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氣彈簧撐桿的安裝研究
文廣南
摘 要:運(yùn)用"兩圓法"對氣彈簧撐桿的安裝進(jìn)行研究,并應(yīng)用于客車艙門的安裝設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明,這是一種簡單,有效的安裝設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞: 氣彈簧撐桿;安裝設(shè)計(jì);兩圓法;客車艙門
中圖分類號:U463183 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:100623331(2005)0420020202
深圳公交集團(tuán)公司一向是我公司的大用戶。該用戶有一個特點(diǎn),就是喜歡在所購買的車輛的艙門(如電池艙門,水箱艙門,前側(cè)圍檢修艙門,后側(cè)圍檢修艙門等)使用氣彈簧作支撐。由于筆者是負(fù)責(zé)側(cè)圍艙門設(shè)計(jì)的,所以市場需求促進(jìn)了本人對氣彈簧的安裝研究,并將研究心得應(yīng)用于氣彈簧的安裝設(shè)計(jì)。

1 氣彈簧的特點(diǎn)
氣彈簧是一根舉力(本文用F表示)近似不變的伸縮桿,在汽車,飛機(jī),醫(yī)療器械,宇航器材,紡織機(jī)械等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。它的內(nèi)部構(gòu)造是一條可在密閉筒腔內(nèi)作直線運(yùn)動的活塞桿。密閉筒腔內(nèi)充滿由高壓氣體和可溶解部分高壓氣體的液體所構(gòu)成的液2氣兩相混合體。氣彈簧的舉力由高壓氣體推動活塞桿產(chǎn)生。推動力決定于高壓氣體的壓強(qiáng)。高壓氣體在液體中的溶解量隨氣體壓縮增加(此過程對應(yīng)氣彈簧工作于壓縮階段),隨氣體膨脹而減少(此過程對應(yīng)氣彈簧工作于伸長階段),使得密閉筒腔內(nèi)的高壓氣體的密度始終維持一個近似恒值,也就是氣壓近似不變(即舉力近似不變)。

