气弹簧选型的设计思路资料.pdf

底盘与配件 Chassis and Parts与配件 专 992012.10Commercial Vehicle 商用汽车 专用汽车与配件 Special Purpose Vehicle & Parts 气弹簧选型的设计思路 孔令猛 气弹簧作为一种支撑构件在医疗设备、 汽车、家具、纺织设备、机械行业等领域均 得到了广泛的应用(见题图)本文针对布局 气弹簧时需要考虑支撑力、行程、安装尺寸 等要素，对气弹簧的选型进行了经验总结， 可供技术人员参考 1 气弹簧的基本原理 气弹簧是在密闭的腔体内压入惰性气体 (常用氮气)和油、或油气混合物，以气体为 工作介质的一种弹性元件，主要由压力管、 活塞、活塞杆及若干连接件组成由于在活 塞内部设有通孔，活塞两端气体压力相等， 而活塞两侧的截面积不同，一端接有活塞 杆而另一端没有，故在气体压力作用下， 会向截面积小的一侧产生压力，即气弹簧的 弹力，弹力的大小可以通过设置不同的气压 或者不同直径的活塞杆予以设定如图1所 示，F1、F2分别为无活塞杆腔和有活塞杆腔 体的压力；S1、S2分别为无活塞杆腔和有活 塞杆腔体的截面积；P为惰性气体压强气 弹簧弹力F的平衡方程为： F＝F1－F2＝PS1－P(S1－S2)＝PS2。

由气弹簧弹力的平衡方程可知，弹力与 本文介绍了气弹簧 的基本原理，并通过图 例以理论计算公式为依 据，阐述了气弹簧选型 的步骤，以及气弹簧安 装的注意事项 提 要 有活塞杆腔的截面积和惰性气体压强之积成 正比 2 气弹簧选型 气弹簧选型的主要要素：安装尺寸、支 撑力、工作行程及连接方式多数人在选型 时，对于气弹簧相对安装位置的不同，会导 致行程不同，而相对铰接点力臂又一直处于 变化等不太了解，因此无法确定支撑力；选 型不得要领时只好进行实物试验，但是经 常会出现3个问题：一是力量太小，撑不起 来；二是撑起来后行程过短，不能关闭；三 是力量太大，关闭困难最后不得不重新选 图1 气弹簧结构剖视图图2 气弹簧的工作状态 底盘与配件 Chassis and Parts 与配件 专 1002012.10 Commercial Vehicle 商用汽车 专用汽车与配件 Special Purpose Vehicle & Parts 择新型号，导致反复选 型，耗时费力 笔者以2根气弹簧 支撑上翻门的图例及理 论计算公式为依据，介 绍气弹簧的选型步骤 如图2将气弹簧的工作 状态简化为连杆机构， 首先设定相关联的几个 参数： (1)参考点。

O为铰 接点；a1、b分别为气 弹簧上、下支撑点；a2 为O、b两点连线与a1绕O点旋转的轨 迹圆交叉点；a3为a1绕O点旋转后的关 闭点 (2)参考距离S1为气弹簧的安装 尺寸(即门开止时气弹簧的尺寸)，a1到 b的距离；S2为气弹簧工作半径中的最 短尺寸，a2到b的距离；S3为气弹簧的 关闭尺寸(即门闭止时气弹簧的尺寸)， a3到b的距离；L为门的理论质心到铰 接点的距离(沿门方向)；P为上支撑点 到铰接点的距离(沿门方向)；M为气弹 簧到铰接点的有效力臂 值得注意的是，很多人认为气 弹簧的关闭尺寸S3是行程中的最短尺 寸，其实这是错误的，由图2即可看 出，O点、a2点、b点均处在同一条直 线时，气弹簧的尺寸最短 根据以上选定的参数，则可以对 气弹簧各要素进行如下确定 2.1 安装尺寸的确定 首先确定气弹簧的安装尺寸，即 a1和b的位置根据门外形、开启角 度(图2以90°为例)及门铰链安装位置 可确定L，上支撑点a1的位置通常为 P=(2/3)L，也可以由设计者根据实际 情况而定，P值若过小，对于相同门所 需要的气弹簧的支撑力就必须增加， 由气弹簧原理可知，要获得更大的支 撑力就要增加气压或者增加气缸与活 塞杆的外径，各气弹簧生产厂家对于 弹力值都有不同的标准，一般不超过 2 kN，若根据理论计算公式得出的弹 力值超出了2 kN，则说明a1点设置不合 理；P值若过大，对于相同门所需要的 气弹簧的支撑力虽减小了，但为了使 门能够关闭，就必须增大安装尺寸， 由此会减少门两侧的空间，也增大了 气弹簧的材料成本；P值若大到一定 程度，b的位置就有可能超出门的尺寸 而不利于安装，这说明a1点所选位置 也不合理。

故a1点位置的确定对于整 个气弹簧选型环节尤为关键有了a1 点，便可结合气弹簧展开长度确定下 支撑点b，通常选择各厂家气弹簧展开 长度的标准尺寸，也可以根据实际情 况进行定做 2.2 工作行程的确定 气弹簧的工作行程为气弹簧的展 开长度与压缩长度的差值通过图2 可知，当上支撑点转到a2的位置时， 为气弹簧在该工作过程中缩到最短位 置的点，若气弹簧的工作行程＜(S1－ S2)的差值，即压缩长度＞S2时，就会 出现门无法关闭的现象，考虑安装误 差，故需要加上50 mm安全尺寸，即 最小行程为S1－S2+50 mm，当然也 可以选更大的行程，但最大不得超过 1/2(S1－100) mm，因为活塞杆不可 能完全没入气缸内，其中100 mm为 气弹簧两端连接头及工艺尺寸由此 可见，气弹簧行程可选范围为：S1－ S2+50 mm～1/2(S1－100) mm 2.3 支撑力的确定 如图2所示，门处于静止状态， 假设气弹簧的支撑力与门的重力关于 铰接点的力矩平衡，那么可以得出： 2FM=GL，F为单根气弹簧支撑力，G 为门的重力换算后得F=(1/2)GL/M， 门处于开启时力矩平衡，若受到风力 或其他外力，门就会向下摆动，为保 证门处于开启状态时除克服门自身重 力外仍有富余力克服其他外力，还需 要考虑1.1～1.2的安全系数，故气弹簧 支撑力F的公式为(下式为1.1系数)： F=(1.1/2)mgL/M 式中，m为门的自质量，g为重力 加速度，取g=10 kg/s2。

