汽车气弹簧设计指导
气弹簧使用指引
气弹簧使用指南一、气弹簧综述气弹簧(gas spring)是一种可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的弹性元件。
气弹簧的基本原理是在密闭的缸体内充入具有一定压力的氮气和油、或油气混合物，进而利用作用在活塞杆或活塞截面上的压力使气弹簧产生推力或拉力，气弹簧和机械弹簧的最大区别在于：前者的力－位移曲线斜率很小，在整个运动行程中力值基本保持不变，后者的力－位移曲线斜率很大。
根据气弹簧的结构和功能，气弹簧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。
※自由型气弹簧（压缩气弹簧）只有伸展（无外力作用下，长度最长）和压缩（外力大于气弹簧的推力，长度最短）两种状态，在行程中无法自行停止，主要起支撑作用，该类气弹簧有恒阻尼和变阻尼两种结构。
在汽车、工程机械、纺织机械、印刷机械、办公家具等行业得到广泛应用。
※自锁型气弹簧（升降可锁定气弹簧、角调可锁定气弹簧）通过其内部的阀门可以将气弹簧锁定在行程的任意位置，根据内部结构的不同，该类气弹簧有弹性锁定、压缩刚性锁定、拉伸刚性锁定、压缩拉伸双向刚性锁定等类型。
自锁型气弹簧同时具备支撑、高度和角度调节的功能，而且操作方便灵活，结构简单。
因而在医疗设备、家具、汽车等行业得到广泛应用。
※随意停气弹簧（平衡气弹簧）通过其内部特殊的平衡阀机构，加上合理的外界负载设计，可以使气弹簧停在行程中的任意位置，但没有额外的锁紧力，它的特点介于自由型气弹簧和自锁型气弹簧之间。
主要应用在厨房家具、医疗器械、电子产品等行业。
※牵引气弹簧（拉伸气弹簧）是一种特殊的气弹簧:别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。
牵引气弹簧中也有相应的自由型、自锁型等产品。
※阻尼器通过活塞上的阻尼结构可使阻尼力随着运动速度而改变，可以明显的对相连的机构的速度起阻尼作用，该类产品有多种结构以适合不同的用途。
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；★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；22222221222222212222122OA 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 αααααα≈-=-=+-⨯=+------+-=∆--+=︒-==+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），22l 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%。
空气弹簧设计手册
目录注意：本文件中的资料只提供相关产品特性和用途的一般指南。
其中的材料是通过设计开发、试验和应用而得到，相信是可靠和准确的。
但是，Firestone 并没有明确或暗示地对这些资料做出保证。
任何人使用此文件中的资料及其后果完全应由使用者本人负责。
对于具体应用，建议寻求称职专业人员的帮助。
1 优势 32 术语–空气弹簧和悬架 53 空气弹簧型式74 如何使用产品数据单125 应用考虑因素186 基本原理（公式推导）207 计算举例：空气弹簧和悬架27 8 计算举例：使用个人计算机34 9 保修考虑因素35发展历史在30年代早期，Firestone轮胎和橡胶制品公司就开始试验开发应用空气弹簧的潜力。
从1935到1939，几家美国汽车制造商在其汽车上安装了空气弹簧，并进行了大量试验以证明汽车空气悬架系统的潜力。
但从未投入生产，因为钢板弹簧有了很大改进，乘坐性能得到显著改进，而其成本却比当时的空气弹簧系统要低得多。
在1938年，美国最大的客车厂家有兴趣在其新设计开发的客车上采用空气弹簧。
他们与Firestone的工程师们合作，使第一辆安装空气悬架系统的客车在1944年进行了试验，空气悬架的优异性能清楚地记录在试验文件中。
在50年代早期，经过几年产品开发之后，配备空气弹簧的客车终于投入生产。
这也就是Airide®空气弹簧的成功发展历史。
空气弹簧在客车中的成功应用引起了卡车、挂车及工业减振隔振应用的新兴趣。
今天，在道路上行驶的几乎所有客车、8级以上卡车、和许多挂车都已安装的空气弹簧，同时，控制系统设计的巨大进步也进一步开启了汽车应用的大门。
