气弹簧广泛运用在汽车行业,医疗行业,纺织机械,工程机械,木工机械,家用橱柜,沙发床具,办公设备,环保设备,通讯设备,分析仪器等等。不起眼的外貌,默默无闻地工作,使人们对它了解不多。
一、气弹簧基本知识(摘编了网上资料)
下面是几幅起支撑杆作用的气弹簧运用图片:
气弹簧外观很简单,中间是钢管体气缸、活塞杆,两端是固件螺栓:
气弹簧定义: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和液体为工作介质的一种弹性元件。对某些运动件提供一定的支撑力——支撑杆;对某些运动件提供缓冲——减震器。
气弹簧种类:主要有自由型气弹簧、自锁型气弹簧、随意停气弹簧、牵引式气弹簧、阻尼器几种。1、自由型气弹簧(支撑杆)又称标准型,是应用最为广泛的气弹簧。它主要起支撑作用,只有最短、最长两个位置,在行程中无法自行停止。在汽车、纺织机械、印刷设备、办公设备、工程机械等行业应用最广。2、自锁型气弹簧(调角器、气压棒)在医疗设备、座椅等产品上应用的最多。该种气弹簧借助一些释放机构可以在行程中的任意位置停止,并且停止以后有很大的锁紧力(可以达到10000N以上)。3、随意停气弹簧(摩擦式气弹簧)主要应用在厨房家具、医疗器械等领域。它的特点介于自由型气弹簧和自锁型气弹簧之间:不需要任何的外部结构而能停在行程中的任意位置,但没有额外的锁紧力。4、牵引式气弹簧是一种特殊的气弹簧:别的气弹簧在自由状态的时候都处在最长的位置,即在受到外力后是从最长的位置向最短的位置运动,而牵引式气弹簧的自由状态在最短的位置,受到牵引时从最短处向最长处运行。牵引式气弹簧中也有相应的自由型、自锁型等。5、阻尼器在汽车和医疗设备上都用得比较多,其特点是阻力随着运行的速度而改变。可以明显的对相连的机构的速度起阻尼作用。
气弹簧结构(以标准型为例):
由缸筒、活塞、活塞杆及若干联接件组成,其内部充有高压氮气和液压油。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,在气体压力作用下,产生向截面积小的一侧的压力,即气弹簧的弹力,弹力的大小可以通过设置不同的氮气压力或者不同直径的活塞杆而设定。弹簧结构虽然简单,但由于内部气压高,耐用安全性要求高,有特殊的工艺要求。国外在1875年就注册了气弹簧第一个专利,国内一直到上世纪90年代初才开始国产化。下面是本拆机绘制的结构图:
气弹簧工作原理:
同一压强的高压气体作用在不相等的受力面积上,从而产生不同的压力,形成压力差。在气弹簧缸筒内充有高压气体,气体压强P分别作用在活塞两端的端面。活塞无杆侧的端面积为S1,受到的压力为F1=P×S1;活塞有杆侧的受力端面积为(S1-S2),S2是活塞杆的端面积,受到的压力为F2=P×(S1-S2),由于气体分别作用于活塞有杆侧面和无杆侧面的压力不一样,因此形成了活塞杆的输出推力F=P×S2,见下图。
为了避免气弹簧推动质量物体时,在伸展行程最终阶段产生的惯性冲击,在气弹簧中注入少量液压油,并在活塞上设置阻尼通道,形成阻尼力。 温度对气弹簧的影响:气弹簧的弹力受温度影响。温度变化1°C,压力变化1/273。(例如:温度上升10°C,F1值增加3.5%)某品牌390N的气弹簧,当从20°C被加热到80°C时,伸展弹力从390N上升到475.5N。温度的影响在一些应用中必须要考虑到。
二、气弹簧拆解及零件
1、本次拆机的主角:
一款1993年生产的日本轿车引擎盖气弹簧支撑杆(报废车拆机件),属于自由型气弹簧(标准型),行程125mm,缸筒长度185mm。
一端为万向球头式铰链:
另一端为销轴式铰链:
缸筒外壳贴的警示语:“内有高压气体,不要分拆、戳破、加热和火烤”
气弹簧型号:5GC09 W378,标称工作弹力378N(牛顿)即38.56公斤力(1N=0.102Kg力)
活塞杆经过多道精细研磨工序后抛光,表面为镀鉻处理:
活塞杆与缸筒的动密封非常好,20年时间过去了,内部还有气压:
缸筒外径22mm,活塞杆直径10mm,按结构计算,最大公称力可达800N,对于标称工作弹力378N(牛顿)而言,机械强度足够:
用人体秤量一下弹力(气温21℃):压缩状态,一只25公斤力(245.1牛顿),另一只35公斤力(343.1牛顿),与出厂标准38.56公斤力(378牛顿)比,有了不同程度衰减,也不低啊!
