阻尼式气弹簧及其在散热器面罩中的布置设计

姜 帆，王 博，刘天罡

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

阻尼式气弹簧及其在散热器面罩中的布置设计

姜 帆，王 博，刘天罡

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

阻尼式气弹簧广泛应用于汽车行业中。本文对阻尼式气弹簧的结构、工作原理及安装类型进行了详细介绍.据此，以散热器面罩开起装置设计为例，讨论了阻尼式气弹簧的布置与支撑力计算的设计过程。

气弹簧; 面罩; 油

CLC NO.:U463.33+4.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-54-05

前言

阻尼式气弹簧又称为支撑杆，是气弹簧家族中的一种。它的密闭缸筒内，充入高压气体和油，使其具有了支撑和运动缓冲的作用，它有最短、最长两个极限位置，在行程中无法自行停止，无外力施加时活塞杆相对缸筒处于最大伸展状态。在汽车、纺织机械、印刷设备、办公设备、工程机械等行业中，阻尼式气弹簧被广泛应用。本文对了阻尼式气弹簧的结构、工作原理以及安装方法予于介绍，并以卡车散热器面罩的开起装置设计为例，对阻尼式气弹簧的选型、布置安装进行了讨论。

1、阻尼式气弹簧的结构及工作原理

阻尼式气弹簧（以下简称气弹簧），它主要由接头、活塞杆、密封导向元件、活塞、油气混和物、缸筒等部分组成，如图1所示，气弹簧的结构。

在缸筒内充入高压气体（氮气），活塞上具有通孔保证了活塞两侧压强一致，但是等压气体作用在活塞两端的面积不一样，活塞上有活塞杆侧的面积比无活塞杆侧的面积小，所以活塞上产生了压力差，活塞杆被压力差推出缸筒，气弹簧即具有了支撑力，图2气弹簧的工作原理。

气弹簧工作时支撑力、压缩力可看作恒力。图3是气弹簧的外形以及压缩、伸展过程曲线。图中F1为最小伸展力；F2为最大伸展力；F3为最大压缩力；F4为最小压缩力；F0为启动力；d为活塞杆直径；D为缸筒外经；S为行程；L伸展长度。压缩、伸展过程曲线用以描述气弹簧在压缩、伸展的全过程中力值的变化情况。其压缩、伸展特性可通过F3与F4、F2与F1的比值表现出来。C值表示的是在检测气弹簧时，F1～F4力值的采集位置，一般情况下,S≤80mm时，C=5mm;S＞80mm时，C=10mm。从图中我们可以了解到，气弹簧的力随位移变化不大，对于工程设计我们可以忽略F1、F2、F3、F4的大小差异，认为气弹簧的力为恒定值，简化设计计算。

为避免气弹簧推动物体时，在伸展行程终了阶段产生的惯性冲击，在缸筒中注入少量油。油在气弹簧中的作用有三个。第一个是阻尼缓冲，在活塞杆伸出缸筒活塞接近缸筒底端时，活塞与油发生挤压，受到了油的阻尼缓冲作用，减慢了活塞杆伸出末端时的速度。第二个是润滑，润滑是指在气弹簧工作过程中，活塞杆应至少有一次经过油的浸润。第三是动密封，气弹簧缸筒的密封可分为两种，一种是动密封，它解决了活塞杆伸缩出入缸筒底端时油气密封问题；另一种是静密封，封闭缸筒顶端端头后就可解决油气密封问题。对于被密封的介质，密封油比密封气要容易的多，所以设计气弹簧动密封时，一般利用油与Y型密封圈以及活塞杆组成动密封，如图4气弹簧的动密封。

2、气弹簧的安装方式

根据气弹簧内部结构的特点，我们可将气弹簧的安装方式分为竖式、卧式两类。竖式安装方式如图5所示，它是指活塞杆伸出或收缩后，整个气弹簧基本都处于竖直状态，且活塞杆始终朝下安装。其内部油在气弹簧伸、缩时的状态如图6竖式安装-油的状态所示。

