內(nèi)，此時(shí)，壓縮至最大位置缸內(nèi)體積的計(jì)算，如式（5）所示。

式中：Vb——壓縮最大位置體積，mm3；

S桿——活塞桿截面積，mm2。

因此，若Fa已知，則可以推導(dǎo)出Fb，如式（6）所示。

式中：Pa——伸展最大位置的氣體壓強(qiáng)，MPa。

由此，即可獲得如圖3所示的彈力特性曲線圖，用來分析等溫環(huán)境下空氣彈簧在不同位置的輸出力及助力效果。

同理，依據(jù)理想氣體狀態(tài)關(guān)系式（2），可計(jì)算出同一位置不同溫度下空氣彈簧的輸出力值，進(jìn)而可以計(jì)算出相應(yīng)的壓強(qiáng)變化，如式（7）所示。

式中：P1——任意初始位置壓強(qiáng)，MPa；

P2——任意移動位置壓強(qiáng)，MPa；

T1——任意初始位置絕對溫度，K；

T2——任意移動位置絕對溫度，K。

由此可以繪出不同溫度下空氣彈簧的力值特性曲線圖，用來校核后背門在各溫度環(huán)境下的助力開啟效果。圖4示出某車型空氣彈簧各溫度下彈力特性曲線。

2 布置及設(shè)計(jì)方法

2.1 裝配及運(yùn)動校核

2.1.1 行程的設(shè)計(jì)

空氣彈簧的行程是指空氣彈簧活塞桿從最大壓縮位置釋放至最大伸展位置的長度。該長度直接決定了后背門可以開啟的高度。一般而言，最大伸展位置的長度（La/mm）與（L行程）要滿足的關(guān)系式，如式（8）所示。

也就是說滿足了式（8）的關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)后背門的正常開閉運(yùn)動，空氣彈簧的長度設(shè)計(jì)才合理。

2.1.2 間隙及裝配空間的校核

首先，要保證運(yùn)動間隙。運(yùn)動間隙指空氣彈簧缸筒與后背門及流水槽等周邊零件在關(guān)閉位置的最小距離。一般而言，需要滿足至少5mm的運(yùn)動間隙，如圖5所示。

其次，保證裝配空間。空氣彈簧需要固定在車身流水槽及后背門兩端，一般流水槽側(cè)的安裝點(diǎn)需要重點(diǎn)關(guān)注裝配空間的問題，不僅要保證裝配后與周邊零件的間隙，更要注意裝配過程與周邊零件間隙及安裝方便性。

2.1.3 擺動角的校核

擺動角指空氣彈簧連接頭接在球頭銷上[2]，繞球擺動的角度。一般擺動角可以達(dá)到±10°，特殊情況需要與供應(yīng)商溝通，采用特殊連接頭。圖6示出空氣彈簧連接頭球頭擺角示意圖。

圖6 空氣彈簧連接頭球頭擺角示意圖

2.2 開閉操作力設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)受力分析[3]

后背門系統(tǒng)受力圖，如圖7所示。

圖7 后背門系統(tǒng)受力圖

系統(tǒng)開閉過程受力的主要因素主要有自身的重力、空氣彈簧的助開力及開閉手力，而這3個(gè)作用在系統(tǒng)的力矩構(gòu)成的動態(tài)平衡就是研究系統(tǒng)開閉操作舒適性的基礎(chǔ)。

因此得出開啟過程力矩平衡關(guān)系式，如式（9）所示。

式中：FG——后背門的重力，N；

F氣，F(xiàn)手——空氣彈簧的助開力及開閉手力，N；

L手——手力臂，mm；

L氣——彈簧力臂，mm；

LG——重力臂，mm。

關(guān)閉過程力矩平衡關(guān)系式，如式（10）所示。

2.2.2 曲線圖的分析方法[4]

力矩曲線圖是通過曲線的方式表達(dá)重力矩與空氣彈簧力矩相對關(guān)系的圖。該形式可以直觀地體現(xiàn)系統(tǒng)中助力元件克服重力的詳細(xì)情況。以某車型后背門常溫力矩曲線（圖8）為例，可以看出開啟初始階段彈簧力矩小于重力矩，需要手力介入幫助背門開啟。越過平衡區(qū)13～18°，后背門可以自動開啟。

