汽车后背门空气弹簧参数化设计

周大光 王雁

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

随着人们对汽车使用性能以及车身造型要求的日益提高，现代车身设计技术也随之迅猛发展。为此，车门、后背门及发动机罩等活动机构不仅要符合车身整体造型的需要，还要满足安全、可靠及使用舒适性的要求。而空气弹簧作为后背门开闭过程的重要助力零件，它设计的优劣决定了后背门系统开发的成败。所以，对于空气弹簧的布置及性能控制设计应得到充分的重视并进行深入的研究。空气弹簧的参数化设计是在对其工作原理、布置方法及使用性能掌握较充分的前提下进行的。参数化设计的方式使空气弹簧的设计具有简便性和规范性，可以提高产品的开发效率和准确性。同时，作为标准化开发工具，空气弹簧的开发经验得到了进一步积累，保证了设计能力的延续性。目前，国内主要空气弹簧制造商都有一套自己较成熟的自动化设计软件，输入相关参数即可完成全部设计工作，包括零件的选型、尺寸的设计、力值的输出及开关门手力的曲线等。而车身设计公司中除国外能力较强的公司，国内多数公司不具备或初步具备设计及控制能力。文章所介绍的汽车后背门空气弹簧参数化设计方法填补了国内汽车主机厂关于相关方面的空白，具备较先进的开发水平。

1 原理及计算方法

1.1 工作原理

1.1.1 基本结构

空气弹簧由压力管、连接头、活塞杆、活塞、密封及导向组件构成，如图1所示。

图1 空气弹簧剖面图

1.1.2 工作原理[1]

图2示出空气弹簧工作原理。空气弹簧是在密闭的压力管中充入惰性气体或者油气混合物，使压力管内的压强高于大气压的几倍或者几十倍。由于活塞内部或筒壁设有通孔，活塞两端压强相等，而活塞两侧的截面积不同，有面积差（ΔS），在压力管内压力的作用下，产生向截面积较小一侧的压力，即空气弹簧的“支撑力”，进而实现活塞杆的运动。“支撑力”的大小可以通过设置不同直径的活塞杆和压力管或者输入不同的压强而设定。

图2 空气弹簧工作原理图

1.2 理论计算方法

理论计算是空气弹簧设计的基础，是掌握空气弹簧理论设计的钥匙。它的重点是根据所选弹簧的尺寸参数计算出空气弹簧弹力特性曲线图中的Fa和Fb弹力。图3示出空气弹簧弹力特性曲线。

图3 空气弹簧弹力特性曲线图

“图 3 中，F1，F2，F3，F4是厂家为了提高检测准确度将活塞压缩或释放一定位置后检测并标注在图纸中的力值，是包含了阻尼的实测值，该值并非开闭位置的极限力值，与理论计算值有一定差异。而Fa和Fb则为理论计算中空气弹簧的2个极限力值，是校验助力效果的主要考察项，没考虑弹簧的阻尼，为理论值，在计算空气弹簧时只需计算Fa和Fb即可。其余弹力可以推导得出。”

理想气体状态方程式是空气弹簧理论计算的基本公式，如式（1）所示。

式中：P——缸筒内所充气压，MPa；

V——气体体积，mm3；

n——气体物质的量，mol；

R——理想气体常数；

T——热力学温度，K。

由力学公式F=PΔS，可知F与P成正比，则推导出空气弹簧任意2个位置的F1和F2与气体体积及温度有关，具体关系，如式（2）所示。

一个压缩、伸展循环内的往复运动，温度是恒定的。此时，由式（2）推导出2个位置力值变化关系式，如式（3）可所示。

力值的变化，就意味着体积的变化，此时，就需要计算出2个位置空气弹簧缸体内体积的变化。以后背门开启位置（伸展最大位置）和关闭位置（压缩最大位置）为例，计算2个位置的体积。伸展最大位置的腔体内为纯圆柱体，此时缸内气体体积计算，如式（4）所示。

