卡車面罩氣彈簧布置計算

丁盛，史富強，俞燕

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

卡車面罩氣彈簧布置計算

丁盛，史富強，俞燕

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章以卡車前面罩為研究對象，對氣彈簧的行程及最小支持力進行計算，同時計算了前面罩在開閉過程中的操作力；并通過CATIA有限元分析的方式對氣彈簧支架結構強度進行簡單分析。

氣彈簧；布置；設計計算；卡車前面罩

引言

隨著科技的不斷進步，人們對卡車的使用開始不僅僅為“能拉貨、拉的多”這種簡單粗暴的理念，同時需兼顧安全、方便、使用可靠。

卡車前面罩作為覆蓋件，起著遮擋內部線束，管道，空調進風口等零部件的作用?？ㄜ囻{駛室往往偏大，前面罩重量往往較大，同時前面罩高度很高，決定了卡車前面罩不能像乘用車引擎蓋一樣使用手動撐桿，而氣彈簧則可以很好的滿足這些使用要求。

本文將介紹壓縮式氣彈簧（以下簡稱氣彈簧）在卡車前面罩上的相關布置設計。

1 前面罩氣彈簧最小支撐力設計計算

1.1 氣彈簧力學模型

氣彈簧的力學模型圖如圖1所示，根據力學平衡，氣彈簧所需最小伸展力F1的確定，可按公式（1）計算：

式（1）中，F1為氣彈簧最小伸展力，G為前面罩重力，L為前面罩重心到鉸鏈中心的距離，b為起彈簧伸展時稈臂的有效力臂，n為氣彈簧數量，通常取2，k為安全系數，一般取1.1。

圖1 氣彈簧的力學模型圖

1.2 前面罩總成質量、重心的確定

面罩總成重質心通過面罩總成上各零部件的的重心計算得出，包括面罩、鎖扣安裝板、鎖扣、撐桿安裝支架、撐桿加強板、面罩預埋標準件、字標等。在得知零部件密度的前提下，利用CATIA的測量慣性命令可自動計算出各部件重量和重心坐標點。

表1 某車型前面罩質量、重心

利用公式（2）、（3）、（4）可計算出前面罩總成的重心X，Y，Z坐標值：

該車型前面罩及附件重量為：面罩質量m=13.85kg。

以表1中車型為例，前面罩開啟角度為87°，采用兩個氣彈簧：

可得

面罩開啟到最大位置時重力力臂：L=387.698mm

面罩開啟到最大位置時氣彈簧力臂：b=162.41mm

采用雙氣彈簧結構：n=2

安全系數：k=1.1

將以上系數帶入公式（1），

為便于生產加工取整數：F1=180N

2 前面罩操作力的計算

2.1 前面罩總成力學模型

前面罩關閉時，在面罩邊緣處施加某力，確保前面罩打開通過平衡點，此在面罩邊緣處的操作力為前面罩開啟力；前面罩開啟時，在把手處施加某力，確保前面罩關閉通過平衡點，此在把手處的操作力為前面罩關閉力。