卧室安装方式如图7所示，它是指气弹簧在伸出或收缩后，气弹簧有被基本水平布置的状态。其内部油在气弹簧伸缩时的状态如图8卧式安装-油的状态所示。

对于以上两种气弹簧的安装方式，在设计中应尽量采用竖式结构。当气弹簧较长自重影响较大时，卧式安装方式的气弹簧受力不好，重力使原本2力杆件气弹簧产生了挠度。在挠度的影响下压缩活塞杆时，活塞杆与缸筒内的导向套相对滑动过程中，会有“卡阻”现象发生。如果导向套是黄铜或硬铝材质，则活塞杆表层镀铬层会被划损；而如果导向套材质是尼龙等耐磨塑料，则导向套的圆孔会被活塞杆磨成椭圆孔，这些都是造成日后气弹簧气体泄露最终失效的原因。

3、散热器面罩中的气弹簧布置设计

在散热器面罩（以下简称面罩）的气弹簧设计中，一般采用图9竖式布置方法安放气弹簧，设计中常会碰到面罩无法被开起或关闭，以及面罩即使已被关闭又被气弹簧自动撑起的情况，这些情况都与支耳布置，气弹簧支撑力、长度、行程选择不当有关。设计时首先应先明确面罩翻转铰链中心的位置、面罩翻转角度、面罩质量、面罩重心位置基本参数；接下来要确定上支耳的位置，其应被布置在面罩翻转铰链在面罩上的固定处附近，这样面罩开合时受力好，不易变形；支耳的位置可以按照气弹簧最小举升力法〔1〕、两圆法〔2〕求得，或根据布置需要进行位置调整，但要注意下支耳中心b到面罩翻转铰链中心0的距离不能超过面罩高度H0，应在面罩大小范围内。设计中还包含了一个隐蔽条件，气弹簧的支撑力（包括多根气弹簧支撑力的合力），应大于面罩质量产生的重力。下面我们结合图9就以上问题及设计方法展开进行讨论。

3.1 模型分析

我们对面罩的开起关闭状态进行研究，绘制图9进行分析。T是气弹簧支撑力；G是面罩的重力；0点是面罩翻转铰链的中心点；H是面罩最底端到0点距离；H0是面罩的高度； Z是面罩重力的力臂；a1点是面罩完全开起后，上支耳中心点的位置；b点是固定在前围上的下支耳中心点位置；a3点是面罩完全关闭后，上支耳的中心点位置；C点是面罩的重心；a2点是面罩开、闭过程中，气弹簧被压缩到最短处时，上支耳中心点的位置，此点一定在0点和b点的连线上，也称之为“死点”，面罩完全闭合后，要有向面罩内方向的自锁力，则a3点必须在位于图示位置，即0点b点连线的左侧；M是气弹簧支撑力的力臂； X1是a1点、b点间的距离；X2是a2点、b点间的距离；X3是a3点、b点间的距离。图3中气弹簧的伸展长度L由X1决定，气弹簧行程S应满足（X1-X2）≤S≤（X1-100）/2。倘若S＜（X1-X2）则会有面罩在被关闭的过程中，由于气弹簧行程不够，面罩被气弹簧顶住无法关闭，而又被气弹簧重新撑起的情况发生。气弹簧行程S≤（X1-100）/2，这是因为气弹簧不可能把总长L或X1的一半都压缩进缸筒内，式中100mm是考虑气弹簧两端接头等工艺制造所必须有的尺寸。考虑到气弹簧两端的接头尺寸，下支耳中心点到安装面的距离应在20mm以上，上支耳中心点到安装面的距离应有30mm以上，分别做出相对安装面的下支耳偏移线、上支耳偏移线。

3.2 散热器面罩的质量、重心的确定

求解散热器面罩的质量、重心，我们可以借用Pro/E或CATIA等三维设计软件的帮助。根据面罩外形尺寸制作模型，定义面罩材质密度，利用软件求解其重心、质量。图10散热器面罩的质量属性。3.3 气弹簧上的支撑力

