后背门气弹簧的参数化布置及力学分析

刘福强 赵 岩

(法拉第未来汽车＜上海＞有限公司，上海 200000)

0 前言

随着汽车工业的快速发展，人们不仅仅对车辆的外观有一定的要求，而且对其零部件的安全性及实用性也尤为看重。气弹簧作为两厢车型后背门系统开闭过程中的助力机构，其设计及布置也越来越被更多的工程研发人员所重视。 尤其近年来，随着汽车保有量的增加， 很多车型的后背门都出现一些小的开启问题，给顾客使用舒适性造成了不良影响。 本文针对此问题重点研究后背门气弹簧如何在汽车研发阶段进行合理参数化布置，从原理上分析出气弹簧在各种温度工况下的开启力值、关闭力值、平衡角度等因素。

1 气弹簧简介

1.1 气弹簧定义及结构

气弹簧一般由缸筒、活塞、活塞杆、阀体、导向件以及接头等组成，如图1 所示。 气弹簧是利用密闭在压力缸的高压惰性气体（一般为氮气）或者油气混合物，使腔体内的压力远大于大气压，然后利用活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生压力差来实现气弹簧拉伸和压缩运动。气弹簧一般可分为不可变阻尼结构和可变阻尼结构两种。

图1 气弹簧结构示意图

1.2 气弹簧的静态曲线

气弹簧的力学特性图可较好地反映气弹簧在工作过程中（拉伸和压缩）力随行程的变化规律，如图2所示。 图2 中F1为活塞杆拉伸到最大行程测量点时的弹力值；F2为活塞杆开始拉伸时的弹力值；F3为活塞杆开始压缩时的弹力值；F4为活塞杆压缩至最大行程时的弹力值。由于气弹簧在压缩的初始及终止阶段在摩擦力的作用下会导致曲线发生突变，所以气弹簧在设计过程中为了保证计算的精确性需要将此段的区域排除，即图2 中的L 值位置。 L 的取值与气弹簧的行程有关，一般行程较小时（≤80 mm）L=5 mm，当行程较大时（＞80 mm），L=10 mm。

图2 气弹簧力学特性图

根据气弹簧力学特性图可推导出：F2=F1+kl， F4=F3+kl 其中拉伸行程与压缩行程的两条平行线之间的Y 向距离称之为摩擦力f， 一般情况下F3，F4比对应的,F1，F2值大,不超过60 N，F2/F1的比值我们一般描述为气弹簧的刚度k， 一般推荐值为1.15～1.5N/mm，l 为气弹簧的最大行程（单位mm）。

气弹簧受温度影响较大，根据理想气体的等容量变化关系（查理定律），密闭气体压强随温度升高而增大，即：

式中表明，当体积不变时，气体的压力与温度的变化成正比， 当压力上升时气体的温度随之增加，根据经验值及试验结果，温度每增加或减小1℃，其最小支撑力相应的变化为3‰～5‰。

室温为t0=20℃时，气弹簧的使用温度为T=t0+△T 可知，

其中，热力学温度T 与人们惯用的摄氏温度t 的关系为，T(K)=273.15+t（℃）。 气弹簧的使用温度一般需满足在-40℃到80℃之间可正常工作。

2 气弹簧的布置

2.1 气弹簧的安装方式分析

气弹簧在后背门上的布置形式一般分为直立式和翻转式两种。直立式是指上安装点在后背门上而下安装点在侧围的流水槽上，在后背门的开闭过程中始终保持活塞筒在上的原则，此布置方式的优势在于气弹簧在运行中油液能较好地起到阻尼和缓冲作用。直立式气弹簧的布置方式一般适用于后背门较重的车型，布置方式示意图如图3 所示。 翻转式是指上安装点在侧围的流水槽上而下安装点在后背门上，当后背门打开时， 活塞杆由缸筒的下方翻转至缸筒的上方。此种布置方式会导致在气弹簧行程末端（后背门开启到最大）油液会从有杆腔进入到无杆腔，气弹簧的运行速度瞬间增大导致后背门会发生较大抖动。翻转式气弹簧的布置方式一般适用于后背门质量较轻或者受力较小的车型，布置方式示意图如图4 所示。

一般情况下， 建议优先采用直立式安装方式，但若不能满足布置空间、人机工程及后背门开启角度等情况下可采用翻转式安装结构。不论采用哪种安装方式都必须要满足缸筒在上活塞杆在下的原则，这种安装原则不仅可以减小摩擦最大限度地起到阻尼和缓冲性能，而且在侧围流水槽里还可以实现防水避免气弹簧渗水失效。

图3 直立式后背门气弹簧布置方式

图4 翻转式后背门气弹簧布置方式

2.2 后背门开启时的运动和受力分析

2.2.1 运动分析

从车身X 轴方向看，两根后背门气弹簧的安装成“八”字形，通常情况下要求每根气弹簧与中性面（ZX平面） 的夹角不大于8°（过大的角度会导致气弹簧在背门Y 向分力增大影响后背门刚度）， 此时对受力分析影响较小，在做受力计算时可忽略不计，因此可以将其简化为平面受力系统来分析。

