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根据气弹簧的结构和功能,主要有自由型气弹簧、自锁型气弹簧、随意停气弹簧、牵引式气弹簧、阻尼器几种。
1、自由型气弹簧(支撑杆)
该种气弹簧是应用最为广泛的气弹簧,主要起支撑作用,只有最短、最长两个位置,在行程中无法自行停止。
在汽车、纺织机械、印刷设备、办公设备、工程机械等行业应用最广。
图1.1自由型气弹簧
2、自锁型气弹簧(调角器、气压棒)
此种气弹簧通过控制活门的开启使气弹簧自由伸缩并可锁定在任意位置。
其在医疗设备、座椅等产品上应用的最多,其借助一些释放机构可以在行程中的任意位置停止,并且停止以后有很大的锁紧力(可以达到10000N以上)。
图1.2自锁型气弹簧
3、随意停气弹簧(摩擦式气弹簧)
此种气弹簧的内部摩擦力大于缸筒内的力值,因此不使用外力的情况下也可以停留在任意位置。
其主要应用在厨房家具、医疗器械等领域,特点介于自由型气弹簧和自锁型气弹簧之间,不需要任何的外部结构而能停在行程中的任意位置,但没有额外的锁紧力。
图1.3摩擦型气弹簧
4、阻尼器
此种气弹簧腔体内存有大量液体而非氮气,可以明显的对相连的机构的速度起阻尼作用。
在健身器材和医疗设备上应用比较多,其特点是阻力随着运行的速度而改变。
图1.4阻尼器
5、牵引式气弹簧
该种气弹簧是一种特殊的气弹簧,其他的气弹簧在自由状态的时候都处在最长的位置,即在受到外力后是从最长的位置向最短的位置运动,而牵引式气弹簧的自由状态在最短的位置,受到牵引时从最短处向最长处运行。
牵引式气弹簧中也有相应的自由型、自锁型等。
图1.5牵引式气弹簧
1.3气弹簧在汽车上的常见应用
汽车发盖及尾门上经常用的是自由型气弹簧,起到支撑作用,如图1.1所示。
发盖支撑气弹簧SUV车型尾门支撑气弹簧
MPV车型尾门支撑气弹簧轿车尾门支撑气弹簧
图1.6气弹簧应用
由于发盖与尾门气弹簧的设计方法类似,故仅以尾门为例介绍气弹簧设计方法。
1.4支撑气弹簧的参数
1.4.1支撑气弹簧的结构参数
气弹簧的参数如:
杆径d、缸径D、行程S、安装尺寸L、公称力F,如图1.7所示。
图1.7气弹簧结构图
1.4.2气弹簧的连接件形式
支撑气弹簧的连接件形式通常有两种:
O型连接件和U型连接件。
具体参考形式如图1.8所示):
图1.8气弹簧连接件形式
1.5气弹簧的一般工作原理
气弹簧是以气体和液体为工作介质的一种弹性元件,由压力管,活塞及若干联接件组成,其内部充有高压氮气,因为活塞有通孔,所以两端气体气压均等,又由于两端受力面积不同而产生向外的弹力,弹力的大小可以通过设置不同的氮气气压而设定,如图1.9所示。
图1.9气弹簧原理图
根据图1.9有:
1、活塞两边气压相等,由于受力面积不同,产生压力差提供气弹簧的支撑力;
2、气弹簧运动中瞬时提供的总支撑力包括两部分:
压力差产生的支撑力和摩擦力;
3、外力压缩气弹簧,由于撑杆在气室内体积增大,压缩气体的有效容积变小,气室气压变大,压力差产生的支撑力变大;
4、摩擦力变化:
气室压力越大,摩擦力越大;
撑杆运动越快,摩擦力越大;
离自然伸长处越远,摩擦力越大;
5、气温影响气弹簧支撑力:
气温越低,气室压力越低,气弹簧提供的支撑力越小。
2气弹簧的布置计算
2.1气弹簧布置
2.1.1气弹簧的布置方式