其受力分析如圖2所示：

圖2 前面罩受力圖

圖中：F1為面罩開啟力；

F2為面罩關閉力；

G為面罩的重量；

L為把手到鉸鏈軸線的距離；

ω為面罩未過平衡點開啟的某一角度；

L3為關閉狀態下重力力臂；

L4為面罩完全開啟時重力力臂；

α為面罩開啟ω角度時與氣彈簧的夾角；

β為面罩完全開啟時與氣彈簧的夾角；

θ為面罩開啟ω角度與面罩完全開啟時的夾角；

S’為面罩完全打開狀態下氣彈簧力臂；

F、F'分別為面罩開啟ω時和面罩完全打開時撐桿的內部支撐力。

根據力矩的平衡，可得公式（5）、（6）：

2.2 前面罩操作力計算示例

根據氣彈簧的工作原理，最大支持力與最小支持力比值等于有桿腔等于無桿腔面積的比值可得公式，該車型采用D=18mm缸筒、d=8mm活塞桿：

求得：F=234.2N，將其帶入（5）、（6）中，求得最大關閉力和最小開啟力：

由公式（7），每10°求得面罩操作力如表2、繪制撐桿力值曲線圖如圖11：

表2 某車型面罩操作力計算結果

圖3 面罩操作力隨不同角度的變化曲線

3 氣彈簧連接件的強度分析

3.1 氣彈簧連接件強度分析模型

由于卡車多行駛于工況惡劣道路，車輛工作環境與乘用車差異較大，除需對氣彈簧支撐力、操作力等進行計算外，也需要對撐桿與車身連接零件進行強度分析，以防發生支架破損、開裂等現象。

氣彈簧支架多數采用金屬板材沖壓成型，一般金屬材料強度滿足（9）即可：

3.2 氣彈簧連接件強度分析示例

由于氣彈簧支架結構往往比較復雜，其具體受力狀態與受力處截面積難以計算。

為驗證理論設計的正確性，這里利用CATIA軟件的有限元分析的方法對氣彈簧的外部連接件的受力情況進行研究分析，提前發現支架的受力薄弱點，避免后期支架開裂的現象發生。

仍以表一中車型為例：

該車型前面罩及附件重量為：面罩質量m=13.85kg

采用雙氣彈簧，前文已計算出最小支撐力F’=180N。

由于卡車工況復雜性，氣彈簧與車身連接支架一般要分析兩個工況：

工況 1：氣彈簧最大壓縮狀態下，對支架施加氣彈簧最大力（F=234.2N，活塞桿壓縮距最大行程L時輸出力的值）；

工況 2：將撐桿假定為剛性體，對支架施加面罩關閉狀態下 3g加速度條件下，面罩重力（）對支架沿撐桿閉合狀態下的分力。

具體步驟如下：對已完成的支架數模，添加應用材料，普通鋼材可使用Steel。

圖4 CATIA支架數模

進入【Advanced Meshing Tools】（高級網格劃分工具）工作臺。

圖5 網格化后的支架

進入【Generative Structural Analysis】（創成式結構分析）工作臺，對撐桿安裝支架進行約束。

圖6 施加約束后的支架

對撐桿支架施加兩個工況的力：

圖7 分析結果

分析結果如圖7，氣彈簧支架材料一般采用SPCC，其屈服強度為130Mpa～280Mpa。安全系數取1.3示例中：

該案例分析結果完全滿足使用要求。

4 結論

本文通過對壓縮式氣彈簧固有特性的詳細分析，結合物理學中的力學平衡原理，結合卡車的使用條件、工作路況完成以下工作：

（1）根據卡車氣彈簧的空間運動特性，對前面罩氣彈簧的布置校核進行了簡要分析；

（2）針對氣彈簧的力學特性，介紹了前面罩開啟關閉過程中的操作力計算方法；

（3）針對卡車的特殊工況及氣彈簧的物理特性，通過CATIA有限元分析的方式對撐桿連接件進行強度分析。

可為其他卡車前面罩氣彈簧的正向設計提供參考。

[1] 王家利,樂玉漢,李輝.后背門氣彈簧布置與撐力計算[J].汽車工程師,2010（7）.30～32.

[2] 秦文波.基于 CATIA的汽車零部件有限元分析.科技致富向導[J].2014（36）.233.

The Placement of Truck Vehicle Masks Gas Spring

Ding Sheng, Shi Fuqiang, Yu Yan
（Technology Center of AnHui Jianghuai Automobile Company Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

In this paper, commercial vehicle mask as the research object, compression type common structure and working principle of gas springs, expounds the main arrangement form of gas springs; for gas spring trip and minimum support to calculate, calculate the mask in process of opening and closing operation at the same time; and analysis the structures strength of gas spring fitting by using CATIA software if finite element analysis.

Gas Spring; Arrangement; Design and Calculation Commercial Vehicle Mask Before

U467

A

1671-7988(2017)22-84-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.030

丁盛，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。

CLC NO.:U467

A

1671-7988(2017)22-84-04