阻尼式氣彈簧及其在散熱器面罩中的布置設計

姜 帆，王 博，劉天罡

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

阻尼式氣彈簧及其在散熱器面罩中的布置設計

姜 帆，王 博，劉天罡

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

阻尼式氣彈簧廣泛應用于汽車行業中。本文對阻尼式氣彈簧的結構、工作原理及安裝類型進行了詳細介紹.據此，以散熱器面罩開起裝置設計為例，討論了阻尼式氣彈簧的布置與支撐力計算的設計過程。

氣彈簧; 面罩; 油

CLC NO.:U463.33+4.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-54-05

前言

阻尼式氣彈簧又稱為支撐桿，是氣彈簧家族中的一種。它的密閉缸筒內，充入高壓氣體和油，使其具有了支撐和運動緩沖的作用，它有最短、最長兩個極限位置，在行程中無法自行停止，無外力施加時活塞桿相對缸筒處于最大伸展狀態。在汽車、紡織機械、印刷設備、辦公設備、工程機械等行業中，阻尼式氣彈簧被廣泛應用。本文對了阻尼式氣彈簧的結構、工作原理以及安裝方法予于介紹，并以卡車散熱器面罩的開起裝置設計為例，對阻尼式氣彈簧的選型、布置安裝進行了討論。

1、阻尼式氣彈簧的結構及工作原理

阻尼式氣彈簧（以下簡稱氣彈簧），它主要由接頭、活塞桿、密封導向元件、活塞、油氣混和物、缸筒等部分組成，如圖1所示，氣彈簧的結構。

在缸筒內充入高壓氣體（氮氣），活塞上具有通孔保證了活塞兩側壓強一致，但是等壓氣體作用在活塞兩端的面積不一樣，活塞上有活塞桿側的面積比無活塞桿側的面積小，所以活塞上產生了壓力差，活塞桿被壓力差推出缸筒，氣彈簧即具有了支撐力，圖2氣彈簧的工作原理。

氣彈簧工作時支撐力、壓縮力可看作恒力。圖3是氣彈簧的外形以及壓縮、伸展過程曲線。圖中F1為最小伸展力；F2為最大伸展力；F3為最大壓縮力；F4為最小壓縮力；F0為啟動力；d為活塞桿直徑；D為缸筒外經；S為行程；L伸展長度。壓縮、伸展過程曲線用以描述氣彈簧在壓縮、伸展的全過程中力值的變化情況。其壓縮、伸展特性可通過F3與F4、F2與F1的比值表現出來。C值表示的是在檢測氣彈簧時，F1～F4力值的采集位置，一般情況下,S≤80mm時，C=5mm;S＞80mm時，C=10mm。從圖中我們可以了解到，氣彈簧的力隨位移變化不大，對于工程設計我們可以忽略F1、F2、F3、F4的大小差異，認為氣彈簧的力為恒定值，簡化設計計算。

為避免氣彈簧推動物體時，在伸展行程終了階段產生的慣性沖擊，在缸筒中注入少量油。油在氣彈簧中的作用有三個。第一個是阻尼緩沖，在活塞桿伸出缸筒活塞接近缸筒底端時，活塞與油發生擠壓，受到了油的阻尼緩沖作用，減慢了活塞桿伸出末端時的速度。第二個是潤滑，潤滑是指在氣彈簧工作過程中，活塞桿應至少有一次經過油的浸潤。第三是動密封，氣彈簧缸筒的密封可分為兩種，一種是動密封，它解決了活塞桿伸縮出入缸筒底端時油氣密封問題；另一種是靜密封，封閉缸筒頂端端頭后就可解決油氣密封問題。對于被密封的介質，密封油比密封氣要容易的多，所以設計氣彈簧動密封時，一般利用油與Y型密封圈以及活塞桿組成動密封，如圖4氣彈簧的動密封。

2、氣彈簧的安裝方式

根據氣彈簧內部結構的特點，我們可將氣彈簧的安裝方式分為豎式、臥式兩類。豎式安裝方式如圖5所示，它是指活塞桿伸出或收縮后，整個氣彈簧基本都處于豎直狀態，且活塞桿始終朝下安裝。其內部油在氣彈簧伸、縮時的狀態如圖6豎式安裝-油的狀態所示。

