空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)

空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)及分類近年來，非線性課題一直是各學(xué)科的研究前沿，在隔振領(lǐng)域也不例外。隨著隔振設(shè)計(jì)中對(duì)隔振系統(tǒng)各種性能指標(biāo)要求的提高，迫使人們不斷探索新型的隔振器。非線性隔振器能夠自動(dòng)避開共振，有效抑制振動(dòng)幅值、隔離沖擊，因而受到廣泛的關(guān)注。線性隔振器卻不能自動(dòng)避開共振。非線性隔振器的剛度是隨隔振器變形量的不同而變化的，因而由非線性隔振器組成的隔振系統(tǒng)其固有頻率與振動(dòng)幅值有關(guān)。如果隔振器是非線性硬特性的，固有頻率隨振幅的增加而上升；如果隔振器是非線性軟特性的，固有頻率隨振幅的增加而下降。當(dāng)設(shè)備在啟動(dòng)過程中經(jīng)過共振點(diǎn)時(shí)，被隔振設(shè)備的振動(dòng)幅值將出現(xiàn)峰值，高出靜態(tài)位移許多倍。隨著振幅的迅速增長，由非線性隔振器組成的隔振系統(tǒng)其固有頻率將上升或下降，從而避開共振頻率。對(duì)于線性隔振器，其剛度值是不變的，只能通過阻尼作用控制共振振幅。但是過了共振點(diǎn)之后，隔振器的隔振效率因?yàn)樽枘岬淖饔枚陆?。此外非線性隔振器還能有效防止沖擊。對(duì)于非線性硬特性的隔振器其剛度隨變形量的增加而上升，遇到?jīng)_擊時(shí)，簧上載荷的加速度隨變形量的增加而增大，因而在較小的變形下沖擊速度迅速降低。對(duì)于非線性軟特性的隔振器其剛度隨變形量的增加而降低，因而能夠起到緩沖作用，但隔振器的變形量較大。在很多情況下不允許有太大的變形量，就應(yīng)該選擇非線性硬特性隔振器來防止沖擊。根據(jù)上述分析，空氣彈簧是一種理想的隔振元件。空氣彈簧是在柔性密閉容器中加入壓力空氣，利用空氣壓縮的非線性恢復(fù)力來實(shí)現(xiàn)隔振和緩沖作用的一種非金屬彈簧。它具有優(yōu)良的非線性硬特性，因而能夠有效限制振幅，避開共振，防止沖擊。空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率可以設(shè)計(jì)得很低，甚至達(dá) 1Hz 以下，而橡膠隔振器的自振頻率一般為 5-7 H z 。所以空氣彈簧的隔振效率比起其它隔振元件高得多，而且能夠隔離低頻振動(dòng)。特別是因?yàn)榭諝鈴椈筛粽裣到y(tǒng)容易實(shí)施主動(dòng)控制，作為一種具有可調(diào)非線性靜、動(dòng)態(tài)剛度及阻尼特性的隔振元件，空氣彈簧的應(yīng)用越來越廣泛。1.2 空氣彈簧的分類及特點(diǎn)1.2.1 空氣彈簧的分類目前國內(nèi)、外對(duì)空氣彈簧的分類方法很不統(tǒng)一，大致有下列幾種：（一） 按橡膠囊的曲數(shù)分類空氣彈簧按橡膠囊的曲數(shù)分為單（一）曲，雙（二）曲，三曲， ， n 曲，如圖 1-3 和圖 1-4 所示。隨著曲數(shù)的增加，剛度變小，空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率也相應(yīng)減小。但這不僅給制造上帶來了麻煩，而且還會(huì)引起橡膠囊的彈性不穩(wěn)，因此一般只使用到 4 曲。（二） 按結(jié)構(gòu)型式分類1. 日本空氣彈簧一書中的分類：膠囊型空氣彈簧： 輪胎型 圖 1-3 (c 平板型 圖 1-3 (a、(b 耳垂型 圖 1-4 (b 2. 