史可朝，黃充

（1.江西昌河汽車有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002；2.景德鎮(zhèn)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333002）

引言

氣撐桿常稱為氣彈簧，是一種將高壓氣體（一般用氮?dú)猓﹥?chǔ)存于缸筒內(nèi)，利用缸筒內(nèi)活塞兩側(cè)的氣體作用力差產(chǎn)生支撐力，在外界壓力作用下實(shí)現(xiàn)伸展和壓縮。目前，氣撐桿已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車、家具、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)。氣撐桿具有可靠性高、布置簡單、成本低等優(yōu)勢，是一種常用的汽車背門、前艙蓋開啟支撐機(jī)構(gòu)。

1 氣撐桿結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 氣撐桿結(jié)構(gòu)

氣撐桿主要由球頭、活塞桿、導(dǎo)向件、活塞、缸筒等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在密封的缸筒內(nèi)充入高壓氣體，活塞兩側(cè)的氣體壓強(qiáng)相等，利用活塞兩側(cè)缸筒有桿腔與無桿腔的截面積差，使得高壓氣體對(duì)活塞產(chǎn)生一個(gè)輸出推力，其工作原理如圖2所示[1]。

1.2 阻尼結(jié)構(gòu)

為防止背門開啟速度過快導(dǎo)致用戶與汽車背門磕碰，同時(shí)避免背門開啟最終階段產(chǎn)生慣性沖擊導(dǎo)致車輛晃動(dòng)，氣撐桿需要增加阻尼結(jié)構(gòu)，以控制背門的開啟速度，保證背門打開至最大開啟位置時(shí)速度緩慢降低，減少?zèng)_擊。目前氣撐桿的阻尼結(jié)構(gòu)主要有定阻尼和變阻尼兩種結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖1 氣撐桿結(jié)構(gòu)

圖2 氣撐桿工作原理示意圖

圖3 氣撐桿阻尼結(jié)構(gòu)

阻尼結(jié)構(gòu)只在氣撐桿伸展階段對(duì)氣撐桿活塞產(chǎn)生阻尼作用，而在壓縮階段，活塞的密封墊由于缸筒內(nèi)壁的摩擦作用向有桿腔方向移動(dòng)，導(dǎo)致活塞兩側(cè)有桿腔和無桿腔之間的氣流通道變寬，此時(shí)氣體通過量較大，阻尼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻尼力很小。因此，背門在關(guān)閉過程中氣撐桿產(chǎn)生的氣流噪聲較小，而背門在開啟過程中氣體通過活塞的量較小，氣體阻尼大，產(chǎn)生較大的氣流噪聲。

定阻尼氣撐桿在伸展初始階段為氣體阻尼階段，高壓氣體通過活塞上的阻尼孔只能產(chǎn)生固定的阻尼力；在伸展末段為液體阻尼階段，液壓油通過阻尼孔產(chǎn)生突然變大的阻尼力，來減輕背門對(duì)車身的沖擊。變阻尼氣撐桿的缸筒內(nèi)壁有變截面的拉槽，一般在撐桿伸展方向拉槽截面積逐漸減小，當(dāng)撐桿伸展時(shí)，高壓氣體通過截面積減小的拉槽，會(huì)產(chǎn)生逐漸變大的阻尼力，使得背門逐漸打開至最大開啟位置。

1.3 力—位移特性

變阻尼氣撐桿能夠在背門開啟時(shí)起到更好的緩沖效果，定阻尼氣撐桿和變阻尼氣撐桿的力—位移特性曲線如圖4所示[2]。

圖4 力特性曲線

目前變阻尼氣撐桿技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其在背門開啟速度優(yōu)化、緩沖等方面有顯著優(yōu)勢，且成本與定阻尼氣撐桿基本相當(dāng)。因此，變阻尼氣撐桿已在汽車背門、前艙蓋、行李箱蓋等舉升系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2 背門受力分析

