Q CS 05 011-2015 后背门气弹簧设计计算方法

Q/CS 众泰控股集团有限公司企业标准Q/CS 05.011-2015 后背门气弹簧设计计算方法（修订）发布前言本标准由众泰汽车工程研究院车身部提出。

本标准由众泰汽车工程研究院车身部归口管理。

本标准由众泰汽车工程研究院车身部负责起草。

本标准主要起草人：黄子洲。

本标准第一次修订。

本次修订增加了“5.3.6高低温交变”，“5.4.0球销的插拔力”，对“5.3.8耐久性”进行了部分更新。

后背门气弹簧设计计算方法1 范围本标准规定了后背门气弹簧的技术要求、试验方法和设计计算等。

本标准适用于油气混合式及变阻尼式汽车用压缩气弹簧。

2 引用标准QC/T 207—1996汽车用普通气弹簧JB/T 10418—2004 气弹簧设计计算JB/T 8064.1—1996 压缩气弹簧技术条件GB/T 1771—91 色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定GB/T 1740—79 漆膜耐湿热测定法GB 1800—79 公差与配合总论标准公差与基本偏差GB/T 2348—93 液压气动系统及元件缸内径及活塞杆外径GB 2349—80 液压气动系统及元件缸活塞行程系列GB 2828—87 逐批检查计数抽样程序及抽样表(适用于连续批的检查)GB 6458—86 金属覆盖层中性盐雾试验(NSS 试验)GB 6461—86 金属覆盖层对底材为阴极的覆盖层腐蚀试验后的电镀试样的评级GB/T 13913—92 自催化镍–磷镀层技术要求和试验方法JB 2864—81 汽车用电镀层和化学处理JB/Z 111—86 汽车油漆涂层3气弹簧的术语、符号、定义3.1 气弹簧是指由一个密闭缸筒和可以在缸筒内滑动的活塞组件及活塞杆组成的以压缩气体为贮能介质的机构。

气弹簧的外形及力-位移曲线如下图1。

图14.1 标记方法气弹簧的标记由代号、活塞杆直径、缸筒外径、行程、伸展长度、接头形式、公称力组成。

规定如下：公称力接头形式活塞杆端连接形式行程缸筒端连接形式4.2标记示例例：气弹簧的活塞杆直径10mm，缸筒外径22mm，行程260mm，伸展长度650mm，接头形式O–O 公称力550N。

标记为：YQ10/22—260—650(O–O)5505 技术要求5.1产品应符合本标准的要求并按经规定程序批准的产品图样及技术文件制造。

5.2 尺寸及外观质量。

5.2.1气弹簧活塞杆直径及活塞行程应按GB/T 2348和GB 2349选用。

5.2.2气弹簧伸展长度尺寸公差按GB 1800中规定的IT16级精度制造。

5.2.3电镀层应符合JB 2864规定，主要表面应光洁，无磕碰、划伤、脱皮、鼓泡、针孔、起瘤、班渍、色差等缺陷。

5.2.4化学处理层应符合JB 2864规定，色泽均匀，不得有红锈、明显的花斑和附着沉淀物。

5.2.5油漆涂层应符合QC/T 484-1999汽车油漆涂层规定，漆层平整,颜色一致，无明显麻点，无严重流挂，不允许露底。

5.3性能要求5.3.1气弹簧循环时不应有卡阻现象，即在一次循环内动态摩擦力不大于最大值。

公称力极限偏差和动态摩擦力最大值应符合表2的规定。

注：力的极限偏差亦可根据供需双方协议不对称使用,其公差值不变。

5.3.2气弹簧启动力应小于1.5 F3。

5.3.3气弹簧伸展速度υ应在100～200mm/s之间，如有特殊需要，可由供需双方协议确定。

5.3.4气弹簧弹力比率和液力阻尼段长度是相互关联的，应根据负载情况由供需双方协议确定。

5.3.5 耐腐蚀性能气弹簧按GB 6458的规定进行48h的试验后，气弹簧的镀层应符合GB 6461中第5．3条b的规定，气弹簧的涂覆层应符合GB 1740中一级的规定。