臥室安裝方式如圖7所示，它是指氣彈簧在伸出或收縮后，氣彈簧有被基本水平布置的狀態。其內部油在氣彈簧伸縮時的狀態如圖8臥式安裝-油的狀態所示。

對于以上兩種氣彈簧的安裝方式，在設計中應盡量采用豎式結構。當氣彈簧較長自重影響較大時，臥式安裝方式的氣彈簧受力不好，重力使原本2力桿件氣彈簧產生了撓度。在撓度的影響下壓縮活塞桿時，活塞桿與缸筒內的導向套相對滑動過程中，會有“卡阻”現象發生。如果導向套是黃銅或硬鋁材質，則活塞桿表層鍍鉻層會被劃損；而如果導向套材質是尼龍等耐磨塑料，則導向套的圓孔會被活塞桿磨成橢圓孔，這些都是造成日后氣彈簧氣體泄露最終失效的原因。

3、散熱器面罩中的氣彈簧布置設計

在散熱器面罩（以下簡稱面罩）的氣彈簧設計中，一般采用圖9豎式布置方法安放氣彈簧，設計中常會碰到面罩無法被開起或關閉，以及面罩即使已被關閉又被氣彈簧自動撐起的情況，這些情況都與支耳布置，氣彈簧支撐力、長度、行程選擇不當有關。設計時首先應先明確面罩翻轉鉸鏈中心的位置、面罩翻轉角度、面罩質量、面罩重心位置基本參數；接下來要確定上支耳的位置，其應被布置在面罩翻轉鉸鏈在面罩上的固定處附近，這樣面罩開合時受力好，不易變形；支耳的位置可以按照氣彈簧最小舉升力法〔1〕、兩圓法〔2〕求得，或根據布置需要進行位置調整，但要注意下支耳中心b到面罩翻轉鉸鏈中心0的距離不能超過面罩高度H0，應在面罩大小范圍內。設計中還包含了一個隱蔽條件，氣彈簧的支撐力（包括多根氣彈簧支撐力的合力），應大于面罩質量產生的重力。下面我們結合圖9就以上問題及設計方法展開進行討論。

3.1 模型分析

我們對面罩的開起關閉狀態進行研究，繪制圖9進行分析。T是氣彈簧支撐力；G是面罩的重力；0點是面罩翻轉鉸鏈的中心點；H是面罩最底端到0點距離；H0是面罩的高度； Z是面罩重力的力臂；a1點是面罩完全開起后，上支耳中心點的位置；b點是固定在前圍上的下支耳中心點位置；a3點是面罩完全關閉后，上支耳的中心點位置；C點是面罩的重心；a2點是面罩開、閉過程中，氣彈簧被壓縮到最短處時，上支耳中心點的位置，此點一定在0點和b點的連線上，也稱之為“死點”，面罩完全閉合后，要有向面罩內方向的自鎖力，則a3點必須在位于圖示位置，即0點b點連線的左側；M是氣彈簧支撐力的力臂； X1是a1點、b點間的距離；X2是a2點、b點間的距離；X3是a3點、b點間的距離。圖3中氣彈簧的伸展長度L由X1決定，氣彈簧行程S應滿足（X1-X2）≤S≤（X1-100）/2。倘若S＜（X1-X2）則會有面罩在被關閉的過程中，由于氣彈簧行程不夠，面罩被氣彈簧頂住無法關閉，而又被氣彈簧重新撐起的情況發生。氣彈簧行程S≤（X1-100）/2，這是因為氣彈簧不可能把總長L或X1的一半都壓縮進缸筒內，式中100mm是考慮氣彈簧兩端接頭等工藝制造所必須有的尺寸?？紤]到氣彈簧兩端的接頭尺寸，下支耳中心點到安裝面的距離應在20mm以上，上支耳中心點到安裝面的距離應有30mm以上，分別做出相對安裝面的下支耳偏移線、上支耳偏移線。

3.2 散熱器面罩的質量、重心的確定

求解散熱器面罩的質量、重心，我們可以借用Pro/E或CATIA等三維設計軟件的幫助。根據面罩外形尺寸制作模型，定義面罩材質密度，利用軟件求解其重心、質量。圖10散熱器面罩的質量屬性。3.3 氣彈簧上的支撐力

