智能自助设备中气弹簧的位置选择及计算应用

冀建涛 王超

1. 恒银金融科技股份有限公司 天津 300000；

2. 天津津航技术物理研究所 天津 300000

引言

随着科技日新月异的发展，人们的生活也发生了翻天覆地的变化，更加的智能化、信息化和科技化。智能自助设备作为高度精密的机电一体化装置，越来越多的应用于银行、保险及医院等各种窗口和办公区域，代替了柜台人员的工作，办理业务时更加的简单快捷。这些设备在为客户带来更多便捷服务的同时，也对自助设备的设计、安装和维护提出了更高的要求。气弹簧广泛应用于设备面板支撑处，具有结构简单、互换性好、可靠性高等优点，设备维护人员需要经常打开面板进行各种维护和保养的工作，所以对面板气弹簧的支撑和安装位置就成为设计的重要环节。本文主要介绍气弹簧在智能设备中的设计及计算。

1 气弹簧的基本结构及工作原理

1.1 气弹簧的基本结构

气弹簧是一种可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的工业配件。它是由压力缸、活塞、活塞杆、密封导向套、填充物（惰性气体或者油气混合物），缸内控制元件与缸外控制元件（指可控气弹簧）和接头等几部分构成的，详细结构见图1所示。

图1 气弹簧主要零件及名称

气弹簧按照结构又可分为液压阻尼式气弹簧、动态阻尼式气弹簧。液压阻尼式气弹簧其弹伸速度取决于活塞管的布局和活塞小孔的直径及内部所使用油液的黏度。动态阻尼式气弹簧把活塞小孔变为管道壁上一条长沟槽。沟槽的几何形状和长度决定了其阻尼的效果，使它是一种带阻尼的弹性支撑件，具有安装方便、占用空间小、互换性强、运用稳定可靠，无须外加动力源，无噪声、无污染等优点[1]。

1.2 气弹簧的基本原理

气弹簧原理是在密闭的压力缸内充入惰性气体或者油气混合物，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。气弹簧大多数应用于汽车后备箱门、发动机罩、自助设备的面板开合处等部位，无须外界动力，举力稳定用于实现缓冲、支撑、角度调节等功能。

气弹簧的力性能可以适应各种不同类型的工况，力特性曲线可通过产品的结构来调整出各种形式的输出力特性曲线。

2 气弹簧的连接方式及安装位置选取

2.1 气弹簧的连接方式

气弹簧常规连接方式分为：塑料接头连接方式、金属球型接头连接方式、单耳片连接方式、U型耳片连接方式等；汽车所用气弹簧一般采用的是塑料接头加金属支架或金属球型接头连接方式加金属支架，塑料接头和金属接头：分为普通直式和斜倾式，倾斜式可分为不同的角度(如10°、16°)等，可根据不同情况进行设计。如有支架，建议板材厚度为3mm，可以根据力的大小对支架进行工艺处理，例如建议冲压出加强筋来增加强度等。

2.2 气弹簧的安装位置选取

气弹簧位置选取的首要遵循的原则是不能与所处位置电子物料干涉的前提下，要使打开面板的操作人员可以方便开启和关闭面板，能够顺利进入到需要维护的区域，需要符合人机工程学。同时，现在设备所选用的气弹簧大多是增加了保护套装置，目的是为了防止万一由于长时间设备老化，气弹簧失效、力值降低造成的危险，选取的位置是需要人手方便操作，可以按压保护套压杆位置。还需要根据整机的实际结构及需要维护模块的空间来确定面板翻转角度，以此来确定气弹簧的位置选取[2]。

3 气弹簧的力值和行程的设计计算

3.1 面板的重力计算及重心计算

自助设备面板的重心和重力的计算通常是借助三维设计软件进行赋值计算，在此以Creo软件举例加以说明：在设计好总装图纸后，打开面板组件图纸，将面板装配体中的所有零件材料进行赋值。具体操作过程如下：打开单个零件-点击“File(文件)”-“Prepare(准备)”，选取“Model Properties(编辑模型属性)”，在“Material(材料)”一栏中分配该零件的材料属性，然后点击确定。

当面板组件的所有零件依据上述过程将材料赋值完成后，点击“Analysis(分析)”-“Mass Properties(质量属性)”可弹出对话框，对话框中可显示当前组件的重量及重心位置，重心相对于默认坐标系的相对坐标。

3.2 气弹簧展长和行程的计算

在对气弹簧进行选用和计算时，首先要了解气弹簧的结构尺寸，需要保证活塞杆在使用过程中不会被过度的拉伸和压缩。如图2所示，L为气弹簧的展长，即自然状态下两个吊耳孔的中心距；S为活塞杆的行程，L1为缸筒长度。以常用的某款气弹簧为例，若保证安全的使用气弹簧，活塞杆压缩到底后预留安全余量B≥10mm，密封系统长度为40mm。

