气弹簧选型的设计思路.pdf

1、底盘与配件 Chassis and Parts 与配件专992012.10 Commercial 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

2、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

3、 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

4、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

5、 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100 2012.10Commercial 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

6、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

7、 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

8、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

9、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

10、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

11、 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 (S1S2)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

12、及 工 艺 尺 寸 。 由 此可 见 ， 气 弹 簧 行 程 可 选 范 围 为 ： S1S2+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

13、 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

14、 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

15、 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

16、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1012012.10 Commercial 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

17、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

18、 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

19、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，确定了方面的主要污染物减排重点工程，其中一方面是控制机动

20、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