后背門氣彈簧的參數化布置及力學分析

劉福強 趙 巖

(法拉第未來汽車＜上海＞有限公司，上海 200000)

0 前言

隨著汽車工業的快速發展，人們不僅僅對車輛的外觀有一定的要求，而且對其零部件的安全性及實用性也尤為看重。氣彈簧作為兩廂車型后背門系統開閉過程中的助力機構，其設計及布置也越來越被更多的工程研發人員所重視。 尤其近年來，隨著汽車保有量的增加， 很多車型的后背門都出現一些小的開啟問題，給顧客使用舒適性造成了不良影響。 本文針對此問題重點研究后背門氣彈簧如何在汽車研發階段進行合理參數化布置，從原理上分析出氣彈簧在各種溫度工況下的開啟力值、關閉力值、平衡角度等因素。

1 氣彈簧簡介

1.1 氣彈簧定義及結構

氣彈簧一般由缸筒、活塞、活塞桿、閥體、導向件以及接頭等組成，如圖1 所示。 氣彈簧是利用密閉在壓力缸的高壓惰性氣體（一般為氮氣）或者油氣混合物，使腔體內的壓力遠大于大氣壓，然后利用活塞桿的橫截面積小于活塞的橫截面積從而產生壓力差來實現氣彈簧拉伸和壓縮運動。氣彈簧一般可分為不可變阻尼結構和可變阻尼結構兩種。

圖1 氣彈簧結構示意圖

1.2 氣彈簧的靜態曲線

氣彈簧的力學特性圖可較好地反映氣彈簧在工作過程中（拉伸和壓縮）力隨行程的變化規律，如圖2所示。 圖2 中F1為活塞桿拉伸到最大行程測量點時的彈力值；F2為活塞桿開始拉伸時的彈力值；F3為活塞桿開始壓縮時的彈力值；F4為活塞桿壓縮至最大行程時的彈力值。由于氣彈簧在壓縮的初始及終止階段在摩擦力的作用下會導致曲線發生突變，所以氣彈簧在設計過程中為了保證計算的精確性需要將此段的區域排除，即圖2 中的L 值位置。 L 的取值與氣彈簧的行程有關，一般行程較小時（≤80 mm）L=5 mm，當行程較大時（＞80 mm），L=10 mm。

圖2 氣彈簧力學特性圖

根據氣彈簧力學特性圖可推導出：F2=F1+kl， F4=F3+kl 其中拉伸行程與壓縮行程的兩條平行線之間的Y 向距離稱之為摩擦力f， 一般情況下F3，F4比對應的,F1，F2值大,不超過60 N，F2/F1的比值我們一般描述為氣彈簧的剛度k， 一般推薦值為1.15～1.5N/mm，l 為氣彈簧的最大行程（單位mm）。

氣彈簧受溫度影響較大，根據理想氣體的等容量變化關系（查理定律），密閉氣體壓強隨溫度升高而增大，即：

式中表明，當體積不變時，氣體的壓力與溫度的變化成正比， 當壓力上升時氣體的溫度隨之增加，根據經驗值及試驗結果，溫度每增加或減小1℃，其最小支撐力相應的變化為3‰～5‰。

室溫為t0=20℃時，氣彈簧的使用溫度為T=t0+△T 可知，

其中，熱力學溫度T 與人們慣用的攝氏溫度t 的關系為，T(K)=273.15+t（℃）。 氣彈簧的使用溫度一般需滿足在-40℃到80℃之間可正常工作。

2 氣彈簧的布置

2.1 氣彈簧的安裝方式分析

氣彈簧在后背門上的布置形式一般分為直立式和翻轉式兩種。直立式是指上安裝點在后背門上而下安裝點在側圍的流水槽上，在后背門的開閉過程中始終保持活塞筒在上的原則，此布置方式的優勢在于氣彈簧在運行中油液能較好地起到阻尼和緩沖作用。直立式氣彈簧的布置方式一般適用于后背門較重的車型，布置方式示意圖如圖3 所示。 翻轉式是指上安裝點在側圍的流水槽上而下安裝點在后背門上，當后背門打開時， 活塞桿由缸筒的下方翻轉至缸筒的上方。此種布置方式會導致在氣彈簧行程末端（后背門開啟到最大）油液會從有桿腔進入到無桿腔，氣彈簧的運行速度瞬間增大導致后背門會發生較大抖動。翻轉式氣彈簧的布置方式一般適用于后背門質量較輕或者受力較小的車型，布置方式示意圖如圖4 所示。

一般情況下， 建議優先采用直立式安裝方式，但若不能滿足布置空間、人機工程及后背門開啟角度等情況下可采用翻轉式安裝結構。不論采用哪種安裝方式都必須要滿足缸筒在上活塞桿在下的原則，這種安裝原則不僅可以減小摩擦最大限度地起到阻尼和緩沖性能，而且在側圍流水槽里還可以實現防水避免氣彈簧滲水失效。

圖3 直立式后背門氣彈簧布置方式

圖4 翻轉式后背門氣彈簧布置方式

2.2 后背門開啟時的運動和受力分析

2.2.1 運動分析

從車身X 軸方向看，兩根后背門氣彈簧的安裝成“八”字形，通常情況下要求每根氣彈簧與中性面（ZX平面） 的夾角不大于8°（過大的角度會導致氣彈簧在背門Y 向分力增大影響后背門剛度）， 此時對受力分析影響較小，在做受力計算時可忽略不計，因此可以將其簡化為平面受力系統來分析。

