汽车发动机盖自关闭气弹簧布置优化方法

马东辉，马少康，姜明

（1.北京车和家信息技术有限公司，北京 100102；2.武汉理工大学物流工程学院，湖北 武汉 430063）

前言

气弹簧是一种具有支撑、缓冲、制动、高度调节和角度调节等功能的配件[1]，广泛用于工程机械[2-4]、客车[5]、汽车[6-7]等的助力机构。在汽车领域，很多价格在10万以上的车型，气弹簧平衡机构成为发动机盖的开启动力单元的首选，其主要功能是在发动机盖开启过平衡点后提供动力，完成发动机盖开启；在发动机盖关闭过程中降低机盖关闭速度，防止意外发生；限制机盖的最大开度，防止机盖与周边件干涉。综上，本文从力矩平衡和能量平衡的角度，对汽车发动机盖气弹簧的布置优化进行研究，以实现汽车机舱盖有效自关闭。

1 气弹簧布置要求

气弹簧布置的好坏，取决于气弹簧能否满足发动机盖系统设计初期定义的各项目标，例如人机要求（平衡区间、开启、关闭过程操作力）、关闭保持力、自关闭等。下面以某车铝机盖气弹簧布置进行说明。

（1）产品定义：关闭保持力 F要求（低温 F≥20N，常温 F≥30N）；发动机盖手部操作开启、关闭力要求60N≥F≥30N；发动机盖开启平衡点要求 25°≥θ≥10°；发动机盖开锁后弹起高度 h≥25mm，满足人手操作空间；发动机盖最大开启角度；发动机盖关闭过程过平衡点能够实现自关闭。

（2）气弹簧参数：杆径d、缸径D、行程S、安装尺寸L、公称力F、接头形式等，杆径d、缸径D多为供应商成熟序列；行程 S、安装尺寸 L、接头形式可根据安装要求需要设定；公称力F通过充气压及杆径匹配要求设定。

（3）气弹簧布置要求：提供发动机盖质量、重心位置，发动机盖铰链轴位置、机盖锁位置、力学曲线，密封形式，缓冲系统位置、力学曲线等参数。

2 气弹簧布置过程

（1）气弹簧初步安装点确定

如图 1，设定发动机盖开启人机高度时气弹簧自由伸长长度为 L1、气弹簧力为 F1、发动机盖关闭时候气弹簧压缩后长度为 L2、气弹簧力为 F2。在发动机盖上初步布置气弹簧上安装点a1。发动机盖开启到最大角度时，气弹簧安装点位置a2。分别以a1为圆心、L1为半径，a2为圆心、L2为半径做球，两球交线即为气弹簧安装点所在区域。考虑到发动机盖受力均匀，气弹簧尽量布置在平行于XZ平面的平面上，采用通过气弹簧上安装点且平行于XZ平面的平面与两球交线相交所得点b1和b2。根据实际布置要求，b1即为气弹簧安装。

图1 发动机盖气弹簧安装点初步确定

（2）关闭保持力校核

以常温为例，如图 2所示，气弹簧伸长状态力值为 F3（气弹簧总力值）、力臂为S3，发动机盖重量为G、力臂为S，手部操作力为F5、力臂为S5，铰链转动力矩M。存在力矩平衡 F3*S3-G*S+M=F5*S5。根据设计要求，手部操作力F5≥30N（要求在常温下），同时由于铰链力矩较小，可忽略，最后可得F3*S3-G*S≥30*S5，即满足设计要求。

图2 开启最大状态手部操作力

（3）平衡点校核

发动机盖关闭平衡位置校核，即手部操作力为0N，根据气弹簧弹性曲线可以得出气弹簧在关闭过程中压缩区间内任意位置气弹簧力值为F6（气弹簧总力值）、力臂为S6，发动机盖重心到发动机盖铰链轴的力臂为S7，如图3所示，由力矩平衡得 F6*S6-G*S7+M=0，忽略铰链转动力矩可得F6*S6-G*S7 =0，即此位置为发动机盖关闭平衡点。

图3 发动机盖关闭任意位置

发动机盖开启平衡位置校核，即手部操作力为0N，同理根据气弹簧弹性曲线可以得出气弹簧在开启过程的压缩区间内任意位置气弹簧力值为 F9、力臂为 S9，发动机盖重心到发动机盖铰链轴的力臂为 S8，如图 4所示，由力矩平衡得F9*S9-G*S8+M=0，忽略铰链转动力矩得 F9*S9-G*S8 =0，即此位置为发动机盖开启平衡点。