氣彈簧支撐力T應大于面罩的重力G（不考慮力的方向，只是比較大?。?。圖9中，當面罩的重心C與0點的連線與重力的方向垂直時，重力臂最大Zmax，則重力矩最大。根據計算式（2）可求得氣彈簧支撐力T，此時氣彈簧力臂最大Mmax,由圖9可以看出Mmax小于Zmax，所以由計算式（2）可知T大于G?？紤]風等因素對面罩開起時的影響，實際上氣彈簧的支撐力T撐應按計算式（3）求得,k一般取1.1～1.2。為了避免人無法拉動翻起或閉合時的面罩，我們還應依照一般人所能施加在面罩的開起力F開、閉合力F關對T撐進行校核。圖11立姿直臂時手臂拉力〔3〕。

以GB10000-1988《中國成年人人體尺寸》中的第50百分位的成年男性為例，身高1.68m，體重590N（59kg），當手臂位于90°他能施加在面罩上的最大開起力F開為59N；當手臂位于30°他能施加在面罩上的最大閉合力F關為236N。憑此，由計算式(4)、(5)再對氣彈簧支撐力T撐進行核算,以決定k值是否要作適當調整。

3.4 支耳位置的確定

3.4.1 最小舉升力法

預設面罩開起角度85°～90°，令上支耳中心點距面罩頂端距離約為H0的20%，利用ba1與0a1垂直，找到下支耳在前圍上位置。如圖12所示，最小舉升力法。

3.4.2 兩圓法

預設面罩開起角度α大于90°，如130°。直接令氣彈簧的T為面罩重力G的2～4倍，筆者習慣取3倍。以0點為圓心分別以Mmax、Mα(面罩開起α后的氣彈簧力臂)為半徑分別得到一個大圓和一個小圓；上支耳偏移線與大圓相交的交點可定為上支耳中心點，過上支耳中心點作小圓的切線，切線與下支耳的偏移線交點就是下支耳中心點。如圖12兩圓法。

3.4.3 兩種方法的比較與分析

支耳的位置確定，尤其是確定上支耳位置它是氣彈簧布置的關鍵點。最小舉升力法，先決定上支耳位置的“長度”（H0的20%），然后再推導氣彈簧的力；而兩圓法是先決定氣彈簧的力，再推導上支耳位置的“長度”，在確定上支耳位置時，也用到了最小舉升力方法中0a1垂直ba1的條件。選擇使用方法時，可以根據面罩開起角度決定，當面罩開起角度在85°～90°時，可以采用最小舉升力法；當面罩的開起角度大于90°時，可采用兩圓法。最后，無論使用哪種方法，都應對氣彈簧進行運動校核，看是否要調整支耳偏移線，距安裝面的距離，避免面罩完全關閉后無自鎖力。

4、結束語

阻尼式氣彈簧作為助力緩沖件，廣泛應用于閉合件設計，在卡車散熱器面罩的開起裝置設計中，多采用豎式地安裝方式，且不能顛倒氣彈簧安裝點位置，以保證氣彈簧缸筒內的油能起到阻尼、潤滑、密封作用。隨著阻尼式氣彈簧的發展，一種具有雙室結構的阻尼式氣彈簧孕育而出，它在普通阻尼式氣彈簧的基礎上，增加了浮動活塞，將油室、氣室分開，克服了普通阻尼式氣彈簧的“設計缺陷”和安裝禁忌，使阻尼式氣彈簧的安裝布置更為靈活、運用更為廣泛。

[1] 溫浩，王小東.方艙艙門的氣彈簧選型安裝設計.專用汽車，2010.10。

[2] 文廣南.氣彈簧撐桿的安裝研究.客車技術與研究，2005.04。

[3] 毛恩榮，張紅，宋正河.車輛人機工程學.北京理工大學出版社。

[4] GB 10000-1988 中國成年人人體尺寸。

Dam per gas spring and the layout design of the dam per gas sp ring in the radiator rill

Jiang Fan, Wang Bo, Liu Tiangang
(Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200)

Damper gas spring is used w idely for motor-dom. This paper systematically presents the structure、work principle of damper gas spring and the types of installation. Therefore, taking the design of the radiator grill opening mechanism for example, it introduces the design process of the layout and calculation of damper gas spring.

gas sp ring; grill; oil

U463.33+4.2

A

1671-7988(2014)06-54-05

姜帆，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要研究方向為：車身設計。