目前市場上，乘用車的背門氣撐桿的布置以翻轉(zhuǎn)式布置方式為主，本文主要對(duì)翻轉(zhuǎn)式氣撐桿的力矩進(jìn)行分析。在整車坐標(biāo)系中，氣撐桿的布置在Y軸方向的投影如圖5所示，假設(shè)背門在關(guān)閉狀態(tài)下與豎直方向的夾角為α0，背門重心G坐標(biāo)為（XG，YG，ZG），背門鉸鏈中心 O（X0，Y0，Z0），氣撐桿車身安裝點(diǎn)O1（X1，Y1，Z1），氣撐桿背門安裝點(diǎn)O2（X2，Y2，Z2），開門位置（XOPEN，YOPEN，ZOPEN），關(guān)門位

置（XCLOSE，YCLOSE，ZCLOSE）。

圖5 氣撐桿力矩分析示意圖

2.1 氣撐桿受力分析

假設(shè)氣撐桿初始充氣壓強(qiáng)為P0，充氣體積為V0，氣撐桿動(dòng)態(tài)摩擦力為Ff，背門最大開啟角度為α2，氣撐桿伸展時(shí)的輸出力FL，壓縮時(shí)的輸出力FS[3]。

背門鉸鏈中心O與氣撐桿在車身上的安裝點(diǎn)O1之間的距離L1：

背門鉸鏈中心O與氣撐桿在尾門上的安裝點(diǎn)O2之間的距離L2：

背門在關(guān)閉狀態(tài)下，背門鉸鏈中心O與氣撐桿在尾門上的安裝點(diǎn)O2之間的距離L3：

氣撐桿在車身上的安裝點(diǎn)O1與背門上的安裝點(diǎn)O2相對(duì)與鉸鏈中心之間的夾角β：

氣撐桿彈簧相對(duì)與尾門最大開啟角度處的的壓縮量為△L：

背門開啟時(shí)，氣撐桿力矩與背門開啟角度α1的關(guān)系：

背門關(guān)閉時(shí)，氣撐桿力矩與背門開啟角度α1的關(guān)系：

背門重力力矩MG：

當(dāng)背門處于平衡狀態(tài)是時(shí)，背門重力矩滿足ML≤MG≤MS。因此，汽車背門會(huì)在某一區(qū)間內(nèi)保持重力與氣撐桿力平衡。

2.2 開門力

假設(shè)背門開啟時(shí)，開門力的方向始終與力作用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相同（開門力有效力臂最大）。

2.3 關(guān)門力

假設(shè)背門關(guān)閉時(shí)，關(guān)門力的方向始終與力作用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相同（關(guān)門力有效力臂最大）。

3 背門關(guān)閉性能優(yōu)化

以某項(xiàng)目為例，由于背門造型限制，氣撐桿安裝位置有限，導(dǎo)致背門關(guān)閉力大。

3.1 優(yōu)化前

優(yōu)化前背門相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 氣撐桿設(shè)計(jì)計(jì)算輸入?yún)?shù)

氣撐桿設(shè)計(jì)輸出結(jié)果如表2所示。

表2 氣撐桿設(shè)計(jì)輸出

此方案，最大關(guān)閉力大于70N，關(guān)門力大，用戶體驗(yàn)差。

3.2 優(yōu)化后

更改氣撐桿安裝點(diǎn)，對(duì)背門需要重新造型，改動(dòng)量太大，無法滿足項(xiàng)目需求，故以更改氣撐桿參數(shù)作為優(yōu)化方案。優(yōu)化后的氣撐桿設(shè)計(jì)輸出參數(shù)見表3。

表3 優(yōu)化后氣撐桿參數(shù)

4 結(jié)論

本文主要介紹了背門氣撐桿的結(jié)構(gòu)、工作原理及特性，詳細(xì)分析了氣撐桿設(shè)計(jì)計(jì)算，利用力矩平衡原理，對(duì)背門氣撐桿的布置進(jìn)行了詳細(xì)地分析，以某項(xiàng)目為例對(duì)背門氣撐桿進(jìn)行優(yōu)化分析，為背門氣撐桿的布置、設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。