圖8 某車型后背門常溫力矩曲線圖

若要分析手力開閉舒適性，則需要采用手力分析圖，初始狀態(tài)手力曲線圖，如圖9所示。

圖9 某車型后背門空氣彈簧初始狀態(tài)手力曲線圖

從圖9可以看出，常溫狀態(tài)開啟手力最大為61 N，關(guān)閉手力最大為59 N；低溫開啟力最大為75 N，最大位置保持力為28 N；高溫關(guān)閉力最大為98 N。后背門各溫度及開閉狀態(tài)的手力都呈現(xiàn)在了圖9中，方便設(shè)計(jì)師判斷助力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及優(yōu)化的方向。

2.2.3 開閉舒適性設(shè)計(jì)

開閉手力及平衡點(diǎn)計(jì)算完成僅是助力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段，還需要不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能滿足開閉舒適性的要求。

后背門開閉操作舒適性設(shè)計(jì)應(yīng)以常溫操作舒適，高低溫操作保證基本功能為原則。后背門開閉手力設(shè)計(jì)基本原則，如表1所示。

表1 后背門開閉手力評價(jià)表 N

根據(jù)規(guī)范要求，從圖9中可以看出，該車型后背門的開閉舒適性存在不足。其常溫開啟力都大于55 N，關(guān)閉力也接近了規(guī)范的上限。低溫水平保持力為28 N，雖然保持足夠，但關(guān)聯(lián)到常溫關(guān)閉力稍大，說明關(guān)閉保持力設(shè)計(jì)還有富余。再根據(jù)其開啟力過大，檢查到其開啟手力臂與關(guān)閉手力臂非同一點(diǎn)且差距較大。開啟施力點(diǎn)為牌照板上部手柄處，力臂約為800 mm，關(guān)閉施力點(diǎn)為后背門下沿，力臂約為1 000 mm。開啟過程施力力臂的減小必然導(dǎo)致開啟力增大。因此，采用以下方案調(diào)整開閉手力。

2.2.3.1 調(diào)整開啟手力

1）調(diào)整手施力點(diǎn)。調(diào)整手的開啟施力點(diǎn)（外手柄位置），可以有效增大手的施力力臂。但受造型限制，無法改動該位置。

2）增加空氣彈簧力臂。調(diào)整車身空氣彈簧支架及球頭位置，可以適當(dāng)增大開啟助力力臂。雖然空間有限，但無硬點(diǎn)限制，可以采用。

3）增加空氣彈簧力值。增加彈簧力值，可以增加助力開啟力矩，直接減小開啟手力。但同時(shí)會增加關(guān)閉手力，得不償失。

2.2.3.2 調(diào)整關(guān)閉手力

1）調(diào)整手施力點(diǎn)。調(diào)整手的關(guān)閉施力點(diǎn)（外板下沿位置），可以有效增大手的施力力臂。但受造型限制，同時(shí)也會導(dǎo)致后背門過大，故無法改動該位置。

2）減小空氣彈簧力臂。調(diào)整車身空氣彈簧支架及球頭位置，可以適當(dāng)減小關(guān)閉時(shí)助力力臂。雖然空間有限，但無硬點(diǎn)限制，可以采用。

3）減小空氣彈簧力值。減小彈簧力值，可以減小助力開啟力矩，直接減小關(guān)閉手力。但同時(shí)會增加開啟手力，得不償失。

經(jīng)過綜合分析，最終微調(diào)了空氣彈簧車身固定點(diǎn)，某車型空氣彈簧優(yōu)化狀態(tài)手力曲線圖，如圖10所示。

圖10 某車型后背門空氣彈簧優(yōu)化狀態(tài)手力曲線圖

從圖10可以看出，由于開啟力臂調(diào)整空間有限，調(diào)整后常溫開啟手力變化不大，為55 N；關(guān)閉手力已經(jīng)有了明顯的改善，為46 N；高溫的關(guān)閉力也有了明顯的改善，降低為79 N。說明本次優(yōu)化是有效的。