气弹簧在尾门开启时按其气弹簧的旋转方向方式分推举型和翻转式两种布置方式。
推举型:
从车左侧面(车头方向在左,车尾在右)看过去,旋转方向为顺时针的布置方式为正转;
这种方式的气弹簧的上安装点布置在尾门上,下安装点在后侧围门框上;
尾门开启时气弹簧弹簧力向上,如图2.1所示。
翻转式:
情况与正转相反。
从车左侧面(车头方向在左,车尾在右)看过去,旋转方向为逆时针的布置方式为反转;
这种方式的气弹簧的上安装点布置在后侧围门框上,下安装点在尾门上;
尾门开启时气弹簧弹簧力向下,如图2.2所示。
图2.1推举型图2.2翻转型
注:
推举型与翻转型各有各的特点,按其需要选择布置方式。
相同的尾门开度,推举型需要的摆转空间比翻转型的小,但安装尺寸L一般比翻转型的长,推举型的气弹簧活塞杆始终朝下,对其性能发挥有一定的好处。
当选用翻转式支架连接时,受布置空间影响,气弹簧支架易布置到流水槽位置,支架与车身连接部位容易漏水,所以车身应考虑防水结构,气弹簧支架应根据车身需求采用不用的防水方式。
例如:
现代IX35支架、螺栓无任何防水处理;
丰田雅力士支架下部加胶垫;
现代新胜达螺栓下部加密封胶圈。
2.1.2气弹簧的连接件形式选择
连接件形式:
按安装空间需要选取或定制。
若气弹簧在尾门和侧围上的两个安装点连线与XZ面平行,则可以考虑U型连接件(例如:
阁瑞斯),当然也可以选择O型连接件,如图2.3所示;
当两个安装点连线不与XZ面平行,则应考虑O型连接件(例如:
A3),如图2.4所示。
图2.3阁瑞斯气弹簧连接件图2.4A3气弹簧连接件
2.1.3尾门的平衡条件
平衡点的确定,主要依据人机工程学,通常在15-20度之间,然后根据平衡条件计算相关参数。
以反转为例分析平衡状态,参照图2.5和表2.1。
图2.5平衡位置图
图2.5中:
O点为铰链轴位置;
A、B点分别为侧围和尾门安装点;
E为重心位置。
表2.1平衡状态表
状态
开启角
能否平衡
摩擦力Ff
总支撑力力矩MF与
重力力矩MW比较
类型/大小
方向
0º
0~1
<
α<
α1
否
动态/Ff
A→B
MF<
MW
1
α=α1
能
静态/Fs→0
MF=MW
1~b
α1<
αb
静态/Fs
b
α=αb
无
MF=MW
b~2
αb>
α>
α2
静态/0→Fs
B→A
2
α=α2
2~4
α2<
α4
MF>
MW
4
α=αmax
上表各状态均为无外力时分析,Fs为最大静摩擦力。
2.1.4最大开启角度
图2.6尾门最大开启角度示意图
模型简化:
边OA、AB在同一方向,两边相加约等于OB;
图2.6中:
O——背门铰链中心轴;
A——气弹簧门框安装点;
B——门关闭时,气弹簧门上安装点;
C——门完全开启时,气弹簧门上安装点。
设r为OB之间距离,l1为AB之间距离,l2为AC之间距离,其他角度如图十所示。
有公式如下:
(1)
从上述推导过程中可以看出:
(1)当α=0º
时,∆式即l22=l12,此时门无法打开。
(2)当l1,l2一定时,要满足开启的角度α(0<
180º
)越大,r值就应该越小。
若想达到最大开启角度必须符合
(1)式;
设计时如果选择反转方式,A点应布置在OB连线左侧,否则尾门无法开启,正转类似。
2.2气弹簧计算
2.2.1支撑力计算
与机械弹簧不同的是,气弹簧具有近乎线性的弹性曲线,如图2.7所示。
图2.7中:
F1为最小伸展力,F2为最大伸展力,F3为最小压缩力,F4为最大压缩力。
