介紹
氮氣彈簧是一種具有彈性功能的部件。它將高壓氮氣密封在確定的容器中， 外力通過柱塞桿將氮氣壓縮， 當外力去除時靠高壓氮氣膨脹來獲得一定的彈壓力。氮氣彈簧具有體積小、彈力大、壽命長、彈壓力恆定等優點，廣泛套用於模具、汽車、電子、儀表等工業領域。氮氣彈簧技術有著其自身的特點和一定的使用範圍， 彈簧壓力是否恆定是衡量其性能優劣的一個重要指標。一個氮氣彈簧在不大的體積內，要釋放很大的力量，而這個過程又要反覆進行，因此，要保持其工作穩定性，首先要保證氮氣彈簧製造時氮氣充氣壓力的一致性。在氮氣彈簧的生產過程中，主要還是依靠傳統的人工方法來控制彈簧內氮氣的壓力， 不僅誤差較大，而且生產效率低、勞動強度高。
針對氮氣彈簧的研究主要側重於其結構設計、加工工藝、潤滑密封、套用等方面，而對其質量的控制， 特別是涉及充氣壓力控制的論文幾乎沒有。設計一種壓力可調的氮氣彈簧自動充氣機，使其能夠代替人工，並在一定的壓力範圍內實現任給壓力充氣，以提高充氣精度、改善充氣效率、降低勞動強度 。
設計要求
氮氣彈簧自動充氣機要達到以下設計要求：
（1）充氣壓力：2～5MPa任意可調；
（2）充氣速度：450個/h；
（3）充氣精度：±0.1 MPa；
（4）夾緊機構：帶有自鎖功能；
（5）總體要求：安全穩定。
產品特徵
1、採用直驅式強勁大馬達，無齒輪磨擦噪音，短時間完成充氣。
2、鋼製機器、超強壓力，超強耐用，保障連續充氣；採用不鏽鋼密氣閥門，高質量輸出氣壓。
3、超長5米電源線、高品質高壓空氣管（附銅接頭）。
4、附整套充氣氣嘴，適用於輪胎、橡皮艇、氣墊、充氣玩具、球類充氣及其他多種用途。
5、無油型設計，清潔環保。配備過流防衝擊保險片，確保全全使用。
6、高品質、小體積、攜帶與貯放方便 。
設計關鍵技術
夾緊機構
（1）夾緊方案的確定
從夾具的角度來看，常用的夾緊機構有螺紋夾緊、斜楔夾緊、偏心輪夾緊、氣動夾緊等幾種。由於氮氣彈簧的充氣壓力將達到2～5MPa，屬於高壓工況的範疇，對操作人員存在一定的安全風險，因此夾緊機構的安全性與穩定性就顯得尤為重要。螺紋夾緊自鎖性好，但工作效率較低；斜楔夾緊在確保自鎖的前提下，摩擦角較小，因此工作行程較長，從而影響了夾緊的效率；氣動夾緊和聯動夾緊的反作用力直接作用於氣缸，自鎖性無法得到保證。
鑒於此，螺紋夾緊成為夾緊方案的首選，考慮到其工作效率較低，採用氣缸驅動的螺紋夾緊方案，以便在自鎖性能和工作效率上達到完美的結合。
在氣缸的作用下，齒條帶動齒輪旋轉，齒輪又帶動壓緊螺桿2 旋轉，從而實現對氮氣彈簧的夾緊與鬆開。
（2）密封方案的確定
在氮氣彈簧的充氣過程中，必須在氮氣彈簧底部（氮氣彈簧充氣口所在部位）和定位密封體定位孔之間形成一個密閉的空間，以便氮氣能夠充進彈簧。O形圈密封是一種典型的擠壓型密封，鑒於其通用性及成熟度，採用O形圈進行密封。O形圈一般安裝在密封溝槽內，但是O形密封圈的密封效果在很大程度上取決於O形圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配，形成合理的密封圈壓縮量與拉伸量。如果O形圈壓縮量過小，就會引起泄漏；反之，如果壓縮量過大，則會導致O形密封圈橡膠應力鬆弛，引起泄漏。
（3）夾緊力的確定
根據生產實際， 工廠能夠提供的工作氣源氣壓一般大於0.3MPa，因此，以0.3MPa 作為夾緊氣缸的工作壓力，氣缸所需截面積為：S=5.14/0.3=17.143 cm =1 714.3 mm 參考AirTac 氣動元件樣本手冊，選取氣缸缸徑50mm，桿徑為20mm。
設計壓緊螺桿上下行程為12mm，根據螺桿螺距，則每次壓緊過程，螺桿要轉12/5=2.2圈，由於齒輪節圓直徑為32mm，因此氣缸所需行程為：L=32×2.2×π=221.168 mm所以，氣缸行程取為250 mm。
（4）夾緊過程氣動迴路的設計夾緊機構及氣缸選定後，即可設計該氣動控制迴路。