圖5 中O 點為鉸鏈旋轉點，A 為氣彈簧在側圍流水槽上的安裝點（上安裝點），B,B1,B2,為后背門開啟時氣彈簧的三個特殊位置，其中為氣彈簧在后背門關閉位置時的氣彈簧的安裝點（下安裝點），B1為氣彈簧支撐力矩與重力矩相等時的位置點，B2為后背門開啟到最大位置時氣彈簧的位置點，如圖5 所示。

圖5 后背門運動狀態示意圖

2.2.2 受力分析

后背門依靠氣彈簧實現開閉的過程中，會受到鉸鏈中心O 的支反力、氣彈簧的彈力F 以及后背門自身的重力G 等， 這些力都將會對后背門的運動產生影響，其中鉸鏈中心O 的支反力對O 點取矩為零，后背門開啟時氣彈簧的下安裝點B 會繞鉸鏈中心O 做圓弧運動。 在圖5 中，A 點為氣彈簧的上安裝點（側圍上的固定點），B＇ 點為氣彈簧開啟到最大位置時在后背門上的安裝點，P 點為后背門關閉狀態下質心位置點，P' 點為后背門開啟到最大位置時質心位置點，H1點為開啟后背門的作用點位置，H1' 點為關閉后背門時的作用點位置，α 為初始角度即為OB 與鉛垂線的夾角，β 為OA 與OB 的夾角，γ 為OP' 與水平線的夾角，根據人機工程需要，設計后背門的開啟最大角度為82.5°，后背門質量為30 kg，如圖6 所示。

圖6 后背門受力分析示意圖

根據受力平衡條件，氣彈簧在常溫狀態下（20℃）開關過程中需滿足氣彈簧的彈力力矩要等于后背門自身重力矩的條件：2×（F1×LF）=G×LG。 其中式中LF、LG分別為氣彈簧彈力力臂與后背門重力力臂，2 代表兩根氣彈簧。 通過此公式即可得出氣彈簧的彈力值F1，F1值的大小直接影響到氣彈簧在各種溫度工況下的后背門開啟和關閉力值以及其他性能指標， 若F1值過大則會導致開啟力和關閉力增大，在高溫情況下極易發生自爆風險，且此值過大在缸筒直徑一定的前提下氣彈簧自身的性能將有所下降； 若F1值過小則有可能無法正常開啟后背門，甚至后背門在其重力作用下會自行下落，造成貨物進出后背門不便，容易引起客戶抱怨，因此根據經驗，F1值一般建議700 N 左右。

前文提到氣彈簧受溫度影響較大，在計算低溫工況下（-40℃）的氣彈簧彈力值F1時可根據理想氣體的狀態方程（查理定律），可知：

由此得出在低溫（-40℃）狀態下的F1值:

從圖6 可知，氣彈簧的最大伸長量及工作行程由后背門關閉狀態下B 點坐標和后背門開啟到最大位置B' 點坐標進行計算即可得出氣彈簧的伸長時的總長度L,初始長度L1及氣彈簧的工作行程S：

L：后背門開啟最大位置時氣彈簧兩端球頭銷的中心距（mm）；

L1：后背門關閉狀態下氣彈簧兩端球頭銷的中心距（mm）；

H：安全間隙（通常取5mm）。

依據人機布置要求， 常溫時的后背門平衡角度一般在為10°～20°宜， 此值主要取決于后背門的開啟高度。 當平衡角度過大時則會導致后背門開啟高度過高，開啟力將增大；當平衡角度過小則會致使乘員開啟操作不便，影響后背門的自關性能。

在后背門的開啟和關閉的初始階段， 根據布置要求一般需要人為施加一定的外力， 此力值我們稱之為初始開啟力和關閉力。 當后背門在關閉狀態下氣彈簧從壓縮到開啟的瞬間力值即為初始開啟力， 常溫工況此力值一般需要控制（60±10）N 在范圍內；當后背門處于最大開啟位置，氣彈簧由最大伸長量狀態下關閉后背門時的瞬間力值即為初始關閉力， 常溫工況此力值一般要求（70±10N）在范圍內。 根據受力平衡條件公式：

即可得出氣彈簧的開啟力，關閉力的算法（本文不在論述）。 在根據上文討論的溫度工況 （-40℃，20℃，80℃）對氣彈簧開啟和關閉力的影響即可得到不同工況下的力值，見圖7。 圖中橫坐標為后背門開啟角度（°），縱坐標為氣彈簧力值大小（N）。 圖中表明開啟力隨溫度的升高開啟力反而下降，而對于關閉力來講恰好相反，其關閉力隨環境溫度的升高而增大。 常溫工況下平衡點出現在后背門開啟11°時， 低溫工況下平衡點為后背門開啟13°， 高溫工況下平衡點為后背門開啟6°，滿足人機布置需求。

圖7 氣彈簧力— 開啟角度曲線圖

3 結論

本文介紹了氣彈簧的工作原理及力學性能，應用力平衡原理對氣彈簧在整個開閉過程中的受力進行了理論分析，并結合實際項目經驗，對氣彈簧力值的影響因素進行了詳細的分析。同時根據CATIA 軟件建立坐標系能快速地確定氣彈簧的長度及工作行程大小，避免反復計算。 本文還歸納總結了一些滿足氣彈簧布置要求的理想建議值，在設計初期可充分考慮這些值作為參考，可有效地縮短布置時間提高工作效率。