5.3.6 高低温交变将背门气弹簧放于-40±2°C的环境中，经6h，取出后10s内安装到试验机上，使活塞杆向下，于2min内操纵气弹簧作5交循环。

然后将气弹簧置于80±2°C的环境中，放置6h,取出后10s内安装到试验机上，使活塞杆向下，于2min内操纵气弹簧作5交循环。

以上为一次冷热冲击。

气弹簧经两次冷热冲击试验后将其在20±2°C环境下放置4h，试验后试验后公称力值变化率不大于5%。

5.3.7 气密性能将气弹簧放置在80±2°C的高温试验箱中，保温4h后移置至20±2℃下保温2h,再将其置于一40±2°C的低温试验箱中，保温4h后移置至20±2℃下保温2h。

进行2次高、低温试验后，再按6.1测试其力学性能，试验后力初始值的变化率应不大于8％。

5.3.8 耐久性常温状态下，气弹簧按实际装车状态装于试验机上，以4～6次/min的频率连续均匀的进行25000次循环,取下零件对力值进行测量,然后进行低温-30±2℃循环2000次，高温80±2℃循环2000次,高低温试验频次:2次/min,试验完成后将其在20±2°C环境下放置4h,对零件力值进行测量，常温试验后公称力值的变化率不大于8%，高低温耐久试验后,公称力值变化率不大于10%。

5.3.9 抗拉强度将气弹簧的两端连接部位固定在试验机上，施加表3规定的拉力试验。

试验后，按6．1测试其力学性能，各连接件不应有断裂或脱落现象。

5.4.0 球销的插拔力将气弹簧端部的尼龙球头固定到夹具上，然后检测球头销拔出尼龙球头力的大小。

要求装入力≤100N，拔出力≥800N,过程中球头不允许有任何损坏6 试验方法6.1力学性能试验试验条件：温度20±2℃，放置4h后进行测量，测试速度为500 mm／min。

试验方法：将气弹簧的活塞杆朝下垂直装夹于试验机上，进行不少于3个循环的运行，同时观察气弹簧活塞杆有无卡滞或明显的振动。

如无异常，则开始测量并记录力一位移曲线，各点F力按下述方法测量：按图样规定的L距离压缩气弹簧活塞杆到a点，停留3s；记录F3力的数值。

压缩气弹簧活塞杆到b点，停留3s；记录F4力的数值。

气弹簧活塞杆伸张到c点，停留3s；记录F2力的数值。

气弹簧活塞杆伸张到d点，停留3s；记录F1力的数值。

受拉部件最小截面尺寸拉力（N）Ø5 M5 2000Ø6 M63000Ø8 M84500Ø10 M106000Ø12 M12100006.2将气弹簧放置在80±2°C的高温试验箱中，保温4h后移置至20±2℃下保温2h,再将其置于-40±2°C的低温试验箱中，保温4h后移置至20±2℃下保温2h。

进行2次高、低温试验后，再按6.1测试其力学性能。

6.3 耐久性试验气弹簧按实际装车状态装于试验机上，以4～6次／min的频率连续均匀地进行25000次循环。

每循环2500次，按6.1进行测试并记录。

6.4 抗拉强度试验将气弹簧的两端连接部位固定在试验机上，施加表3规定的拉力试验。

试验后，按6.1测试其力学性能。

7 设计计算7.1 确定后背门铰链转轴中心位置在设计布置后背门气弹簧之前，我们首先要确定后背门铰链转轴中心的位置，校核两铰链是否同轴，气弹簧的安装空间是否足够。

7.2 确定后背门开启角度转轴中心确定后，接下来就是确定后背门的开启角度，一般设计开启到最大位置时，后背门下部最低点高度应在离地面1800mm左右，这样设计是基于既要考虑人的头部不易碰到后背门下部最低点，又要照顾关门操作时手部能很容易接触到拉手。