优势空气弹簧使车队占据竞争优势的前沿现代卡车行业的效率比过去任何时候都要高得多。
在很多情况下，效率成了是否能生存的决定性因素。
所以越来越多的车队指定其新卡车和挂车要配备空气悬架。
文件记载的许多事实都证明，安装了空气悬架的卡车和挂车比钢板弹簧的卡车的挂车发生“磨损和裂纹”故障的情况要少得多。
气弹簧设计指南02-外饰-20060901
气弹簧设计指南——乘研院内外饰部编制：审核：批准：目录1、简要说明................................................................................................. - 3 -1.1基本的原理......................................................................................... - 3 -1.2气弹簧和一般机械弹簧的最大区别................................................. - 3 -1.3其主要零部件及名字......................................................................... - 3 -1.4零部件材料及工艺............................................................................. - 4 -1.5机构原理............................................................................................. - 4 -1.6安装方式............................................................................................. - 5 -2、设计构想................................................................................................. - 6 -2.1气弹簧布置......................................................................................... - 6 -2.1.1位置定义.......................................................................................... - 6 -2.1.2长度定义.......................................................................................... - 8 -2.1.3举力定义.......................................................................................... - 9 -2.2气弹簧校核....................................................................................... - 13 -2.2.1 机盖打开角度校核....................................................................... - 13 -2.2.2 气弹簧与边界间隙....................................................................... - 16 -2.2.3 气弹簧长度校核........................................................................... - 16 -2.2.4 举力校核....................................................................................... - 16 -2.2.4 运动校核....................................................................................... - 