气弹簧支撑力T应大于面罩的重力G（不考虑力的方向，只是比较大小）。图9中，当面罩的重心C与0点的连线与重力的方向垂直时，重力臂最大Zmax，则重力矩最大。根据计算式（2）可求得气弹簧支撑力T，此时气弹簧力臂最大Mmax,由图9可以看出Mmax小于Zmax，所以由计算式（2）可知T大于G。考虑风等因素对面罩开起时的影响，实际上气弹簧的支撑力T撑应按计算式（3）求得,k一般取1.1～1.2。为了避免人无法拉动翻起或闭合时的面罩，我们还应依照一般人所能施加在面罩的开起力F开、闭合力F关对T撑进行校核。图11立姿直臂时手臂拉力〔3〕。

以GB10000-1988《中国成年人人体尺寸》中的第50百分位的成年男性为例，身高1.68m，体重590N（59kg），当手臂位于90°他能施加在面罩上的最大开起力F开为59N；当手臂位于30°他能施加在面罩上的最大闭合力F关为236N。凭此，由计算式(4)、(5)再对气弹簧支撑力T撑进行核算,以决定k值是否要作适当调整。

3.4 支耳位置的确定

3.4.1 最小举升力法

预设面罩开起角度85°～90°，令上支耳中心点距面罩顶端距离约为H0的20%，利用ba1与0a1垂直，找到下支耳在前围上位置。如图12所示，最小举升力法。

3.4.2 两圆法

预设面罩开起角度α大于90°，如130°。直接令气弹簧的T为面罩重力G的2～4倍，笔者习惯取3倍。以0点为圆心分别以Mmax、Mα(面罩开起α后的气弹簧力臂)为半径分别得到一个大圆和一个小圆；上支耳偏移线与大圆相交的交点可定为上支耳中心点，过上支耳中心点作小圆的切线，切线与下支耳的偏移线交点就是下支耳中心点。如图12两圆法。

3.4.3 两种方法的比较与分析

支耳的位置确定，尤其是确定上支耳位置它是气弹簧布置的关键点。最小举升力法，先决定上支耳位置的“长度”（H0的20%），然后再推导气弹簧的力；而两圆法是先决定气弹簧的力，再推导上支耳位置的“长度”，在确定上支耳位置时，也用到了最小举升力方法中0a1垂直ba1的条件。选择使用方法时，可以根据面罩开起角度决定，当面罩开起角度在85°～90°时，可以采用最小举升力法；当面罩的开起角度大于90°时，可采用两圆法。最后，无论使用哪种方法，都应对气弹簧进行运动校核，看是否要调整支耳偏移线，距安装面的距离，避免面罩完全关闭后无自锁力。

4、结束语

阻尼式气弹簧作为助力缓冲件，广泛应用于闭合件设计，在卡车散热器面罩的开起装置设计中，多采用竖式地安装方式，且不能颠倒气弹簧安装点位置，以保证气弹簧缸筒内的油能起到阻尼、润滑、密封作用。随着阻尼式气弹簧的发展，一种具有双室结构的阻尼式气弹簧孕育而出，它在普通阻尼式气弹簧的基础上，增加了浮动活塞，将油室、气室分开，克服了普通阻尼式气弹簧的“设计缺陷”和安装禁忌，使阻尼式气弹簧的安装布置更为灵活、运用更为广泛。

[1] 温浩，王小东.方舱舱门的气弹簧选型安装设计.专用汽车，2010.10。

[2] 文广南.气弹簧撑杆的安装研究.客车技术与研究，2005.04。

[3] 毛恩荣，张红，宋正河.车辆人机工程学.北京理工大学出版社。

[4] GB 10000-1988 中国成年人人体尺寸。

Dam per gas spring and the layout design of the dam per gas sp ring in the radiator rill

Jiang Fan, Wang Bo, Liu Tiangang
(Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200)

Damper gas spring is used w idely for motor-dom. This paper systematically presents the structure、work principle of damper gas spring and the types of installation. Therefore, taking the design of the radiator grill opening mechanism for example, it introduces the design process of the layout and calculation of damper gas spring.

gas sp ring; grill; oil

U463.33+4.2

A

1671-7988(2014)06-54-05

姜帆，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，主要研究方向为：车身设计。