2、拆解
拆解前,必须先钻孔泄压!
将气弹簧牢牢地固定在钻床夹具上,用3毫米钻头在缸筒上钻一个孔,这个孔必须离缸筒底端20毫米以上。
由于气缸内有高压,慢慢下钻,防止气流冲到人面部:
缸内的液压油流出来了:
再用砂轮切割机切断气缸:
3、气弹簧零件
下图是活塞:
固定活塞的螺钉螺纹被三点“坯死”,防止松动:
旋下活塞杆端活塞固定螺帽,取出活塞组件:
活塞组件:固定螺帽、活塞、密封橡胶圈、阻尼片、活塞杆
活塞用钢制作,有四个通孔:
两个阻尼片也是用钢制作:
将活塞组件装还原,活塞表面有许多纹路,是为了形成阻力更大的油膜:
对比活塞两端的图片,气弹簧工作时,缸筒内的高压油气混合物通过活塞两端的通孔流动:
为了观看活塞杆运动时的特殊密封导向块,再用砂轮机磨开缸筒:
用钢戳剔开缸筒壁:
特殊密封导向块:采用耐高温高机械强度的Duroplast脲醛硬质塑料材料制成,孔内分别有气密封环纹,保证长期高压使用不漏气:
凹型密封圈:弹性橡胶材质,夹在两个特殊密封导向块中间,阻挡液压油外泄。
为了增强凹型密封圈的强度,背面用了钢圆片作支撑
气弹簧缸筒:用无缝钢管制成,管壁厚度1mm,内部经过高精度内园磨床精细研磨。
“全家福”图片:
三、气弹簧使用注意事项:
通过拆解,看似简单的气弹簧却有着特殊的内部结构,安装使用要注意以下事项(摘引了网上资料):
气弹簧安装提示:气弹簧可以安装在任何位置。最佳的位置是让活塞杆朝下。当活塞朝上时,需要使用一种空间衬垫系统。气弹簧不允许承受任何的弯曲力!这将引起气封的受损!当气弹簧完全伸展开以后,它不允许承受任何的拉力!气弹簧应该安装在无机械碰撞或无灰尘,油漆,化学原料等污染源的位置。避免缸筒的变形。
气弹簧保存:气弹簧可以在三个月以内以任意状态保存。如果保存期限在三个月以上,气弹簧必须以活塞杆向下的状态保存。在没有使用过的情况下,气弹簧的最长保存期为六个月。
气弹簧的主要失效模式:由于缸筒端部密封圈老化,导致缸筒漏气(油),气弹簧举伸无力。
活塞密封环老化,导致活塞密封不良,气弹簧举伸无力。活塞杆体生锈,影响其与缸筒间的密封性。
气弹簧废弃的注意事项:由于气弹簧内部的压力高达10~几十公斤/平方厘米,即使长期使用后性能衰减,内部的压力也不低,为避免安全事故,气弹簧在废弃之前必须安全解压。对于未解压的气弹簧,不要让小孩玩;回收废品时,不能用气焊切割气弹簧、不能扔进熔炉;避免发生人身安全事故。
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