17 -3、技术要求............................................................................................... - 17 -3.1基本要求........................................................................................... - 17 -3.2主要性能试验................................................................................... - 18 -1.简要说明1.1基本的原理在密闭的缸筒内充入和外界大气压有一定压差的惰性气体或者油气混合物，进而利用作用在活塞上的压力差完成气弹簧的自由运动。
空气弹簧悬挂的设计与计算
空气弹簧悬挂的设计与计算空气弹簧悬挂是一种基于空气弹簧原理设计的悬挂系统，广泛应用于汽车、摩托车、铁路车辆以及工程机械等领域。
它通过利用空气的弹性特性来提供车辆的悬挂支撑和减震功能，有效改善了行驶中的舒适性和稳定性。
设计空气弹簧悬挂系统首先需要考虑的是悬挂系统的工作原理和结构。
一般来说，空气弹簧悬挂系统由气囊、气泵、阀门和控制系统组成。
气囊是承受车辆荷载的主要部件，它通过充气和放气控制来实现悬挂高度的调整。
气泵负责提供气囊所需的气压，而阀门用于控制气压的流动。
控制系统则根据车辆的状态和行驶条件，通过调节气泵和阀门的工作来达到理想的悬挂效果。
在设计空气弹簧悬挂系统时，需要根据车辆的负荷、行驶速度和路况等因素进行综合考虑。
首先，需要确定车辆的总负荷，包括车辆自身重量以及乘客和货物的重量。
根据负荷的大小，可以选择合适的气囊尺寸和气囊数量，以确保悬挂系统能够有效支撑车辆的重量。
需要考虑车辆的行驶速度。
当车辆以较高速度行驶时，悬挂系统需要具备较高的刚度和减震性能，以保证车辆的稳定性和安全性。
因此，在设计空气弹簧悬挂系统时，需要选择合适的气囊和阀门，以实现悬挂刚度的调节和减震效果的优化。
还需要考虑车辆行驶过程中的路况变化。
不同的路况对悬挂系统的要求也不同。
例如，在起伏不平的路面上，悬挂系统需要具备较高的柔软性，以吸收和减缓道路表面不平度对车辆的冲击。
而在平整的高速公路上，悬挂系统则需要具备较高的刚度，以保证车辆的稳定性和操控性。
在计算空气弹簧悬挂系统的设计参数时，可以利用数学模型和仿真软件进行辅助。
数学模型可以通过建立悬挂系统的动力学方程，考虑车辆的质量、弹簧刚度和减震器等参数，来分析和预测悬挂系统的工作性能。
仿真软件则可以通过模拟车辆在不同行驶条件下的悬挂系统工作情况，来评估设计方案的可行性和优劣性。
在实际应用中，空气弹簧悬挂系统还可以与其他悬挂系统相结合，以进一步提高车辆的悬挂性能。
例如，可以将空气弹簧悬挂系统与液压悬挂系统相结合，以实现悬挂刚度和减震效果的双重调节。
气弹簧选型设计说明书
DH120-95-气弹簧选型设计说明书
一、气弹簧
1.1气弹簧的类型
1.2所选用的气弹簧类型
1.3气弹簧的使用注意事项
二、气弹簧的安装方式
根据DZ20-95部电气箱门的打开方式与上图中的第一种方式相符合，所以最终选定上图第一种安装方式。
2.1确定气弹簧的安装位置
A.初步方案通过样例，按照比例缩放图使门子高度和样例高度一致，测量得出OA，OB初始值，后面再根据实际进行调整。
初定方案中我们选择气弹簧安装位置OA=105.35mm，
OB=303.51mm，经测试气弹簧的最长行程为300mm，最短行程为192.98mm，根据公式：气弹簧行程*2+80+10≤300，带入数据的（300-192.98）*2+80+10=304.04，说明所选位置不能满足使用要求。
B.最终方案
在本方案中我们选择气弹簧安装位置OA=118.68mm，
OB=313.76mm，经测试气弹簧的最长行程为300mm，最短行程为195.08mm，根据公式：气弹簧行程*2+80+10≤300，带入数据的（300-195.08）*2+80+10=299.84，说明所选位置能满足使用要求。
三、气弹簧承受力值校核
3.1、校核方式
3.2、最终方案校核
根据实际测量得到电气箱门的总质量为6.45kg,根据公式
F1=GLbn×K=64.5×206118.31×2×1.1=61.76866N<200N 实际使用中气弹簧所承受的力满足使用条件，最终选定此方案。
