气弹簧撑杆的安装研究

气弹簧撑杆的安装研究 文广南 (广州骏威客车有限公司 , 广东 广州 　510430) 摘 　要 :运用“两圆法”对气弹簧撑杆的安装进行研究 ,并应用于客车舱门的安装设计。实践证明 ,这 是一种简单、有效的安装设计方法。 关键词 :气弹簧撑杆 ;安装设计 ;两圆法 ;客车舱门 Abstract :The air sp ring support is studied with tw o ci rcles method , and the method is applied to the design practice of the coach compartment doors in this paper. It is proved that this is a simple and effective way1 Key words :Air spring support ; Installation design ; Two circles method ; Coach compartment door 中图分类号 :U463183 　　　　文献标识码 :B 　　　　文章编号 :100623331 (2005) 0420020202 　 　　深圳公交集团公司一向是我公司的大用户。该 用户有一个特点 ,就是喜欢在所购买的车辆的舱门 (如电池舱门、水箱舱门、前侧围检修舱门、后侧围检 修舱门等)使用气弹簧作支撑。由于笔者是负责侧 围舱门设计的 ,所以市场需求促进了本人对气弹簧 的安装研究 ,并将研究心得应用于气弹簧的安装设 计。 1 　气弹簧的特点 气弹簧是一根举力 (本文用 F 示) 近似不变 的伸缩杆 ,在汽车、飞机、医疗器械、宇航器材、纺织 机械等领域都有广泛的应用。它的内部构造是一条 可在密闭筒腔内作直线运动的活塞杆。密闭筒腔内 充满由高压气体和可溶解部分高压气体的液体所构 成的液2气两相混合体。气弹簧的举力由高压气体 推动活塞杆产生。推动力决定于高压气体的压强。 高压气体在液体中的溶解量随气体压缩增加 (此过 程对应气弹簧工作于压缩阶段) 、随气体膨胀而减少 (此过程对应气弹簧工作于伸长阶段) ,使得密闭筒 腔内的高压气体的密度始终维持一个近似恒值 ,也 就是气压近似不变 (即举力近似不变) 。 2 　气弹簧的安装研究 表面上看 ,将气弹簧安装到客车舱门上非常简 单 ,实际上安装设计所要解决的问远非所想象的 简单。气弹簧在舱门上的一般安装状态如图 1 所 示。从此图可知 ,已知安装信息只有门体 (几何形 状、质量、重心、等) 、铰链和开度α要求 ,未知安 装信息却多达 6 个 ( X1、X2、Y1、Y2、Z、F) 。而由数 学理论知道 ,要解出 6 个未知数 ,必须要解出由这 6 个未知数构成的 6 个方程式组成的方程组。由此可 见 ,要求设计人员从纯理论形态入手解决气弹簧的 安装几乎是不可能的。因此 ,从工程角度切入 ,深挖 安装信息 ,简化未知数 ,是解决气弹簧安装设计问题 的关键所在。 图 1 　气弹簧安装状态示意图 211 　力学分析 门体、铰链 (门体作开关运动的中心) 和气弹簧 构成一个杠杆系统。由于气弹簧对铰心的力臂远小 于门重对铰心的力臂 ,所以这是一个费力杠杆系统。 即是说 ,气弹簧举力必须远大于门重才可以将门体 支撑起来。这是一个很重要的隐蔽条件。有了这个 条件 ,才可以初选多大举力的气弹簧。 气弹簧的举力可以确定为门重的 3 倍左右。当 然也可以确定为门重的 2 倍、4 倍、5 倍、6 倍左右。 对同一个门体来说 ,相对于气弹簧举力取 3 倍门重 , 当气弹簧举力取 2 倍门重时 ,气弹簧力臂要增大 ,工 作行程要增大 ,总长度要增加 ,安装空间增大 ;反之 , 当气弹簧举力取 4 倍以上门重时 ,气弹簧力臂要减 小 ,工作行程要减小 ,总长度要减小 ,安装空间减小。 这可根据实际安装空间选取气弹簧举力。笔者在实 际设计中常用 3 倍数。 212 　确定气弹簧的上下安装点 气弹簧的总长度、工作行程是在确定上下安装 ·02· 第 4 期 　2005 年 客 车 技 术 与 研 究 ·设计 ·计算 ·研究 · © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 点过程中确定的。