式中：Va——伸展最大位置体积，mm3；

r外——缸筒半径，mm；

t壁——缸筒壁厚，mm；

L行程——活塞杆压缩的距离，mm。

压缩最大位置的腔体内为非圆柱体，部分活塞杆伸入了腔体内，此时，压缩至最大位置缸内体积的计算，如式（5）所示。

式中：Vb——压缩最大位置体积，mm3；

S杆——活塞杆截面积，mm2。

因此，若Fa已知，则可以推导出Fb，如式（6）所示。

式中：Pa——伸展最大位置的气体压强，MPa。

由此，即可获得如图3所示的弹力特性曲线图，用来分析等温环境下空气弹簧在不同位置的输出力及助力效果。

同理，依据理想气体状态关系式（2），可计算出同一位置不同温度下空气弹簧的输出力值，进而可以计算出相应的压强变化，如式（7）所示。

式中：P1——任意初始位置压强，MPa；

P2——任意移动位置压强，MPa；

T1——任意初始位置绝对温度，K；

T2——任意移动位置绝对温度，K。

由此可以绘出不同温度下空气弹簧的力值特性曲线图，用来校核后背门在各温度环境下的助力开启效果。图4示出某车型空气弹簧各温度下弹力特性曲线。

2 布置及设计方法

2.1 装配及运动校核

2.1.1 行程的设计

空气弹簧的行程是指空气弹簧活塞杆从最大压缩位置释放至最大伸展位置的长度。该长度直接决定了后背门可以开启的高度。一般而言，最大伸展位置的长度（La/mm）与（L行程）要满足的关系式，如式（8）所示。

也就是说满足了式（8）的关系，才能实现后背门的正常开闭运动，空气弹簧的长度设计才合理。

2.1.2 间隙及装配空间的校核

首先，要保证运动间隙。运动间隙指空气弹簧缸筒与后背门及流水槽等周边零件在关闭位置的最小距离。一般而言，需要满足至少5mm的运动间隙，如图5所示。

其次，保证装配空间。空气弹簧需要固定在车身流水槽及后背门两端，一般流水槽侧的安装点需要重点关注装配空间的问题，不仅要保证装配后与周边零件的间隙，更要注意装配过程与周边零件间隙及安装方便性。

2.1.3 摆动角的校核

摆动角指空气弹簧连接头接在球头销上[2]，绕球摆动的角度。一般摆动角可以达到±10°，特殊情况需要与供应商沟通，采用特殊连接头。图6示出空气弹簧连接头球头摆角示意图。

图6 空气弹簧连接头球头摆角示意图

2.2 开闭操作力设计

2.2.1 系统受力分析[3]

后背门系统受力图，如图7所示。

图7 后背门系统受力图

系统开闭过程受力的主要因素主要有自身的重力、空气弹簧的助开力及开闭手力，而这3个作用在系统的力矩构成的动态平衡就是研究系统开闭操作舒适性的基础。

因此得出开启过程力矩平衡关系式，如式（9）所示。

式中：FG——后背门的重力，N；

F气，F手——空气弹簧的助开力及开闭手力，N；

L手——手力臂，mm；

L气——弹簧力臂，mm；

LG——重力臂，mm。

关闭过程力矩平衡关系式，如式（10）所示。

2.2.2 曲线图的分析方法[4]

力矩曲线图是通过曲线的方式表达重力矩与空气弹簧力矩相对关系的图。该形式可以直观地体现系统中助力元件克服重力的详细情况。以某车型后背门常温力矩曲线（图8）为例，可以看出开启初始阶段弹簧力矩小于重力矩，需要手力介入帮助背门开启。越过平衡区13～18°，后背门可以自动开启。

图8 某车型后背门常温力矩曲线图

若要分析手力开闭舒适性，则需要采用手力分析图，初始状态手力曲线图，如图9所示。

图9 某车型后背门空气弹簧初始状态手力曲线图

从图9可以看出，常温状态开启手力最大为61 N，关闭手力最大为59 N；低温开启力最大为75 N，最大位置保持力为28 N；高温关闭力最大为98 N。后背门各温度及开闭状态的手力都呈现在了图9中，方便设计师判断助力机构设计的合理性及优化的方向。

2.2.3 开闭舒适性设计

开闭手力及平衡点计算完成仅是助力机构设计的初始阶段，还需要不断的优化设计，才能满足开闭舒适性的要求。

后背门开闭操作舒适性设计应以常温操作舒适，高低温操作保证基本功能为原则。后背门开闭手力设计基本原则，如表1所示。

表1 后背门开闭手力评价表 N

根据规范要求，从图9中可以看出，该车型后背门的开闭舒适性存在不足。其常温开启力都大于55 N，关闭力也接近了规范的上限。低温水平保持力为28 N，虽然保持足够，但关联到常温关闭力稍大，说明关闭保持力设计还有富余。再根据其开启力过大，检查到其开启手力臂与关闭手力臂非同一点且差距较大。开启施力点为牌照板上部手柄处，力臂约为800 mm，关闭施力点为后背门下沿，力臂约为1 000 mm。开启过程施力力臂的减小必然导致开启力增大。因此，采用以下方案调整开闭手力。

