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車用氣彈簧安裝設計分析
2016-10-17 16:24:52

 車用氣彈簧安裝設計分析
 
作者:眾泰控股集團有限公司 潘玉華 來源:AI汽車制造業
 
目前國內汽車產品開發中,對于氣彈簧應用采用逆向的方法較多。其布置方法就是參照樣車氣彈簧在車身上大致的安裝位置來布置新車,同時將原車氣彈簧樣件交給供應商依樣去開發,這種開發過程沒有依據其工作原理分析,缺乏嚴謹科學計算很難設計出最優的方案。所以必須從基本原理上尋求一種在汽車上布置氣彈簧的科學方法來實現最終設計結果的正確性。下面就以汽車后背門氣彈簧的布置安裝設計為例進行分析。

確認后背門鉸鏈轉軸中心位置

在后背門氣彈簧安裝設計之前,應當對已經完成的數據進行驗證。必須確認后背門兩個鉸鏈是否同軸;后背門在沿著鉸鏈軸轉動全過程中與車身周圍有無干涉;氣彈簧安裝空間有無充分預留。

確定后背門的總質量及質心的位置

后背門的總質量是多項由金屬和非金屬材料組成部件的質量之和。包括后背門鈑金件、后背門玻璃、后雨刮器系統、牌照燈及裝飾板、后牌照、后背門鎖及后背門內飾板等。在得知零部件密度的前提下,利用CATIA的測量慣性命令可自動計算出重量和質心坐標點。

確定氣彈簧在后背門上安裝點的位置

這里氣彈簧的安裝點理論上是指氣彈簧兩端球頭轉動中心。氣彈簧安裝時一般采用活塞在上方,活塞桿在下方。氣彈簧與門內板連接必須由裝在后背門內板上的支架過渡,用以讓開活塞外徑及運動的空間。在門內板的內側必須有加強螺母板用來安裝氣彈簧支架,后背門螺母板及支架的強度、后背門的剛度必須滿足氣彈簧最大受力狀況需求。氣彈簧在支架上的安裝位即氣彈簧的上安裝點位置,此位置距鉸鏈轉軸中心的尺寸影響氣彈簧需要的支撐力,在載荷力矩一定的條件下,該尺寸減少10%,氣彈簧的支撐力增加將超過10%,同時氣彈簧的行程也會隨之變化。設計的目標應在滿足后背門開度及背門兩側方便接近的前提下,盡量減小氣彈簧需要的支撐力,因為過大的支撐力會增加氣彈簧的制造成本以及后背門剛度要求。

確定后背門的開啟角度

根據人機工程學分析來確定后背門的開度。目前背門開到最大位置車門下邊沿的離地高度法規沒有規定。根據人站在地面上使用的方便性,一般設計開啟到最大位置時,后背門下部最低點高度應在離地面1800mm左右,以此來確定背門的開啟角度。這樣設計是基于既要考慮人的頭部不易碰到后背門下部最低點,又要照顧關門操作時手部能很容易接觸到拉手。由于車身的高度與結構不同,各車型背門開啟角度也不相同,大致與鉛垂方向夾角100°~110°之間。同時還要滿足后背門的最大開啟角度應小于鉸鏈能達到的最大開啟角度;氣彈簧運行至行程終端,具有緩沖機構,以避免構件的損壞。

計算從初始位到終止位氣彈簧的有效行程

根據裝配和運動關系,做出示意圖1。為了簡化運算,這里所做的示意圖忽略氣彈簧擺放位置在車身Y方向偏離角度。

圖1中,α角為后背門初始位至終止位的開啟角 ;A點為后背門鉸鏈轉軸中心;B點為后背門初始位氣彈簧上安裝點;C點為后背門終止位氣彈簧上安裝點;D點為后背門氣彈簧的下安裝點。

圖1 后背門安裝位置
設:AB=AC=c;BC=a;BD=x+n;CD=2x+n;∠DBC=β。

x為彈簧有效行程;n為彈簧兩端頭結構占用長度之和;

通過以下運算:
在ΔBDC中利用余弦定理得出:(2x+n)2=(x+n)2+ a2-2a(x+n)×cosβ。

上式中:α、β、a已經是已知數據,n值一般根據氣彈簧結構不同取值范圍在90~120mm之間。代入各數據,求出一元二次方程的有用根就是我們所求的氣彈簧的有效行程。

當鉸鏈轉軸中心、上安裝點和下安裝點位于一條直線上時,氣彈簧的力臂為零,對后背門轉動不做貢獻。此位置稱作氣彈簧工作死點。實際操作時,B點應該修正到A、D連線偏左1~2mm的位置,這會使得B點在后背門完全閉合之前成為氣彈簧死點位置,從而提高后背門閉合的安全性。