需要特彆強調的是，由於摩擦力的存在，氣動螺紋自鎖夾緊機構在鬆開時，要抵消一部分摩擦力，即鬆開瞬間的力要大於夾緊力，因此，在設計過程中，要確保氣動螺紋自鎖夾緊機構在常態下（即電磁閥斷電時）氣缸處於伸出狀態，此時自鎖夾緊機構處於鬆開狀態，當給電磁閥通電時，氣缸收回，此時自動夾緊機構處於夾緊狀態。
高壓充氣迴路
（1）穩壓的實現
一方面，在對氮氣彈簧進行充氣時，壓力的穩定性十分重要；另一方面，由於氮氣彈簧氣腔較小，充氣時間極短，容易造成衝擊，因此如何保證充氣過程中充氣壓力的穩定是高壓充氣迴路設計的難點。該充氣機通過在充氣迴路中加入一個容積遠大於氮氣彈簧氣腔的穩壓蓄能器來解決這個問題。通過壓力繼電器的控制，可以確保穩壓蓄能器中的壓力一直處於設計的壓力範圍， 然後通過穩壓蓄能器中穩定的高壓氮氣給彈簧充氣，而不是直接由高壓氮氣瓶向彈簧充氣。該方法不僅在理論上可行，同時也能夠較大地改善氮氣彈簧的充氣精度。
（2）充氣結束後高壓氣體的處理
氮氣彈簧的充氣壓力需達到2～5 MPa，相當於最高時要達到50 個標準大氣壓，因此，在充氣結束，夾緊機構鬆開時，由於定位密封體記憶體在殘餘的高壓氣體，衝擊和噪聲非常大，容易引起安全隱患，必須在夾緊機構鬆開前，先把定位密封體內的殘餘高壓氣體排出， 這也是在進行高壓氣路設計時必須考慮的問題。
（3）高壓氣路圖的設計
穩壓蓄能器由壓力繼電器控制，壓力繼電器的控制精度可達到±0.1MPa。
檢測穩壓蓄能器中的氮氣壓力是否達到充氣要求，如果達到充氣要求，則電磁閥通電，系統開始充氣；如果壓力低於設定的最低值時，則電磁閥斷電，然後通過壓力繼電器打開電磁閥，高壓氮氣瓶向穩壓蓄能器補充高壓氮氣；當壓力達到預先設定的最大值時，通過壓力繼電器斷開電磁閥。這一過程可以始終確保穩壓蓄能器中壓力的穩定。
充氣時，首先判斷電磁閥是否斷開，如果斷開，則可以開始充氣。此時，電磁閥通電，穩壓蓄能器與氮氣彈簧接通，其提供的壓力穩定的高壓氮氣充進彈簧。
充氣結束後，電磁閥斷開，然後電磁閥通電，將定位密封體內的殘餘高壓氣體排出 。
實現過程
自動充氣機的最終結構設計：
高壓氣路中，電磁閥是由壓力繼電器控制的。當穩壓蓄能器中的壓力低於預先設定的值，則電磁閥通電；當穩壓蓄能器中的壓力高於預先設定的值，則電磁閥斷開。
氮氣彈簧的自動充氣過程如下：
充氣前：當感測器和檢測到氮氣彈簧裝入定位密封體內後，同時按下聯動開關，電磁閥通電，從而氣缸收回，氮氣彈簧被夾緊，完成充氣前的準備工作。
補氣時：上述準備結束後，高壓充氣迴路接到開始充氣的信號。此時，由壓力繼電器判斷穩壓蓄能器中的氮氣壓力是否達到充氣要求，如果達到充氣要求，則開始充氣；如果壓力低於設定的最低值時，電磁閥首先斷電， 然後壓力繼電器打開電磁閥， 高壓氮氣瓶向穩壓蓄能器補充高壓氮氣；當壓力達到預先設定的最大值時，壓力繼電器斷開電磁閥。這一過程可以始終確保穩壓蓄能器中壓力的穩定。
充氣時：首先判斷電磁閥是否斷開，如果斷開，則可以開始充氣。此時，電磁閥通電，穩壓蓄能器提供的壓力穩定的高壓氮氣充進彈簧。
充氣後：電磁閥斷開，並接通電磁閥，將定位密封體內的高壓殘餘氣體排出；然後給氣動自鎖夾緊機構發出信號，使電磁閥反向接通，夾緊機構鬆開。單個彈簧充氣過程結束 。
總結
研究了一種在一定範圍內壓力任意可調的氮氣彈簧自動充氣機，該機器有如下優點：
（1）充氣壓力任意可調。通過調節壓力繼電器的閥值，可以在2～5MPa之間的任意壓力下對氮氣彈簧進行充氣，很好地滿足了產品多樣性的要求。
（2）充氣精度高。高壓氮氣不直接充入氮氣彈簧，而是通過穩壓蓄能器提供壓力穩定的高壓氣體，不僅消除了充氣過程中的衝擊和噪聲，也使得充氣精度得到很大的提高。
（3）操作方便，自動化程度高。除了上下料之外，所有過程自動完成，使得生產效率得到了很大的提高，降低了工人勞動強度。
（4）安全性高。夾緊機構採用螺紋夾緊，自鎖性能好，對於高壓充氣這樣的工況，設備安全可靠；同時設計中加入了工件入位感測器和聯動開關，消除了工人的誤操作風險 。