图2 气弹簧结构尺寸示意图

需要满足气弹簧的使用条件：

L≥22+L1+10+S+18 其中：L1=S+40 可得：L≥2S+90

由于生产气弹簧厂家不同和所生产的型号也不同，密封圈长度会有所差异，但此条件大部分厂商可满足生产，选用气弹簧行程和展长时需要满足上述条件。

在获得面板重心和重量，掌握气弹簧选取满足的条件后，可进行气弹簧的选用设计。以某款机型为例来详细阐述：首先选取气弹簧的展长，建议选择生产厂家批量较大或典型规格的展长气弹簧，自助设备中展长规格包含：L为246.5mm、300mm、350mm、375mm等等规格，此处选取L=350mm，满足气弹簧使用，行程选择S=125mm。面板的打开闭合需要满足维护区域的尺寸要求，在满足人机工程学基础上选取面板打开角度为70°（此角度暂定，后续计算时可在此基础上微调）。

图3 气弹簧位置选取示意图

设定气弹簧定点圆心为P，面板转轴圆心为Q, 以Q为圆心可做气弹簧动点的轨迹圆，气弹簧旋转以P为圆心，可做出两个半径为R=350mm和R=225mm的圆，两个圆和气弹簧动点的轨迹圆交点分别设为M和N，添加约束条件MQ和NQ的夹角为70度，可得到如图四所示气弹簧定点和动点的位置图。

直线PQ的连线称为气弹簧的死点线，保证气弹簧在关闭时N点不可穿过气弹簧死点线，PN和PQ的夹角也应小于10度，不宜过大，该夹角过大会造成面板关闭后气弹簧力矩大自动弹开面板的危险，过小时也会造成面板关闭临界点气弹簧力矩过小，面板会有磕碰的隐患。选取合适角度后，验证P点和Q点对整机内部其他元器件不干涉，则可确定气弹簧的位置。

3.3 气弹簧的力值计算

气弹簧点位和规格确定好之后对气弹簧力值进行计算和校核。面板在打开过程中，在中间某一值时刻重力力矩可达到最大值。例如面板开角大于90°的情况下，重心和旋转轴连线位于水平状态下力矩最大，若面板开角小，需要确认重力力矩的最大值，此举例情况重力力矩最大时是面板打开最大角度时力矩最大[3]。

图4 重力力矩最大时受力分析

无论面板翻开角度多少，需要保证MF＞MGmax

推导出公式：2F·LF＞k·mg·LGMAX K为安全系数，通常取值为1.1~1.5，此处取值1.2。

带入数值LF=101.3mm LGMAX=466.3mm 面板重力m=18.3kg 气弹簧为2根，故力值取2倍。

可得F＞1.2x18.3x9.8x466.3/(2x101.3)。

可推出F＞495N 查询相关气弹簧规格，最终选取F=500N。

气弹簧力值确定后，应用力矩平衡关系对气弹簧压缩到最底部时，计算重力矩和气弹簧力矩的大小，同时选取中间某位置进行校核，保证重力矩最大时气弹簧力矩大于重力力矩，面板打开最高点时气弹簧力矩大于重力力矩，面板关闭时重力力矩大于气弹簧力矩，具体计算在此不做赘述。

4 气弹簧的使用注意事项

设计时尽可能保证在面板关闭状态下气弹簧缸筒在上方，活塞杆在下方，这样阻尼油对缸筒内气体有很好的密封作用，从而延长气弹簧寿命。

气弹簧在工作中只能施加压缩和伸展的力，不应受倾斜力或横向力的作用，设计气弹簧安装轴或安装座时一定保证定点和动点的安装位置保持平齐。

面板上固定点与铰链距离较近时，在保证满足气弹簧的生产前提下，一定要注意铰链和钣金的强度，避免使用过程中气弹簧的力导致钣金变形或开裂现象。

气弹簧选取时导向套不宜过短，过短容易造成活塞杆松动性大，使用一段时间后，会造成气弹簧的密封性不好，影响气弹簧寿命，造成漏气或漏油等现象。

不允许破坏气弹簧活塞杆的表面，严禁将化学物质、油漆等涂抹在活塞杆当中，活塞杆表面严禁磕碰，严禁对装有气弹簧的设备进行焊接和喷涂等工序加工[4]。

5 结束语

通过对压缩气弹簧的固有特性进行分析，详细阐述了气弹簧的基本结构和工作原理，对气弹簧在智能自助设备中的设计要点和安装选取进行了详细介绍，并对气弹簧在实际当中的使用注意事项进行总结，以后在其他设备上设计气弹簧时可作为设计参考。