图4 发动机盖开启任意位置

（4）人机操作空间校核

发动机盖二道锁开启时，发动机盖弹起操作空间，要满足手部操作空间，并且不能自动弹起，即同时满足N锁*S锁人+F弹* S弹人＞mg* Sm人和mgh人＜E锁+E缓+ E密+ E气两个公式，如图5所示。其中，N锁为发动机盖锁的弹力值，S锁人为发动机盖锁的弹力力臂，F弹为气弹簧力值，S弹人为气弹簧力臂，mg为发动机盖重力力值，Sm人为发动机盖重力力臂，mgh人为发动机盖抬起操作空间重力做的功，E锁为锁体二道锁关闭时所需做的功，E缓为缓冲块达到闭合状时所需做的功，E密为密封条达到闭合状时所需做的功，E气为气弹簧达到闭合状时所需做的功。

图5 发动机盖开启手部操作空间高度

（5）最小关闭高度校核

发动机盖在重力作用能够满足机盖完全自锁的高度，发动机盖的重力势能大于机盖锁、缓冲系统及密封系统的力矩做功，即mgh小≥E2+E3+E4+E5。此处，E2为发动机盖关闭时锁的力矩做功；E3为发动机盖关闭时密封系统的力矩做功；E4为发动机盖关闭时缓冲系统的力矩做功；E5为发动机盖铰链转动的力矩做功（能量很小，可忽略）。

（6）自关闭校核

根据设计目标要求，发动机机盖关闭至平衡点后，能够实现自动锁死，需要满足能量公式 mgh≥E1+E2+E3+E4+E5。此处，mg为发动机盖重量；h为重心在发动机盖关闭过程中相对机盖关闭时的高度；E1发动机盖关闭过平衡点后气弹簧的力矩做功；E2发动机盖关闭时锁的力矩做功；E3发动机盖关闭时密封系统的力矩做功；E4发动机盖关闭时缓冲系统的力矩做功；E5发动机盖铰链转动的力矩做功（能量很小，可忽略）。发动机盖关闭过平衡点后气弹簧能量为 E1=∫Mθdθ。M为气弹簧在任意时刻的力矩，θ为发动机盖开启的角度。

3 布置结果

结合某车型铝制发动机盖，采用气撑杆布置情况，除产品定义要求外，硬点要求发动机盖机盖质量10.5kg，重心位置（-215.6，0，689），作用力臂0.63m，铰链轴线位置（412，0，759.5），发动机盖锁布置位置（-590，0，554），作用力臂1m，力臂密封条的力值20N，作用力臂0.69m，缓冲块的平均力值10N，数量4个，平均力臂0.85m。

图6 机盖锁刚度

图7 密封条刚度

调整后的气撑杆布置情况：气弹簧车身侧安装点位置（304，0，706），发动机盖侧安装点位置（81，0，640），气弹簧自由长度297mm，行程64.5mm，压缩后长度232.5mm，公称力值F=440N。

根据发动机盖锁（一道锁、二道锁 ）刚度（图 6）、密封条刚度（图7）、缓冲块刚度（图8），可得机盖最小关闭高度为135mm（发动机盖前端在前保距离），能量为4.0J。

图8 缓冲块刚度

根据发动机盖不同温度下的手部操作力曲线（如图9），可以分析得出，发动机盖常温关闭平衡点为机盖开启 15°，低温关闭平衡点为机盖开启 19°，高温关闭平衡点为机盖开启 11°。同时通过分析发动机盖系统关闭过程中不同温度下的能量曲线（如图10），可以看出三者能量差值均大于4J。根据发动机盖关闭实现自关闭条件 mgh≥E1+E2+E3+E4+E5，即mgh-E1≥4.0。因此，可以判断此车型发动机盖气弹簧布置可以实现，发动机盖过平衡点后均能实现发动机盖的自关闭。

图9 发动机盖不同温度下的手部操作力曲线

图10 关闭过程中重力及气弹簧做功曲线

4 结论

本文提供了一种汽车发动机盖自关闭气弹簧布置优化的方法：从人机要求、关闭保持力、自关闭等角度明确了气弹簧的布置要求；通过力学和能量等的分析计算，推导出气弹簧优化布置的方程式，涉及气弹簧初步安装点确定、关闭保持力校核、发动机盖关闭平衡位置校核、发动机盖开启平衡位置校核、人机操作空间校核、最小关闭高度校核、自关闭校核等过程。通过本公司某车实例，验证了以上方法和公式，从而提高了设计效率，降低了验证周期，提升了人机功效。

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