基于杠杆原理举升门气弹簧布置研究

王丽敏 彭子栋 李卉

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

【摘 要】文章介绍了气弹簧的力学特性及在汽车举升门上气弹簧的力值变化，并结合用户对汽车举升门的要求，对气弹簧在举升门系统中的基本布置要求及其影响因素进行了深入的分析和探讨，同时以杠杆原理为理论基础，归纳出影响气弹簧布置的各因素理想值。以这些理想值为基础，可在设计阶段缩短布置气弹簧的时间，同时提高布置气弹簧的准确性。

【关键词】举升门；气弹簧；杠杆原理；基本特性

【中图分类号】U463 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）04-0051-04

气弹簧在汽车领域应用广泛，尤其在汽车举升门上。气弹簧内部充满了高压惰性气体（氮气）及少量阻尼油，在工作时内部具有缓冲机构，避免了止位的冲击。使用时，气弹簧一头安装在车身，一头安装在车门上（一般有举升式和反转式），具有安装方便、无需保养等优点[1]。气弹簧是指由一个密闭缸筒和可以在缸筒内滑动的活塞组件及活塞杆组成的以压缩气体为贮能介质的机构，起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等作用[2]。汽车举升门的开啟高度、开启力值、关闭力值都是通过气弹簧来实现，而气弹簧的布置又起到确定性的作用，因此对气弹簧在举升门中的布置进行研究很有意义。

1 气弹簧的力学特性

在密闭的压力缸内充入高压惰性气体（氮气）或者油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动（如图1所示）。

当温度恒定时，气弹簧的弹力△F=F 2-F1-f（F1为拉伸到测量点时的弹力；F 2为压缩到测量点时的弹力；f为活塞与缸筒的动摩擦力，如图2所示）。

当气弹簧被压缩时，由于活塞杆不断伸入缸筒中，缸筒内气室的体积逐渐减小，因此气压逐渐增大，同时弹力逐渐增大。类似于机械弹簧的刚度一样，气弹簧F2/F1的值被描述为气弹簧的刚度。气弹簧受温度影响较大，根据公式PV/T=C（恒量），低温下开启力增加，关闭力减小；高温下，开启力减小，关闭力增加。

气弹簧在举升门系统中的力学模型（整车坐标系XZ平面），如图3所示：F为气弹簧的最大支撑力；O为举升门铰链旋转轴；A为气弹簧在车身侧安装点；B为举升门关闭时，气弹簧举升门上安装点；C为举升门完全开启时，气弹簧举升门上安装点；F为气弹簧支撑力；d 为气弹簧支撑力力臂，即O到AC的距离；W为举升门的重力；E为举升门的重心，设OE长度=k；φ为举升门关闭时，OB与垂线之间的夹角；β为OC与OE之间的夹角；γ为∠OAC。

其中，OA、AB在同一方向，两边相加等于OB；r=OB，l1=AC，l2=AB，α为举升门开启的角度。

在△OAC中，

如图

由公式（1）带入数值验证，假定B点不动，A点距O点的距离越大F越小；假定OA长度不变，A点绕O点旋转后使A点距OB的距离增大则F增大，故得出OA的长度及AB的延长线到O点的距离跟F有密切关系。

在举升门系统中，推荐OA的值控制在175～250 mm范围内，AB的延长线到O点的距离控制在0～30 mm范围内。图4所示为举升门与车身侧围的分缝分在车辆的侧面的造型风格，B点的位置距举升门下端分缝的距离应大于35 mm，气弹簧开启的基本条件为2×S+1002 气弹簧在举升门系统中的基本要求及其影响因素

气弹簧在举升门系统中的主要作用为辅助客户开启和关闭举升门，需满足在不同的温度环境下适当的保持力、开门力、关门力、平稳性、平衡角度及支撑力值的主要要求，要求气弹簧在-30～80 ℃温度区间内，功能正常，无噪音。

2.1 低温（-30 ℃）关闭力

关闭力亦称低温保持力，即气弹簧在低温时处于最大伸长长度时关闭举升门的瞬间力值。若此力值过小，势必导致在低温情况下气弹簧无法举升住举升门，举升门在其自身重力作用下自行下落，直到气弹簧的举升力与举升门重力相等时达到相对平衡，而此时举升门的开启高度必然比设计时的开启高度低很多，造成乘员或货物进出举升门不便，从而导致用户不满及抱怨。若此力值过大，势必会导致F1、各温度下的开启力、关闭力增大，气弹簧同一尺寸的鋼筒自身能够承受的压力值是一定的，如果F1增大后超出所选尺寸钢筒所能承受的压力值，在其他条件不变的前提下，只能更换更大直径尺寸的钢筒，对设计布置、成本、感知等均会带来不利的影响。低温关闭力是气弹簧在举升门系统中所有特性中最为重要的一个，此特性可以直观判断气弹簧是否失效。经过多个项目的经验总结，在举升门系统中，低温关闭力建议不小于20 N。