2.2.3.1 调整开启手力

1）调整手施力点。调整手的开启施力点（外手柄位置），可以有效增大手的施力力臂。但受造型限制，无法改动该位置。

2）增加空气弹簧力臂。调整车身空气弹簧支架及球头位置，可以适当增大开启助力力臂。虽然空间有限，但无硬点限制，可以采用。

3）增加空气弹簧力值。增加弹簧力值，可以增加助力开启力矩，直接减小开启手力。但同时会增加关闭手力，得不偿失。

2.2.3.2 调整关闭手力

1）调整手施力点。调整手的关闭施力点（外板下沿位置），可以有效增大手的施力力臂。但受造型限制，同时也会导致后背门过大，故无法改动该位置。

2）减小空气弹簧力臂。调整车身空气弹簧支架及球头位置，可以适当减小关闭时助力力臂。虽然空间有限，但无硬点限制，可以采用。

3）减小空气弹簧力值。减小弹簧力值，可以减小助力开启力矩，直接减小关闭手力。但同时会增加开启手力，得不偿失。

经过综合分析，最终微调了空气弹簧车身固定点，某车型空气弹簧优化状态手力曲线图，如图10所示。

图10 某车型后背门空气弹簧优化状态手力曲线图

从图10可以看出，由于开启力臂调整空间有限，调整后常温开启手力变化不大，为55 N；关闭手力已经有了明显的改善，为46 N；高温的关闭力也有了明显的改善，降低为79 N。说明本次优化是有效的。

3 设计的参数化及标准化

在完成了理论计算方法的分析后，需要有一种表达的手段或者工具为设计工作服务。由于时间及目前能力的限制，此处选用excel表格，它可以输入变量，通过公式编辑，自动计算结果，同样达到了参数化设计的目的。

3.1 表格的格式及编制工具

表格的编制采用excel文本格式。应用表格内嵌的公式及图表插入工具编制了该文件，图11示出excel工具显示界面。

图11 excel工具显示界面

3.2 页面布置

该表格主要分3页，包括系统参数表、手力曲线图及空气弹簧参数表3个部分。系统参数表主要是用来输入系统计算的基本参数及输出各温度下的开闭手力。图12示出系统参数表标准显示界面。

图12 系统参数表标准显示界面

手力曲线图主要用于分析系统开闭舒适性。表达了各温度情况、开闭手力及变化情况，同时还可以表达后背门系统平衡区间，从而分析系统各温度状态的开闭情况。图13示出手力曲线图标准显示界面。

图13 手力曲线图标准显示界面

空气弹簧参数表输出空气弹簧自身相关的参数。包括外形尺寸、内充气压及各温度输出力等。该表主要用于对于空气弹簧制造可行性的初步判断，同时可以作为CAE分析助力系统作用力的输出。图14示出空气弹簧参数表标准显示界面。

图14 空气弹簧参数表标准显示界面

3.3 操作便捷性及规范化设计

操作便捷和提高设计效率是该表格的设计初衷。

1）输入即得结果。仅需输入系统参数，无需其他附加操作，即可获得系统整体助力效果。

2）输入简洁。输入栏集中布置且参数输入具有唯一性，不易导致输入混乱或错误。

3）输入规范。输入栏侧边设置了示意图，解释了输入栏内需要设计师输入参数代表的意义。

结果明确，曲线输出规范。

3.4 应用成果

目前，该设计表已应用在一汽红旗及奔腾等系列车型，为后背门空气弹簧设计提供了有效的帮助，得到了多个项目的实践验证及肯定。

4 结论

通过对汽车后背门空气弹簧参数化设计的分析，成功地解决了以往对于空气弹簧的设计过分依赖制造商的问题。同时，输入即得结果的特点，也极大地提高了设计效率。为很多技术问题的解决提供了参考，是一个多学科融合的产物，集物理科学、机械原理、车身设计技术及Office办公软件应用能力于一身。因此，也验证了在汽车设计中，多学科融合解决一些问题的方法。对汽车车身开发技术整体能力的提升有着深远的意义。