3 設(shè)計(jì)的參數(shù)化及標(biāo)準(zhǔn)化

在完成了理論計(jì)算方法的分析后，需要有一種表達(dá)的手段或者工具為設(shè)計(jì)工作服務(wù)。由于時(shí)間及目前能力的限制，此處選用excel表格，它可以輸入變量，通過公式編輯，自動計(jì)算結(jié)果，同樣達(dá)到了參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的。

3.1 表格的格式及編制工具

表格的編制采用excel文本格式。應(yīng)用表格內(nèi)嵌的公式及圖表插入工具編制了該文件，圖11示出excel工具顯示界面。

圖11 excel工具顯示界面

3.2 頁面布置

該表格主要分3頁，包括系統(tǒng)參數(shù)表、手力曲線圖及空氣彈簧參數(shù)表3個(gè)部分。系統(tǒng)參數(shù)表主要是用來輸入系統(tǒng)計(jì)算的基本參數(shù)及輸出各溫度下的開閉手力。圖12示出系統(tǒng)參數(shù)表標(biāo)準(zhǔn)顯示界面。

圖12 系統(tǒng)參數(shù)表標(biāo)準(zhǔn)顯示界面

手力曲線圖主要用于分析系統(tǒng)開閉舒適性。表達(dá)了各溫度情況、開閉手力及變化情況，同時(shí)還可以表達(dá)后背門系統(tǒng)平衡區(qū)間，從而分析系統(tǒng)各溫度狀態(tài)的開閉情況。圖13示出手力曲線圖標(biāo)準(zhǔn)顯示界面。

圖13 手力曲線圖標(biāo)準(zhǔn)顯示界面

空氣彈簧參數(shù)表輸出空氣彈簧自身相關(guān)的參數(shù)。包括外形尺寸、內(nèi)充氣壓及各溫度輸出力等。該表主要用于對于空氣彈簧制造可行性的初步判斷，同時(shí)可以作為CAE分析助力系統(tǒng)作用力的輸出。圖14示出空氣彈簧參數(shù)表標(biāo)準(zhǔn)顯示界面。

圖14 空氣彈簧參數(shù)表標(biāo)準(zhǔn)顯示界面

3.3 操作便捷性及規(guī)范化設(shè)計(jì)

操作便捷和提高設(shè)計(jì)效率是該表格的設(shè)計(jì)初衷。

1）輸入即得結(jié)果。僅需輸入系統(tǒng)參數(shù)，無需其他附加操作，即可獲得系統(tǒng)整體助力效果。

2）輸入簡潔。輸入欄集中布置且參數(shù)輸入具有唯一性，不易導(dǎo)致輸入混亂或錯(cuò)誤。

3）輸入規(guī)范。輸入欄側(cè)邊設(shè)置了示意圖，解釋了輸入欄內(nèi)需要設(shè)計(jì)師輸入?yún)?shù)代表的意義。

結(jié)果明確，曲線輸出規(guī)范。

3.4 應(yīng)用成果

目前，該設(shè)計(jì)表已應(yīng)用在一汽紅旗及奔騰等系列車型，為后背門空氣彈簧設(shè)計(jì)提供了有效的幫助，得到了多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐驗(yàn)證及肯定。

4 結(jié)論

通過對汽車后背門空氣彈簧參數(shù)化設(shè)計(jì)的分析，成功地解決了以往對于空氣彈簧的設(shè)計(jì)過分依賴制造商的問題。同時(shí)，輸入即得結(jié)果的特點(diǎn)，也極大地提高了設(shè)計(jì)效率。為很多技術(shù)問題的解決提供了參考，是一個(gè)多學(xué)科融合的產(chǎn)物，集物理科學(xué)、機(jī)械原理、車身設(shè)計(jì)技術(shù)及Office辦公軟件應(yīng)用能力于一身。因此，也驗(yàn)證了在汽車設(shè)計(jì)中，多學(xué)科融合解決一些問題的方法。對汽車車身開發(fā)技術(shù)整體能力的提升有著深遠(yuǎn)的意義。