标准气弹簧的弹性系数k介于1.2和1.4之间,伸展过程中的支撑力F如下:
(2)
Ff=(F3-F1)/2(3)
在(20±
5)℃的温度条件下,气弹簧在F1力值下摩擦力应符合表1要求。
表2.2F1处的最大摩擦力
F1力值
摩擦力最大值
201N~400N
60N
401N~800N
85N
2.2.2尾门开启力和关闭力的分析
图2.8尾门开启示意图图2.9尾门开启和关闭力的分析示意图
图2.8、图2.9中:
Fo,Fc分别为开启力和关闭力;
F——气弹簧支撑力;
d——气弹簧支撑力力臂,即O到AC的距离;
W——门的重力;
E——门的重心,设OE长度=k;
Φ——门关闭时,OB与垂线之间的夹角;
β——OC与OE之间的夹角;
γ——∠OAC
尾门开启:
W·
ko-Fo·
L–Fpo·
do=0(4)
ko=ksinΦ;
do=l2sinβ;
尾门关闭:
kc+Fc·
Lc–Fpc·
dc=0(5)
kc=k·
cos(Φ+α-90º
);
dc=(r-l2)sinγ;
Lc=L·
cos(Φ+α-β-90º
尾门的重量对开启力和关闭力的大小影响最大,背门越轻开启和关闭越方便;
当尾门重量和重心已确定,可以通过调整A、B两点的安装位置改变do、dc的值,最终降低尾门开启和关闭力;
此处Fpo、Fpc为双根气弹簧力值,单根需除以2。
2.2.3最小伸展力与气压的关系
最小伸展力F1与充气压力应符合式(6)。
(6)
式中:
d为活塞杆直径,单位为mm;
p为气弹簧气压,单位为Mpa;
为动摩擦力,单位为N。
因此可以通过改变气压的方式来调整
的力值。
2.2.4气温对气弹簧支撑力的影响
查尔斯定律:
Pi/Ti=Pf/Tf(7)
T为开尔文温度,20º
C=293K,-40º
C=233K,80º
C=353K;
开尔文温度=摄氏度+273.15
根据公式计算:
若不考虑摩擦力,其他条件相同的情况下,-40º
C时气弹簧的支撑力是20º
C时的79.5%,80º
C气弹簧的支撑力是20º
C时的1.2倍。
2.2.5设计行程及伸展长度的确定
为了考虑门能正常关闭,气弹簧的设计行程要比工程行程大一些(国标推荐3~10mm),即
S=S1+(3~10mm)(8)
S为设计行程,单位为mm;
S1为工程行程,单位为mm。
设计行程及伸展长度主要根据尾门开启高度而确定。
2.2.6气缸/活塞杆直径的设计计算
气缸/活塞杆的直径可以按照《JB10418-2004-T气弹簧设计计算》中公式去设计计算,主要与
的力值有关,但目前气弹簧已经系列化,可以根据相应的规格表去选取适合的气弹簧直径,例如表2.3、表2.4(仅作为举例,具体规格参照气弹簧国家标准)。
表2.3气弹簧规格表(部分)
表2.4气弹簧直径选择推荐表
2.2.7气弹簧布置设计标准
常温设计目标建议值,见《尾门设计手册》(或根据具体项目布置情况而定):
前提条件:
1、气弹簧能举撑起门(尤其低温-30度)。
2、满足制造要求:
气弹簧总长大于等于两倍的行程加上气弹簧固定尺寸。
3、满足平衡点在合适的范围内(通常15-20度,根据人机工程确定)。
4、满足选取的气弹簧的(高温)气压小于许用气压。
5、满足尾门最大开启角度要求。
3整车开发在各个阶段的设计要求
3.1可行性分析阶段
该阶段主要工作是按照项目竞品车和实际情况选择气弹簧种类和接头形式,具体选择方法可参见1.2节和1.4.2节。