在门绕O点转动过程中，还可以通 过改变S1的大小来控制门的角度，角 度大小随S1大小变化从图2所示气弹 簧运动轨迹上可以很清楚地看出，开 启角度处于直角时门重力对应的O点力 臂为最大值，产生的力矩也最大，因 此只需以门开启90°时计算所得F的力 值便可满足气弹簧的正常工作，而且 不需要太大的力便可将门关闭 2.4 连接方式 气弹簧的连接方式主要有两类： 销轴式铰链和球头式铰链球头式铰 链又分为金属球头式和塑料球头式2 种，如图3所示 销轴式连接，其可靠性较好，但 对气弹簧的使用有较高的方向要求， 即气弹簧在运动过程中，其相对于销 轴的轴向摆幅应在±5°以内球头式 连接，其受力均匀，对气弹簧的使用 方向性要求较低(可达±30°以内) 根据使用情况选择正确的连接方式， 尤其需要注意若安装的摆幅角度很大 时，应对气弹簧的支撑力依据合力、 分力计算，在此不再赘述 3 注意事项 气弹簧在安装使用时也会存在一 些误区，比如经常有人提出气弹簧自 锁的问题，要求装配厂家将气弹簧的 上下支撑点做成反角状态，即上支撑 点要向门内偏于下支撑点，以免门自 a.销轴式铰链 b.金属球头式铰链 c.塑料球头式铰链 图3 气弹簧的连接方式 底盘与配件 Chassis and Parts与配件 专 1012012.10Commercial Vehicle 商用汽车 专用汽车与配件 Special Purpose Vehicle & Parts 中心处于门外侧，门在a3点的受力有2 处，一处是来自于气弹簧的力N1，另 一处是来自于铰链中心的力N2，两个 力的合力必然是N的方向，也就是朝门 内侧。

因此，下支撑点水平安装尺寸 只要是不超过N2方向的延长线，合力 方向必朝门内，也就是气弹簧有自锁 功能，一般是上下支撑点水平安装尺 寸相同，再配合门锁使用就能达到安 全使用的功能 另外，气弹簧安装时需将气缸朝 上，活塞杆朝下(见图5b)，原因是气缸 内存有油液，油液起到润滑保护活塞 杆及阻尼的作用；若反向安装(见图5a) 油液会在长期重力的作用下，沉积到 气缸底部而不利于起到保护气弹簧的 作用 合格的气弹簧在密封性、恒定 性、精确性方面都会有很高的要求 若使用过程中气弹簧出现漏油/漏气、 工作行程中支撑力值出现较大变化、 实际支撑力值与要求值偏差较大等现 象时，说明气弹簧存在不合格因素， 使用者在甄别气弹簧厂家时可根据以 上功能判别优劣 4 结束语 综上对气弹簧的原理、选型及一些 注意事项进行了整理和经验总结，以 便能给相关的技术人员提供参考 (注：本文作者单位系山东科瑞集 团恒业石油新技术应用有限公司) a.错误安装 b.正确安装 图5 常见安装方式 图4 上支撑点受力简图 我国明确“十二五”减排５大重点工程 2012年8月6日，国务院印发的《节能减排“十二五” 规划》，对有关领域、行业的节能减排提出了明确的任务 和要求，侧重于重点行业、领域节能减排措施的细化和目 标的量化，确定了５方面的主要污染物减排重点工程，其 中一方面是控制机动车污染物排放。

5方面要点如下： 一是以城镇污水处理设施及配套管网建设、现有设施 升级改造、污泥处理处置设施建设为重点，提升脱氮除磷 能力 二是以制浆造纸、印染、食品加工、农副产品加工等 行业为重点，继续加大水污染深度治理和工艺技术改造 加强“三河三湖”、松花江、三峡库区及上游、丹江口库 区及上游、黄河中上游等重点流域和城镇饮用水水源地的 综合治理推动受污染场地、土壤及其周边地下水污染治 理，重点推进湘江流域重金属污染治理 三是推进脱硫脱硝工程建设完成5 056万kW现役燃 煤机组脱硫设施配套建设，对已安装脱硫设施但不能稳定 达标的4 267万kW燃煤机组实施脱硫改造，完成４亿kW现 役燃煤机组脱硝设施建设，对7 000万kW燃煤机组实施低 氮燃烧技术改造 四是开展农业源污染防治以规模化养殖场和养殖小 区为重点，鼓励废弃物统一收集，集中治理 五是控制机动车污染物排放加快淘汰老旧车辆， 全面推行机动车环保标志管理 通过实施减排重点工程，“十二五”时期共形成420 万t化学需氧量、277万t二氧化硫、40万t氨氮、358万t氮 氧化物减排能力 (据新华社) 政策动态 气缸 活塞杆 动开启而会产生不安全的因素。

其实 这可用上支撑点的受力简图进行分析 其合理性如图4所示的门铰链铰接 。