2 氣彈簧的安裝研究
表面上看,將氣彈簧安裝到客車艙門上非常簡單,實(shí)際上安裝設(shè)計(jì)所要解決的問題遠(yuǎn)非所想象的簡單。氣彈簧在艙門上的一般安裝狀態(tài)如圖1所示。從此圖可知,已知安裝信息只有門體(幾何形狀,質(zhì)量,重心,材料等),鉸鏈和開度α要求,未知安裝信息卻多達(dá)6個(X1,X2,Y1,Y2,Z,F)。而由數(shù)學(xué)理論知道,要解出6個未知數(shù),必須要解出由這6個未知數(shù)構(gòu)成的6個方程式組成的方程組。由此可見,要求設(shè)計(jì)人員從純理論形態(tài)入手解決氣彈簧的安裝幾乎是不可能的。因此,從工程角度切入,深挖安裝信息,簡化未知數(shù),是解決氣彈簧安裝設(shè)計(jì)問題的關(guān)鍵所在。
211 力學(xué)分析
門體,鉸鏈(門體作開關(guān)運(yùn)動的中心)和氣彈簧構(gòu)成一個杠桿系統(tǒng)。由于氣彈簧對鉸心的力臂遠(yuǎn)小于門重對鉸心的力臂,所以這是一個費(fèi)力杠桿系統(tǒng)。即是說,氣彈簧舉力必須遠(yuǎn)大于門重才可以將門體支撐起來。這是一個很重要的隱蔽條件。有了這個條件,才可以初選多大舉力的氣彈簧。氣彈簧的舉力可以確定為門重的3倍左右。當(dāng)然也可以確定為門重的2倍,4倍,5倍,6倍左右。對同一個門體來說,相對于氣彈簧舉力取3倍門重,當(dāng)氣彈簧舉力取2倍門重時(shí),氣彈簧力臂要增大,工作行程要增大,總長度要增加,安裝空間增大;反之,當(dāng)氣彈簧舉力取4倍以上門重時(shí),氣彈簧力臂要減小,工作行程要減小,總長度要減小,安裝空間減小。這可根據(jù)實(shí)際安裝空間選取氣彈簧舉力。筆者在實(shí)際設(shè)計(jì)中常用3倍數(shù)。
212 確定氣彈簧的上下安裝點(diǎn)
氣彈簧的總長度,工作行程是在確定上下安裝點(diǎn)過程中確定的。確定氣彈簧上下安裝點(diǎn)是整個氣彈簧安裝設(shè)計(jì)的最難點(diǎn)。下面以單軸鉸鏈門體為例來說明"兩圓法"在進(jìn)行氣彈簧安裝設(shè)計(jì)的應(yīng)用。安裝示意圖及有關(guān)參數(shù)如圖2所示。下面的計(jì)算是以門體為規(guī)則,勻質(zhì)的理想模型(重心=幾何中心)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。門體在開門過程中對鉸心O的力矩不斷變化(小→大→小),有兩個峰值,一個是最大值,位于門體處于水平位置(α=90°)時(shí);一個是固定值,位于門體處于開盡位置(α=最大值)時(shí)。根據(jù)物理學(xué)杠桿平衡原理可知,門體要在氣彈簧的作用下自動打開和開盡以后長時(shí)間不掉下來,氣彈簧在門體處于這兩個特殊位置時(shí)對鉸心O的瞬時(shí)力矩必須大于等于門體在這兩個特殊位置時(shí)門重對鉸心O的瞬時(shí)力矩。由此可以確定氣彈簧所需的最大力臂(R),最小力臂(r)分別為(列式,計(jì)算過程略):
最大力臂R=G (H/2-h)2F≈G H4F,(當(dāng)Hmh時(shí))最小力臂r=G (H/2-h) cos(α-90°)2F≈G H cos(α-90°)4F,(當(dāng)Hmh時(shí))式中 G為門重,N;F為氣彈簧舉力,N;H為門高,mm;h為門頂?shù)姐q心的垂距,mm;α為門體最大開度,°;2為每個門使用兩支氣彈簧作支撐。以鉸心O為圓心,以最力臂R,最小力臂r為半徑分別作大小兩個圓。作小圓的一條切線的延長線交大圓于A點(diǎn),則A點(diǎn)為氣彈簧的上安裝點(diǎn)。氣彈簧的下安裝點(diǎn)B則必然在此切線下方的某一點(diǎn)上。AB兩點(diǎn)的距離L為氣彈簧的總長度。需要說明的是:A點(diǎn)必須落在門體內(nèi)側(cè)并離門面板豎直距離20mm以上(因?yàn)闅鈴椈傻纳习惭b點(diǎn)占一定的空間位置),否則若在門外,從理論上說雖然無錯,但實(shí)際上沒有誰把氣彈簧的上安裝點(diǎn)布置到門外的。由于滿足A點(diǎn)落在門體內(nèi)側(cè)的小圓切線有任意多條所以氣彈簧的布置也有多種傾角的安裝形式,但它們在力學(xué)上是完全等效的。至此,只要找到確定氣彈簧總長度的公式,就可以確定氣彈簧的下安裝點(diǎn)B了。根據(jù)廠家推薦,氣彈簧總長(最, 短尺寸)=行程×2+100(氣彈簧兩端連接頭及工藝必須最短長度,單位:mm)。當(dāng)門體開度α大于等于135°時(shí),行程可以取為最大力臂R的兩倍,則上式可以寫成:氣彈簧總長度(最短尺寸)=4R+100。當(dāng)然,此公式求出的總長度只是氣彈簧的最短尺寸,氣彈簧的總長度取大于這個最短尺寸的數(shù)值也是可以的(只要使氣彈簧的下安裝點(diǎn)不超出有效安裝范圍就行)。綜上所述,由于氣彈簧的長度和安裝傾角有無窮多值,所以它的安裝位置不是唯一的(唯一解),而是一個范圍(無窮多解)。正因?yàn)槿绱?氣彈簧的一個正確安裝位置很容易被兩三次的試驗(yàn)找到,但那是盲目的,耗費(fèi)時(shí)間和精力。有了"兩圓法",完全可用理論計(jì)算代替實(shí)際試驗(yàn),省時(shí),省力,根據(jù)實(shí)際安裝空間選取一個最好方案,其最大優(yōu)點(diǎn)是"結(jié)果可靠"。
213 設(shè)計(jì)應(yīng)用
在實(shí)際設(shè)計(jì)中,由于門體是非勻質(zhì)的理想物體,所以理論公式必須作適當(dāng)?shù)男拚＜?兩圓"分別取大些,一般為理論值的111～113倍,并對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行校核。校核的作用是:(1)驗(yàn)證安裝空間是否滿足氣彈簧的運(yùn)動要求;(2)驗(yàn)證門體處于關(guān)閉位置時(shí),氣彈簧對鉸心的力矩是否向門體內(nèi)側(cè)(即氣彈簧是否自鎖。此點(diǎn)非常重要,它牽涉到氣彈簧安全運(yùn)行問題)。
3 結(jié)束語
從初定氣彈簧舉力到確定氣彈簧安裝點(diǎn)不是一次就能解決問題的,它對初學(xué)者而言,往往需要經(jīng)過多次循環(huán)才能得到滿意結(jié)果。經(jīng)過多次實(shí)踐驗(yàn)證并熟練以后,一般能很快確定新門設(shè)計(jì)時(shí)的安裝參數(shù)。"兩圓法"的最大優(yōu)點(diǎn)在于安裝設(shè)計(jì)出來的氣彈簧,開門力,關(guān)門力,自鎖力適中,避免了某一種力不足或過大問題。

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