3.2概念确认阶段
该阶段为气弹簧设计的主要阶段,主要工作是确定支撑点位置、布置方式、伸展长度及行程,计算支撑力值,选择气缸和活塞杆直径,气弹簧周边条件的限定以及CAS面进行设计校核。
在CAS阶段气弹簧主要工作为以下几点:
(1)支撑点位置的确定
根据竞品车和造型的实际情况确定气弹簧支撑点的位置,支撑点的位置可以影响到尾门开启与关闭力的大小,确定后需要进行验证,使尾门具有合适的开启与关闭力。
(2)布置方式的确定
根据造型空间确定布置方式,参照2.1.1节。
(3)伸展长度及行程的确定
根据总布置提供的满足人机工程要求的尺寸(取放行李空间,内外饰扶手位置等)定义尾门最大开启角度,根据尾门最大开启角度α确定伸展长度及行程,参照2.2.4节,要达到最大开启角度还需要满足2.14节内容。
(4)支撑力值的计算
根据尾门重量和重心位置,铰链轴线,运用力矩平衡计算出相应的举撑力(最大开启点、关闭点),参考2.1.3节和2.2.1节内容。
在满足足够支撑力的前提下,通过改变安装点来调整开启力和关闭力的大小,同时还要满足公式
(1)中最大开启角度时的尺寸要求,且使平衡点落在合适的范围内。
(5)气缸和活塞杆直径的选择
根据2.2.5节的方法计算或者按推荐值选择相应的气缸和活塞杆直径。
(6)气弹簧周边条件的限定
对车身的要求:
1、后围板和尾门板孔的位置度公差
Φ2mm;
2、车身需要有良好的密封性能,不允许有大量灰尘及沙粒进入,造成气弹簧密封圈组件和活塞杆外表面磨损;
3、尾门需要有较好的刚度和耐振性能,否则会使气弹簧活塞杆根部过度磨损造成漏油失效;
4、尾门的实际重量/重心要与设计值一致,不允许在没有校核的情况下进行更改,否则容易造成气弹簧失效。
其他方面的要求:
1、气弹簧密封圈为单向密封圈,气弹簧需要自行升起,不允许用外力快速将尾门抬起,否则容易造成气弹簧失效;
2、若气弹簧连接件采用螺纹连接,严禁将连接件逆时针旋转,以免螺纹松动产生异响。
如需要调整连接件方向,只能顺时针转动。
(7)CAS面理论校核
运动空间理论校核:
要求气弹簧与其他部件的安全距离≥5mm;
工具空间理论校核:
根据工具的大小校核是否有足够的空间安装气弹簧;
装配便利性:
根据车间实际情况校核气弹簧是否便于安装,并且与总装工艺确认。
3.3产品设计及验证阶段
3.3.1A面阶段设计校核
A面阶段更改对气弹簧影响不大,所以该阶段主要任务是对气弹簧数据进行完善,对气弹簧做进一步校核,主要是气弹簧布置,工具空间及装配便利性,校核步骤同3.2。
3.3.2P版数据阶段校核
同3.3.1节内容进行校核确认。
3.3.3P版样车/样件阶段验证
因为设计和样车有微小误差,所以通过一组(5-10组)不同力值(气压)的气弹簧样件在样车上进行微调,最终达到理想状态。
实车耐久及低温试验
3.3.4设计冻结验证
重复3.1节、3.2节内容进行验证。
3.4工装开发及生产准备阶段
对工程状态和相关数据进行冻结,需要安排开发计划,要求供应商严格按照时间节点执行,样件完成后需要进行形式试验、台架试验、路试试验加以验证。
形式试验和台架试验标准请参见最新版国标和企标;
路试试验要求15000公里强化路面。
4失效模式和改进措施
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