确定气弹簧上下安装点是整个气 弹簧安装设计的最难点。下面以单轴铰链门体为例 来说明“两圆法”在进行气弹簧安装设计的应用。安 装示意图及有关参数如图 2 所示。下面的计算是以 门体为规则、匀质的理想模型 (重心 = 几何中心) 为 基础进行的。 图 2 　气弹簧安装示意图 门体在开门过程中对铰心 O 的力矩不断变化 (小 →大 →小) ,有两个峰值 ,一个是最大值 ,位于门 体处于水平位置 (α= 90°)时 ;一个是固定值 ,位于门 体处于开尽位置 (α= 最大值) 时。根据物理学杠杆 平衡原理可知 ,门体要在气弹簧的作用下自动打开 和开尽以后长时间不掉下来 ,气弹簧在门体处于这 两个特殊位置时对铰心 O 的瞬时力矩必须大于等 于门体在这两个特殊位置时门重对铰心 O 的瞬时 力矩。由此可以确定气弹簧所需的最大力臂 ( R) 、 最小力臂 (r)分别为 (列式、计算过程略) : 最大力臂 R = G·( H/ 2 - h)2F ≈ G·H 4F , (当 H µ h 时) 最小力臂 r = G·( H/ 2 - h) ·cos (α- 90°)2F ≈ G·H ·cos (α- 90°) 4F , (当 H µ h 时) 式中 　G为门重 ,N ; F 为气弹簧举力 ,N ; H 为门高 , mm ;h 为门顶到铰心的垂距 , mm ;α为门体最大开 度 ,°;2 为每个门使用两支气弹簧作支撑。 以铰心 O 为圆心 ,以最大力臂 R、最小力臂 r 为 半径分别作大小两个圆。作小圆的一条切线的延长 线交大圆于 A 点 ,则 A 点为气弹簧的上安装点。气 弹簧的下安装点 B 则必然在此切线下方的某一点 上。AB 两点的距离 L 为气弹簧的总长度。需要说 明的是 :A 点必须落在门体内侧并离门面板竖直距 离 20 mm 以上 (因为气弹簧的上安装点占一定的空 间位置) ,否则若在门外 ,从理论上说虽然无错 ,但实 际上没有谁把气弹簧的上安装点布置到门外的。由 于满足 A 点落在门体内侧的小圆切线有任意多条 , 所以气弹簧的布置也有多种倾角的安装形式 ,但它 们在力学上是完全等效的。至此 ,只要找到确定气 弹簧总长度的公式 ,就可以确定气弹簧的下安装点 B 了。根据厂家推荐 ,气弹簧总长度 (最短尺寸) = 行程 ×2 + 100 (气弹簧两端连接头及工艺必须最短 长度 ,单位 : mm) 。当门体开度α大于等于 135°时 , 行程可以取为最大力臂 R 的两倍 ,则上式可以写 成 :气弹簧总长度 (最短尺寸) = 4R + 100。当然 ,此 公式求出的总长度只是气弹簧的最短尺寸 ,气弹簧 的总长度取大于这个最短尺寸的数值也是可以的 (只要使气弹簧的下安装点不超出有效安装范围就 行) 。综上所述 ,由于气弹簧的长度和安装倾角有无 穷多值 ,所以它的安装位置不是唯一的 (唯一解) ,而 是一个范围 (无穷多解) 。正因为如此 ,气弹簧的一 个正确安装位置很容易被两三次的试验找到 ,但那 是盲目的 ,耗费时间和精力。有了“两圆法”,完全可 用理论计算代替实际试验 ,省时、省力 ,根据实际安 装空间选取一个最好方案 ,其最大优点是“结果可 靠”。 213 　设计应用 在实际设计中 ,由于门体是非匀质的理想物体 , 所以理论公式必须作适当的修正。即“两圆”分别取 大些 ,一般为理论值的 111～113 倍 ,并对机构的运 动轨迹进行校核。 校核的作用是 : (1)验证安装空间是否满足气弹 簧的运动要求 ; (2)验证门体处于关闭位置时 ,气弹簧 对铰心的力矩是否向门体内侧 (即气弹簧是否自锁。 此点非常重要 ,它牵涉到气弹簧安全运行问题) 。 3 　结束语 从初定气弹簧举力到确定气弹簧安装点不是一 次就能解决问题的 ,它对初学者而言 ,往往需要经过 多次循环才能得到满意结果。经过多次实践验证并 熟练以后 ,一般能很快确定新门设计时的安装参数。 “两圆法”的最大优点在于安装设计出来的气弹簧 , 开门力、关门力、自锁力适中 ,避免了某一种力不足 或过大问题。 修改稿日期 :2004210229 ·12· ·设计 ·计算 ·研究 · 　 客 车 技 术 与 研 究 　　 2005 年 　第 4 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.