图5 中O 点为铰链旋转点，A 为气弹簧在侧围流水槽上的安装点（上安装点），B,B1,B2,为后背门开启时气弹簧的三个特殊位置，其中为气弹簧在后背门关闭位置时的气弹簧的安装点（下安装点），B1为气弹簧支撑力矩与重力矩相等时的位置点，B2为后背门开启到最大位置时气弹簧的位置点，如图5 所示。

图5 后背门运动状态示意图

2.2.2 受力分析

后背门依靠气弹簧实现开闭的过程中，会受到铰链中心O 的支反力、气弹簧的弹力F 以及后背门自身的重力G 等， 这些力都将会对后背门的运动产生影响，其中铰链中心O 的支反力对O 点取矩为零，后背门开启时气弹簧的下安装点B 会绕铰链中心O 做圆弧运动。 在图5 中，A 点为气弹簧的上安装点（侧围上的固定点），B＇ 点为气弹簧开启到最大位置时在后背门上的安装点，P 点为后背门关闭状态下质心位置点，P' 点为后背门开启到最大位置时质心位置点，H1点为开启后背门的作用点位置，H1' 点为关闭后背门时的作用点位置，α 为初始角度即为OB 与铅垂线的夹角，β 为OA 与OB 的夹角，γ 为OP' 与水平线的夹角，根据人机工程需要，设计后背门的开启最大角度为82.5°，后背门质量为30 kg，如图6 所示。

图6 后背门受力分析示意图

根据受力平衡条件，气弹簧在常温状态下（20℃）开关过程中需满足气弹簧的弹力力矩要等于后背门自身重力矩的条件：2×（F1×LF）=G×LG。 其中式中LF、LG分别为气弹簧弹力力臂与后背门重力力臂，2 代表两根气弹簧。 通过此公式即可得出气弹簧的弹力值F1，F1值的大小直接影响到气弹簧在各种温度工况下的后背门开启和关闭力值以及其他性能指标， 若F1值过大则会导致开启力和关闭力增大，在高温情况下极易发生自爆风险，且此值过大在缸筒直径一定的前提下气弹簧自身的性能将有所下降； 若F1值过小则有可能无法正常开启后背门，甚至后背门在其重力作用下会自行下落，造成货物进出后背门不便，容易引起客户抱怨，因此根据经验，F1值一般建议700 N 左右。

前文提到气弹簧受温度影响较大，在计算低温工况下（-40℃）的气弹簧弹力值F1时可根据理想气体的状态方程（查理定律），可知：

由此得出在低温（-40℃）状态下的F1值:

从图6 可知，气弹簧的最大伸长量及工作行程由后背门关闭状态下B 点坐标和后背门开启到最大位置B' 点坐标进行计算即可得出气弹簧的伸长时的总长度L,初始长度L1及气弹簧的工作行程S：

L：后背门开启最大位置时气弹簧两端球头销的中心距（mm）；

L1：后背门关闭状态下气弹簧两端球头销的中心距（mm）；

H：安全间隙（通常取5mm）。

依据人机布置要求， 常温时的后背门平衡角度一般在为10°～20°宜， 此值主要取决于后背门的开启高度。 当平衡角度过大时则会导致后背门开启高度过高，开启力将增大；当平衡角度过小则会致使乘员开启操作不便，影响后背门的自关性能。

在后背门的开启和关闭的初始阶段， 根据布置要求一般需要人为施加一定的外力， 此力值我们称之为初始开启力和关闭力。 当后背门在关闭状态下气弹簧从压缩到开启的瞬间力值即为初始开启力， 常温工况此力值一般需要控制（60±10）N 在范围内；当后背门处于最大开启位置，气弹簧由最大伸长量状态下关闭后背门时的瞬间力值即为初始关闭力， 常温工况此力值一般要求（70±10N）在范围内。 根据受力平衡条件公式：

即可得出气弹簧的开启力，关闭力的算法（本文不在论述）。 在根据上文讨论的温度工况 （-40℃，20℃，80℃）对气弹簧开启和关闭力的影响即可得到不同工况下的力值，见图7。 图中横坐标为后背门开启角度（°），纵坐标为气弹簧力值大小（N）。 图中表明开启力随温度的升高开启力反而下降，而对于关闭力来讲恰好相反，其关闭力随环境温度的升高而增大。 常温工况下平衡点出现在后背门开启11°时， 低温工况下平衡点为后背门开启13°， 高温工况下平衡点为后背门开启6°，满足人机布置需求。

图7 气弹簧力— 开启角度曲线图

3 结论

本文介绍了气弹簧的工作原理及力学性能，应用力平衡原理对气弹簧在整个开闭过程中的受力进行了理论分析，并结合实际项目经验，对气弹簧力值的影响因素进行了详细的分析。同时根据CATIA 软件建立坐标系能快速地确定气弹簧的长度及工作行程大小，避免反复计算。 本文还归纳总结了一些满足气弹簧布置要求的理想建议值，在设计初期可充分考虑这些值作为参考，可有效地缩短布置时间提高工作效率。