两厢车背门气弹簧布置.docx
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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;
从上述推导过程中可以看出:
★当α=0º时,∆式即l22=l12,此时门无法打开。
★当l1,l2一定时,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),
假设l1=1.5l2(一般是1.5倍左右,Fiat1.44,307-1.68,C4-1.43),
r=1.44l2
当r=1.44l2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%。
2.2背门XZ平面工况要求
下图中:
W——门的重力;
E——门的重心,设OE长度=k;
状态1——背门下平衡点;
状态2——背门上平衡点;
状态3——背门处于水平位置(重心E与O的连线OE水平);
状态4——背门完全开启;
状态0-1——背门重力力矩大于气弹簧支撑力力矩,开启时需提供外力才能将门打开。
状态1-2——背门重力力矩等于气弹簧支撑力力矩,此时背门处于平衡区域,无须提供外力背门即可处于静止状态。
状态2-4——背门重力力矩小于气弹簧支撑力力矩,背门会自行打开,直至达到气弹簧最小行程处(背门完全开启),状态3时重力力矩最大。
2.3气弹簧XZ平面支撑力分析
2.3.1气弹簧的最大支撑力
下图中:
F——气弹簧支撑力;
d——气弹簧支撑力力臂,即O到AC的距离;
W——门的重力;
E——门的重心,设OE长度=k;
Φ——门关闭时,OB与垂线之间的夹角;
β——OC与OE之间的夹角;
γ——∠OAC
在△OAC中,
对O点取力矩
当Φ+α-β=90º,即α=90º+β-Φ时,力F最大,此时背门处于水平位置(重心E与O的连线OE水平)。
由此可见,气弹簧的支撑力必须大于F方能支撑住门,使门向上打开不致于引起下坠。
★一般气弹簧的最大支撑力比理论计算值F要大10-20%以上。
2.3.2背门的平衡条件
状态
开启角
能否平衡
摩擦力Ff
总支撑力力矩MF与
重力力矩MW比较
类型/大小
方向
0
0º
0~1
0º<α<α1
否
动态/Ff
A→B
MF1
α=α1
能
静态/Fs→0
A→B
MF=MW
1~b
α1<α<αb
能
静态/Fs
A→B
MF=MW
b
α=αb
能
0
无
MF=MW
b~2
αb>α>α2
能
静态/0→Fs
B→A
MF=MW
2
α=α2
能
静态/Fs
B→A
MF=MW
2~4
α2<α<α4
否
动态/Ff
B→A
MF>MW
4
α=αmax
注:
上表各状态均为无外力时分析,Fs为最大静摩擦力,
★状态2时背门开启的角度为α2:
当背门开启角α>α2时,背门会自行开启,直至达到气弹簧最小行程处(状态4,背门完全开启);
当背门开启角α=α2时,背门能处于静止状态,此时总支撑力的力矩MF等于重力的力矩MW,总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供,大小为最大静摩擦力,方向同总支撑力方向相反;
当背门开启角α2>α>αb时,背门能处于静止状态,此时总支撑力的力矩MF等于重力的力矩MW,总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供,大小由最大静摩擦力~0(α2~αb),方向同总支撑力方向相反。
★状态b时背门开启的角度为αb:
当背门开启角α=αb时,背门能处于静止状态,此时总支撑力的力矩MF等于重力的力矩MW,总支撑力完全由压力差产生的支撑力提供,无摩擦力。
★状态1时背门开启的角度为α1:
当背门开启角α1<α<αb时,背门能处于静止状态,此时总支撑力的力矩MF等于重力的力矩MW,总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供,大小由0~最大静摩擦力(αb~α1),方向同总支撑力方向。
当背门开启角α=α1时,背门能处于静止状态,此时总支撑力的力矩MF等于重力的力矩MW,总支撑力一部分由气弹簧摩擦力提供,大小为最大静摩擦力,方向同总支撑力方向;
当背门开启角α<α1时,背门会自行关闭,直至达到气弹簧最大行程处(状态0,背门完全关闭);
2.3.3气温对气弹簧支撑力的影响
查尔斯定律:
Pi/Ti=Pf/Tf
T为开尔文温度,20ºC=293K,-40ºC=233K,80ºC=353K;
★根据公式计算:
在其他条件相同的情况下,-40ºC时气弹簧的支撑力是20ºC时的79.5%,80ºC气弹簧的支撑力是20ºC时的1.2倍。
2.3.4背门开启力和关闭力的分析
上图中,Fo,Fc分别为开启力和关闭力。
背门开启:
W·ko-Fo·L–Fpo·do=0
ko=ksinΦ;
do=l2sinβ;
背门关闭:
W·kc+Fc·Lc–Fpc·dc=0
kc=k·cos(Φ+α-90º);
dc=(r-l2)sinγ;
Lc=L·cos(Φ+α-β-90º);
★背门的重力对开启力和关闭力的大小影响最大,背门越轻开启和关闭越方便;
★一般情况下,背门在50磅(22.68千克)以上时,开启力和关闭力在12-15磅(约合53.33-66.67N)左右,15-18磅(约合66.67-80N)也可接受,超过18磅的话对操作的人就有点困难了。
3.气弹簧空间布置几何关系