也可以参考标杆车的开启角度，然后根据自身情况及整车总布置状态进行调整。

7.3 计算气弹簧上、下安装点的位置及有效行程在计算上、下安装点之前，我们首先要确定气弹簧的安装方式，气弹簧安装方式有两种：气弹簧正装、气弹簧反装。

气弹簧正装即上安装点在后背门内板上（如图2），气弹簧反装即上安装点在侧围门框上（如图3）。

无论正装或反装，在后背门关闭状态下，气弹簧的活塞杆必须朝下，这样可以使气弹簧内部活塞充分润滑，降低摩擦力和确保最好的阻尼性能及缓冲性能。

一般情况下大多数都选择反装的安装方式，这里我们仅分析上安装点设在侧围门框上（反装）的形式。

气弹簧的上安装点的位置距铰链转轴中心的尺寸对气弹簧的公称力有很大影响，在背门重力矩一定的条件下，尺寸越小需要的公称力越大。

因受到门框下安装点及行程的制约，尺寸不能太大，所以在设计安装点的时候，既要兼顾车身自身条件又要达到合理设计的目标，既能合理地利用有限空间，又能减小气弹簧的公称力。

图2 图3第一步：首先根据车身数据确定气弹簧下安装点，即后背门内板上的安装点，具体要求：•尽量利用背门内板上的有用空间加大安装点与铰链转轴中心线的距离；•安装面需满足气弹簧运动过程中不与其他零件干涉的要求，必要时调整安装面；•安装面内部设计适合强度要求的螺母加强板；•根据需要考虑背门内板上的安装点是否需设计安装支架；第二步：在开启角度、下安装点确定之后，根据安装和运动关系，做出以下示意图。

为了简化运算，这里所做的示意图是气弹簧安装位置在整车ZX平面上的投影，如图4 。

图4中，AC长度已知α角为后背门开启角度A点为铰链转轴中心B点为气弹簧上安装点C点为气弹簧下安装点D点为背门最终开启后气弹簧下安装点设：X为气弹簧有效行程；n为弹簧两端头结构占用长度之和；AC=AD=a；BC=X+n；CD=b；BD=2X+n；∠BAD=α；∠BCD=β；因为△ACD为等边三角形，所以：b=2asin α2 β=90°-α2在△BCD 中，由余弦定理得BD 2=BC 2+CD 2−2BC ×CD ×cos β即(2X +n )2=(X +n )2+(2asin α2)2−2(X +n )×bcos ⁡(90°−α2) 图4 将a 值代入上式中，α、β、为已知数据，n 值一般根据气弹簧结构不同取值范围在90-120mm 之间。

代入各数据，求出一元二次方程的有用根就是我们所求的气弹簧的有效行程。

求出X 的值后，即可知道X+n 的大小，因此就能确定B 点的位置，B 点是气弹簧的上安装点，在侧围门框上，如果B 点距离侧围门框较远，可通过增加安装支架，让上安装点的球头位置尽量靠近B 点。

B 点只是一个理论状态下的位置，实际安装位置可根据侧围门框上的实际状态进行调整。

7.4 气弹簧力的计算在确定气弹簧的上下安装点后，即可初步计算气弹簧的支撑力。

首先我们建立如图4的简易模型。

按力学平衡原理，由图4可知，当后背门开启到最大开启角度时，可得出平衡方程： n ×F1×b=G ×L ×k 式中：n －气弹簧个数F1－后背门开启最大角度时气弹簧支撑力 b-气弹簧支撑力臂 G －背门重力L －背门最大重力臂 k －安全系数（1～1.5） 由平衡方程得：F1=G×L n×b×k背门重心可以通过背门各个零部件质量及重心从而进行计算得出 ，以下是重心计算公式。