两厢车背门气弹簧布置

背门受力分析

1.气弹簧一般工作原理

★气弹簧不受外力时，自然伸长为最小行程（指压缩行程）处，即最大伸长处；★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；★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。

★外力压缩气弹簧，由于撑杆在气室体积增大，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；

★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；

★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.背门XZ平面静止状态分析

2.1气弹簧XZ平面安装尺寸分析

模型简化：

★边OA、AB在同一方向，两边相加等于OB；下图中：

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；

2

2

2

2

22212222

22212

2

2

2122

OA OB AB AC OC OA 2OC OA cos ()2()cos 2(1cos )2(1cos )0()0(0<<180)

2(1cos )2r l l r r l r r l r l r l l l l r l r l r αα

αααα≈-=-=+-?=+------+-=?--+=?-=

=+

从上述推导过程中可以看出：

★当α=0o时，?式即l 22=l 12，此时门无法打开。

★当l 1，l 2一定时，要满足开启的角度α（0<α<180o）越大，r 值就应该越小； 要满足α=90o（BF 两厢），

2

2l r =+

假设l 1=1.5l 2（一般是1.5倍左右，Fiat1.44，307-1.68，C4-1.43），

r =1.44 l 2

当r =1.44l 2时，方能使α满足90o开启要求。

★按照此公式计算r 值，与实际安装尺寸的误差：Fiat 为7.7%，307为3.6%，C4为4.0%。

2.2背门XZ平面工况要求

下图中：

W——门的重力；

E——门的重心，设OE长度=k；

状态1——背门下平衡点；

状态2——背门上平衡点；

状态3——背门处于水平位置（重心E与O的连线OE水平）；

状态4——背门完全开启；

状态0-1——背门重力力矩大于气弹簧支撑力力矩，开启时需提供外力才能将门打开。

状态1-2——背门重力力矩等于气弹簧支撑力力矩，此时背门处于平衡区域，无须提供外力背门即可处于静止状态。

状态2-4——背门重力力矩小于气弹簧支撑力力矩，背门会自行打开，直至达到气弹簧最小行程处（背门完全开启），状态3时重力力矩最大。

2.3气弹簧XZ平面支撑力分析

2.3.1气弹簧的最大支撑力

下图中：

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

在△OAC中，

2

2

2

21222

211

2arccos

2,,()arccos

2()OA AC OC

OA AC

OA r l AC l OC r r l l r l r l γγ+-=?=-==-+-=-其中

对O 点取力矩

22sin(180)

sin()d OAsin ()sin sin()()sin F d W k W k F d

r l W k F r l φαβφαβγγ

φαβγ?=???--+??+-=

==-??+-=

-而

当Φ+α-β=90o，即α=90o+β-Φ时，力F 最大，此时背门处于水平位置（重心E 与O 的连线OE 水平）。

2()sin W k

F r l γ?=

-

由此可见，气弹簧的支撑力必须大于F 方能支撑住门，使门向上打开不致于引起下坠。

★一般气弹簧的最大支撑力比理论计算值F 要大10-20%以上。

2.3.2背门的平衡条件

注：上表各状态均为无外力时分析，F

为最大静摩擦力，

s

★状态2时背门开启的角度为α2：

当背门开启角α>α2时，背门会自行开启，直至达到气弹簧最小行程处（状态4，背门完全开启）；

当背门开启角α=α2时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F等于，总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供，大小为最大静摩擦力，方重力的力矩M

W

向同总支撑力方向相反；

当背门开启角α2>α>αb时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F ，总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供，大小由最大静摩擦力等于重力的力矩M

W

~0（α2 ~αb），方向同总支撑力方向相反。

★状态b时背门开启的角度为αb：

当背门开启角α=αb时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F等于，总支撑力完全由压力差产生的支撑力提供，无摩擦力。

重力的力矩M

W

★状态1时背门开启的角度为α1：

当背门开启角α1<α<αb时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F ，总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供，大小由0~最大静摩等于重力的力矩M

W

擦力（αb~α1），方向同总支撑力方向。

当背门开启角α=α1时，背门能处于静止状态，此时总支撑力的力矩M F等于重力的力矩M

W

，总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供，大小为最大静摩擦力，方向同总支撑力方向；

当背门开启角α<α1时，背门会自行关闭，直至达到气弹簧最大行程处（状态0，背门完全关闭）；

2.3.3气温对气弹簧支撑力的影响

查尔斯定律：P i/ T i = P f / T f

T为开尔文温度，20oC=293K，-40oC=233K，80oC=353K；

★根据公式计算：在其他条件相同的情况下，-40oC时气弹簧的支撑力是20oC 时的79.5%，80oC气弹簧的支撑力是20oC时的1.2倍。

2.3.4背门开启力和关闭力的分析

上图中，F

o ，F

c

分别为开启力和关闭力。

背门开启：W·k

o - F

o

·L – F

po

·d

o

=0

k

o

=ksinΦ；

d

o

= l2sinβ；

背门关闭：W·k

c + F

c

·L

c

– F

pc

·d

c

=0

k

c

=k·cos(Φ+α-90o)；

d

c

=(r- l2)sinγ；

L

c

=L·cos(Φ+α-β-90o)；

★背门的重力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；★一般情况下，背门在50磅（22.68千克）以上时，开启力和关闭力在12-15磅（约合53.33-66.67N）左右，15-18磅（约合66.67-80N）也可接受，超过18磅的话对操作的人就有点困难了。

3.气弹簧空间布置几何关系