確定氣彈簧的下安裝點位置

由圖1知,x+n就是初始狀態上安裝點至下安裝點的距離。在門框上找到此點位置,并對型面做適當調整。

用數學模型計算氣彈簧的最小支撐力

如圖2所示:A、B、C、D分別為鉸鏈轉軸中心、氣彈簧閉合狀態上安裝點、氣彈簧開啟狀態上安裝點、氣彈簧下安裝點(門框固定點);L1質量力臂;L2為氣彈簧支撐力力臂;設后背門質心為E點,質量為G;氣彈簧的支撐力為F。

圖2 后背門受力分析
以鉸鏈軸中心線為旋轉中心,根據力矩平衡原理,當氣彈簧為兩只時可得如下表達式:

GL1=2FL2 ,F=GL1/2L2

計算得到的F值一般情況下,實際選用的公稱支撐力要增加15%~20%為合適。

后背門的最小關閉力和最小開啟力

圖2中;設后背門總質量為 G , G 的力臂為L1;氣彈簧支撐力為 F ;F的力臂為L2;施加的外力為 Fw;Fw的力臂Lw。

后背門從完全關閉到開啟到最大,大致分為4個不同的過程。開啟過程中,力臂是變化的,所以力矩也是變化的。最初位置施加的外力為開啟力;最終位置施加的外力為關閉力;開啟力和關閉力在可接受范圍內,布置設計合理。

以下以鉸鏈軸中心線為旋轉中心,分析后背門運動過程受力狀況。

過程1:初始狀態后背門的重力力矩和氣彈簧支撐力力矩同向,開啟時需提供外力才能將后背門打開,狀態0-1,此過程開啟力:

Fw =(GL1+ FL2)/ Lw,

最小開啟力大于Fw,背門才能順利打開。

過程2:后背門運動到通過氣彈簧工作死點后,后背門的重力力矩和氣彈簧支撐力力矩反向,開啟時需提供外力,狀態1-2,此過程開啟力:

Fw =(G L1- F L2)/ Lw 。

過程3:后背門的重力力矩等于氣彈簧支撐力力矩,此時后背門處于平衡區域,如果不提供外力后背門可處于靜止狀態。狀態2-3,此過程開啟力:

Fw=(G L1- F L2)/ Lw,

當 GL1= F L2時, Fw =0。

過程4:后背門重力力矩小于氣彈簧支撐力力矩,后背門會自行打開,直至達到后背門完全開啟。

狀態3-4,此過程開啟力為負數。

Fw =(G L1- F L2)/ Lw,

當后背門處于最大開度時關閉背門所需最小的外力:

Fw =(F L2 -G L1)/ Lw,

必須施加大于上式中Fw的力,背門才能關閉。

當運動到Fw =0之后,背門會自動關閉。關閉后背門的全過程受力狀況與開啟時的過程正好相反,這里不再重述。

氣彈簧基本參數

我們經過以上理論的計算分析,將氣彈簧的基本參數確定之后,就得到了理想的設計方案。將基本參數提交給氣彈簧供應商開發。

氣彈簧基本參數:等級 A級;氣缸外徑:22mm(可選);活塞桿外徑:10 mm(可選);有效行程:x mm;氣彈簧總長 (2x+n)mm;氣彈簧公稱力:

氣彈簧基本參數、規格表達一般采用以下格式(見圖3、圖4):

圖3 氣彈簧規格、參數表達

圖4 氣彈簧
建立氣彈簧 三維數模及安裝連接方式設計

依據氣彈簧已有的基本參數及所選氣彈簧規格形式建立氣彈簧3D數模,表達內容應包括氣彈簧外型尺寸、運動行程關系和兩端結構形式、球頭運動關系、螺栓等。氣彈簧兩端連接形式各有不同,設計時根據安裝部位情況及所選供應商產品規格具體匹配其連接方式。有采用兩端都用安裝支架的,也有一端直接固定在車身上的。不管哪種方式,設計時必須驗證在后背門運動的全過程中,氣彈簧的球頭必須轉動自如,不得有干涉卡死的現象。如果發生這樣情況,令氣彈簧球頭中心位置不變,調整氣彈簧螺栓安裝面角度來適應運動的需要。

確定方案對后背門開閉做全程運動分析

由于后背門內板和車身后門框結構設計時預留的氣彈簧間隙,是在氣彈簧安裝設計之前。完成氣彈簧安裝3D數模設計之后,必須驗證在后背門開啟的全過程中氣彈簧周圍與車身有無干涉,要求最小距離大于2mm;如不滿足要求,可考慮局部調整后門框鈑金結構,再不滿足,就應調整安裝點位置,適應已有空間。

后背門氣彈簧安裝CAE分析

用CAE軟件分析在開啟及關閉全過程中后背門及門框安裝點附近的應力情況,若接近或超過屈服極限,就應加強安裝點周圍的強度和剛度。用增加螺母加強版的強度和接觸面達到改善車門局部強度和剛度的效果。CAE分析若仍不滿足,只有減少氣彈簧的公稱力,但系統設計又需要重新布置。

結語

車用氣彈簧安裝設計是一個涉及多個因素的系統工程,既要有理論分析計算,又要依據鈑金結構的實際狀態,如何做到盡量完美,對于設計師是個挑戰。 (end)

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