2.2 “hump”现象

“hump”即凸起，针对气弹簧而言是指同一温度下最大关闭力与初始关闭力的差值，在实际操作中可视为关门瞬时所需的力与关门过程中所需最大力的差值（如图5所示）。如果存在“hump”现象，说明在关门的初始瞬间到举升门平衡角度的过程中，所需使用的关门力是逐渐增大的，给用户造成操作不顺、舒适性差的感知，直接影响车辆品质。设计中是不允许出现“hump”现象的，即用户在关门初始瞬间所使用的力值无需再增大，门就能够轻松地关闭。如果有“hump”现象，但此数值须控制在用户可接受的范围内，在举升门系统中，建议此数值不大于10 N。

2.3 常温（+20 ℃）初始开启力及关闭力

初始开启力即气弹簧在常温时处于最小伸长长度时开启举升门的瞬间力值；初始关闭力即气弹簧在常温时处于最大伸长长度时关闭举升门的瞬间力值。初始开启力及关闭力直接影响用户在使用过程中的感知及舒适性，开启力过大，易造成开门困难、到达平衡角度时的开启速度过快而伤到用户等现象；开启力过小，易造成用户难以判断门是否开启、到达平衡角度时的开启速过慢、门自关效果差等问题引起用户不满。此外，开启力设计过小时会造成初始关门力增大。关闭力过大，易造成用户关门困难，使车辆操作舒适感下降。对于举升门系统而言，举升门钣金加上所有的附件（包括后挡风玻璃总成、扰流板总成、内饰板总成、锁体总成、灯系统、后雨刮系统等）的重量一般都会大于25 kg，建议开启力控制在（60±10）N，关闭力控制在（70±10）N。

2.4 常温（+20 ℃）平衡角度

平衡角度是氣弹簧在常温条件下所提供的支撑力矩与举升门重力距相对平衡时的角度，即图5所示的力值曲线与O线的交点所处的角度。此特性与人机工程相关，平衡角度过小，举升门开启手柄位置过低，开启操作不便，影响举升门自关性能；平衡角度过大，举升门开启手柄位置过高，开启操作舒适性会降低。在举升门系统中，常温时的平衡角度建议控制在13°～20°，平衡角度的基准是举升门设计关闭状态。

2.5 F 1力值

由于力的作用与反作用效应，气弹簧能够提供的支撑力（F 1）会作用在固定气弹簧的安装点上，若此力值过小，势必导致在此状态下气弹簧无法举升起举升门，举升门在其自身重力作用下会自行下落，直到气弹簧的举升力矩与举升门重力力矩相等时达到相对平衡，而此时举升门的开启高度必然比设计时的开启高度低，造成乘员或货物进出举升门不便，从而导致用户不满及抱怨；若此力值过大，各温度下的开启力和关闭力会增大。同一尺寸型号的气弹簧钢筒自身能够承受的压力值是一定的，如F 1增大后超出所选钢筒所能承受的压力值，在其他条件不变的前提下，只能更换更大尺寸的钢筒，带来了设计布置空间要求更大、成本变高、感知质量差等不利的影响。F 1的增大或者减小，会直接影响到各温度状态下的开启、关闭力值及其他性能指标，在举升门系统中，F 1力值建议不大于700 N。

根据以上对举升门气弹簧的支撑力及其安装点布置分析后，选择合适的气弹簧型号（钢筒尺寸及活塞杆尺寸）及F 1力值，初始设计时所测得的零件重量（按均匀厚度计算）信息未考虑零件板材制造时减薄、叠料及制造误差等因素，测量所得的举升门重量信息及重心坐标与实际生产出来的产品会有所偏差，故在制作气弹簧样件时，须作出F 1，F 1±30 N，F 1±50 N 5种力值的样件，并分别进行气弹簧子系统试验及举升门子系统的相关试验。在试验完成后，满足试验要求的最小F 1力值定为F 1的最终力值。

3 总结

本文介绍了气弹簧的力学特性，基于杠杆原理对气弹簧在举升门的开启和关闭过程的力学进行理论分析，并结合多个车型项目的实践经验，总结出气弹簧在举升门布置过程中的基本要求和影响基本要求的相关因素，归纳出满足气弹簧布置要求的各因素的理想建议值。在设计初期布置气弹簧的过程中以这些值为参考，可以有效地减少设计上布置气弹簧的时间，提高工作效率，同时保证了气弹簧布置的准确性，避免出现气弹簧布置过程中的返工，满足用户对举升门开启力、关闭力等相关性能的要求。由于不同的气弹簧供应商在气弹簧结构上存在差异，所以建议在举升门系统开发前期尽量和气弹簧供应商同步进行，可有效地避免不可行布置方案所带来的大量重复工作，为项目开发节省时间。

參 考 文 献

[1]韦学军，许文光.微型客车尾门结构设计与试验简介[J].企业科技与发展，2009（22）.

[2]姜帆，王博，王天罡.阻尼式气弹簧及其在散热器面罩中的布置设计[J].汽车实用技术，2014（6）.

[3]汪家利，乐玉汉，李辉.后背门气弹簧布置与撑力计算[J].汽车工程师，2010（7）.

[责任编辑：钟声贤]

【作者简介】王丽敏，男，江西新余人，硕士，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心车门工程师，从事车门设计工作；彭子栋，男，湖南浏阳人，学士，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心车门工程师，从事车门相关产品的结构设计工作；李卉，女，山东泰安人，硕士，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心车门工程师，从事车门相关产品的结构设计工作。