空气弹簧设计手册
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但是，Firestone 并没有明确或暗示地对这些资料做出保证。
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1 优势 32 术语–空气弹簧和悬架 53 空气弹簧型式74 如何使用产品数据单125 应用考虑因素186 基本原理（公式推导）207 计算举例：空气弹簧和悬架27 8 计算举例：使用个人计算机34 9 保修考虑因素35发展历史在30年代早期，Firestone轮胎和橡胶制品公司就开始试验开发应用空气弹簧的潜力。
从1935到1939，几家美国汽车制造商在其汽车上安装了空气弹簧，并进行了大量试验以证明汽车空气悬架系统的潜力。
但从未投入生产，因为钢板弹簧有了很大改进，乘坐性能得到显著改进，而其成本却比当时的空气弹簧系统要低得多。
在1938年，美国最大的客车厂家有兴趣在其新设计开发的客车上采用空气弹簧。
他们与Firestone的工程师们合作，使第一辆安装空气悬架系统的客车在1944年进行了试验，空气悬架的优异性能清楚地记录在试验文件中。
在50年代早期，经过几年产品开发之后，配备空气弹簧的客车终于投入生产。
这也就是Airide®空气弹簧的成功发展历史。
空气弹簧在客车中的成功应用引起了卡车、挂车及工业减振隔振应用的新兴趣。
今天，在道路上行驶的几乎所有客车、8级以上卡车、和许多挂车都已安装的空气弹簧，同时，控制系统设计的巨大进步也进一步开启了汽车应用的大门。
优势空气弹簧使车队占据竞争优势的前沿现代卡车行业的效率比过去任何时候都要高得多。
在很多情况下，效率成了是否能生存的决定性因素。
所以越来越多的车队指定其新卡车和挂车要配备空气悬架。
文件记载的许多事实都证明，安装了空气悬架的卡车和挂车比钢板弹簧的卡车的挂车发生“磨损和裂纹”故障的情况要少得多。
气弹簧设计计算
气弹簧设计计算
气弹簧设计计算涉及以下几个方面:
1. 动力计算: 计算所需的气压以提供所需的力量。
可以使用以下公式计算:
F = P * A
其中，F是所需力量，P是气压，A是活塞面积。
2. 刚度计算: 计算气弹簧的刚度以了解其弹性特性。
可以使用以下公式计算:
K = F / delta_x
其中，K是刚度，F是施加在弹簧上的力量，delta_x是弹簧的变形量。
3. 最大压缩和最大拉伸距离: 确定气弹簧的最大可压缩和最大可伸展距离，以确保设计符合应用需求。
4. 气体容积计算: 确定所需的气体容积以适应气弹簧的设计。
这可以通过考虑活塞行程和气压来计算。
以上只是作为计算的一般指导，实际气弹簧设计计算可能涉及更多具体的参数和条件，具体计算方法应根据设计要求和实际情况进行确定。
因此，在进行气弹簧设计计算时，最好参考相应的设计手册、标准或咨询专业工程师以获得更准确的结果。
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有：S21 S22 旋转支撑的有：S11 S12 A11 A18 B11。支撑方式的布置是由后备门 铰链轴所处的位置来决定的。 1.6.3 尼龙球头可根据与气弹簧联接的两个钣金平面进行设计：分为普通直式和斜倾式 （下图），当球窝转动角度小于 20°时，选用直球窝；当球窝转动角度大于等于 20° 小于 35°时，选用斜球窝；当球窝转动角度大于等于 35°时，选用支架。一般尽 量不用支架，支架容易出现晃动，定位麻烦，且增加价格。
死点线
1 旋转支撑
-4-
2.1.2 长度定义 根据定义的安装位置和机盖打开角度（机盖打开角度由总布置定义），即可确认气弹簧
的最大长度和最小长度，气弹簧长度应满足如下公式： 气弹簧最小长度-（气弹簧最大长度-气弹簧最小长度）>90mm
（该数值的定义主要考虑活塞的尺寸及预留出油气混合物的空间，不同的气弹簧供应商 要求可能会有所区别，在设计的时候需要跟供应商确认该数据。）
-2-
1.6.4 气弹簧分：普通式、变阻尼、助力气弹簧。当机盖的运动角度大于等于 90 时，需要 用四连杆机构与车身连接，气弹簧应为变阻尼式。变阻尼气弹簧的缸筒上有一个半 径变化的过油槽，缸筒为非圆筒状，以此实现变阻尼运动。该气弹簧的价格较高， 比普通状态高 8-9 元。阻力气弹簧是在钢筒内加一弹簧，在气弹簧起作用前，人手 可以用较小的力打开机盖，机盖关闭时，由于惯性，不影响关闭机盖。
气弹簧长 度变化量 60.0
气弹簧最 大长度 205.0
推荐力值
500 600
205.5
700
800
80.0
245.0
500
245.5
600
700
800
100.0
285.0
500
600
285.5
700
800
120.0
325.0
500
600
325.5
700
800
气弹簧长度 变化量 140.0
气弹簧最大 长度 365.0
汽车气弹簧设计指导
1. 简要说明
1.1 基本的原理
在密闭的缸筒内充入和外界大气压有一定压差的惰性气体或者油气混合物，进而利用
作用在活塞上的压力差完成气弹簧的自由运动。
该件为标准件，可以从产品系列目录中查询缸筒、活塞杆等匹配参数。
1.2 气弹簧和一般机械弹簧的最大区别：
一般性的机械弹簧，其弹簧弹力随着弹簧的运动有着非常大的变化，而气弹簧在整个运
推荐力值
400 500
600
365.5
700
800
160.0
405.0
100
150
200
250
300 350
400
500
600
的车必须渗氮处理，以满足其环保要求〉
精轧钢管 20
喷漆处理
Q235NBR（丁晴橡胶）7 Nhomakorabea活塞
Q235
8
球头
PA66+30%GF
1.5 机构原理
1.5.1 同样尺寸的气弹簧可以根据缸筒内部存储的气体压力大小来调整举力的大小。
1.5.2 气弹簧举升速度的大小可以根据活塞上的过油孔的大小来调整，一般分为￠0.3mm￠
阻尼油型号 HS32，凝固点-50℃；密封圈材料丁晴橡胶的低温脆性温度由原来的
-40℃改为-50℃。
1.5.4 如有支架，建议料厚为 3mm，可以根据力的大小对支架进行工艺处理如：冲压出凹 槽来增加强度。
1.6 安装方式 1.6.1 气弹簧整车布置位置分为：前机盖支撑和后备门支撑两种。前机盖支撑有 B11、T11
盖处于水平位置前：L1、L2 的值逐渐增大，G 值始终保持不变，F 值逐渐减小；此后，L1、 L2 的值逐渐减小，G 值始终保持不变，F 值继续减小。其中有一点 F*L2=G*L1*a，此后 F*L2 ＞G*L1*a，气弹簧自动将机盖打开。 2） 根据经验，F*L2=G*L1*a 时，机盖把手离地面的高度应为 0.85m～1.15m，初步定义为 1m，此位置时 G*L1、L2 已知，根据公式 F*L2=G*L1*a 即可算出气弹簧举力 F 和该状态的机 盖打开角度α。 3） 下图为对于长度及力值选取的经验值，（根据经验：长度尽量＜600mm，举力尽量＜600N） 供参考：
2．设计构想
2.1 气弹簧布置 2.1.1 位置定义
根据参考车型或者近似车型初步安排安装点，根据经验,机盖上安装点与铰链轴之间的 距离不宜小于 200mm，否则直接影响铰链的强度和寿命，同时要满足气弹簧生产条件。
布置设计时尽量保证在车门关闭状态下气弹簧缸筒在上方，活塞杆在下方，因为机盖 处于关闭状态的时间长，缸筒在上活塞杆在下，使阻尼油对缸筒内气体有很好的密封作用， 从而延长气弹簧寿命。（我公司 S11 和 A11、B11 没有按照此种结构设计）
气弹簧的长度须根据机盖开启及关闭布置图确定，但是必须保证以下生产尺寸。
-5-
2.1.3 举力定义 1）机盖运动过程中的力学变化
F
20000
15000
10000
5000
0
度
10
30
50
开
尾门 气体减振器
-6-
如上图： 机盖开启过程中，初始状态 F*L2＜G*L1*a(安全系数 a=1.1)，需要人给机盖作用力，机
动行程中力值变化相对较小。
1.3 其主要零部件及名字(如图所示)。
弹簧卡片
活塞杆
缸筒
支架
球头销
球头
1.4 零部件材料及工艺
序号 1
零件名 球头销
2
弹簧卡片
3
活塞杆
4
缸筒
5
导向环
6
密封件
常见材料
外观要求/表面处理
45#
渗氮、镀锌、达克罗（耐腐蚀强）处理
65Mn
镀铬（银色）或渗氮（黑色）〈出口欧洲 35#
0.5mm￠0.6mm 等，过油孔越大，举升速度越快，造成的冲击越大，比如：举升速
度过大可采用￠0.3mm。（阻尼油在气弹簧运动到阻尼区时才通过过油孔，此前只有
气体流过，该特性由油的运动特性：高压区 低压区 决定）。
1.5.3 阻尼油、举力、密封圈材料影响气弹簧低温性能，例如：出口俄罗斯的气弹簧所用
变阻尼气弹簧必须采用上述布置方式，尽量减小气体泄漏。（参看下图）
-3-
机盖关闭时尽量经过死点线，如果不能经过死点线，关门状态与死点线之间的角度要少 于 10 度，此时气弹簧的力矩 F*L2 为负或很小，门锁承受的力矩较小，延长寿命，且减小 行车噪音。（死点线：铰链点和气弹簧两安装点的连线）
侧围支撑点 备门支撑点