我國的分類：空氣彈簧： 囊式空氣彈簧 圖 1-2、1-3 約束膜式空氣彈簧 圖 1-4 (a 自由膜式空氣彈簧 圖 1-4 (b 其他囊式空氣彈簧 囊式空氣彈簧是由橡膠膜制成的提燈（燈籠）形結(jié)構(gòu)，可以是一段或由數(shù)段串接而成，分別稱為單曲、雙曲或多曲囊式空氣彈簧。在各段之間鑲有金屬輪緣，借以承受內(nèi)壓張力的作用。膜式空氣彈簧 膜式空氣彈簧的構(gòu)造是在金屬外筒與內(nèi)筒，或缸筒與活塞之間放置橡膠膜，通過膜的變形實(shí)現(xiàn)整體伸縮。在外筒的內(nèi)壁與內(nèi)筒的外壁上預(yù)先給出適當(dāng)?shù)膬A斜或曲面，據(jù)此橡膠膜伸縮時(shí)可沿該壁面發(fā)生變形，受壓面積隨變形而變化。這就可以獲得在額定高度下很軟，而在大位移時(shí)變硬的特性，即合適的非線性彈性特性。膜式空氣彈簧又分為約束膜式和自由膜式。（三） 按角度是否變化分類1. 只有內(nèi)角發(fā)生變化，外角不發(fā)生變化的空氣彈簧，稱為內(nèi)角變型空氣彈簧；2. 只有外角發(fā)生變化，內(nèi)角不發(fā)生變化的空氣彈簧，稱為外角變型空氣彈簧；3. 內(nèi)角和外角都發(fā)生變化的空氣彈簧，稱為雙變角型空氣彈簧；4. 內(nèi)角和外角都不發(fā)生變化的空氣彈簧，稱為不變角型空氣彈簧。(a(b(c圖 1-3 囊式空氣彈簧橡膠囊模型(a 雙曲 (b 三曲 (c 單曲(a (b圖 1-4 膜式空氣彈簧橡膠囊模型(a 約束膜式 (b 自由膜式1.2.2 空氣彈簧的特點(diǎn)空氣彈簧由于其特殊的材料和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，因而具有金屬彈簧和橡膠彈簧所沒有的特點(diǎn)：1）空氣彈簧具有優(yōu)良的非線性硬特性，能夠有效限制振幅，避開共振，防止沖擊。空氣彈簧的非線性特性曲線可按實(shí)際需要進(jìn)行理想設(shè)計(jì)，使其表現(xiàn)為在額定載荷附近具有較低的剛度值。2）由于空氣彈簧所采用的介質(zhì)主要是空氣，因而容易實(shí)施主動(dòng)控制。3）空氣彈簧的剛度k 隨載荷 P 而變，所以在不同載荷下，其隔振系統(tǒng)固有頻率 幾乎不變，隔振效果也幾乎不變。螺旋鋼彈簧的載荷 P 撓度 x 特性曲線如圖 1-5 所示，它是一條直線，即剛度不變。在承受不同載荷時(shí)，螺旋鋼彈簧 質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率相差很大，固有頻率計(jì)算公式為： =k鋼 ?g P （1-3）式中： 為系統(tǒng)的固有頻率（ H z ）； k 鋼為螺旋鋼彈簧的垂向剛度； P 為簧上載荷； g 為重力加速度。載荷 P 頻率 曲線如圖 1-6 所示，可以看出：系統(tǒng)固有頻率 隨載荷 P 的增加而降低。即：重載時(shí)系統(tǒng)固有頻率低，輕載時(shí)固有頻率高。換言之，如果重載時(shí)隔振性能好，則輕載時(shí)隔振性能差，二者不可兼顧。P圖 1-5 螺旋鋼彈簧的載荷 撓度曲線圖 1-6 螺旋鋼彈簧的載荷 頻率曲線空氣彈簧的載荷 P 撓度 x 特性曲線如圖 1-7 所示，它是非線性的，就是說垂向剛度是變化的，且垂向剛度隨著載荷的增加而變大。理論和實(shí)踐證明：空氣彈簧的工作高度不變時(shí)，無論輕載還是重載其固有頻率幾乎不變。空氣彈簧的固有頻率計(jì)算公式為： =k氣 ?g P （1-4）式中： K 氣為空氣彈簧的垂向剛度。由式（ 1-2）知，當(dāng)載荷 P 增加時(shí)， K 氣也變大，而固有頻率 在數(shù)值上基本不變，如圖 1-8 所示。所以無論是重載還是輕載都能保證很好的隔振效果。P圖 1-7 空氣彈簧的載荷 撓度曲線圖 1-8 空氣彈簧的載荷 頻率曲線4）空氣彈簧的剛度具有可調(diào)性，可借助改變氣室的容積或內(nèi)腔壓力來改變系統(tǒng)的剛度。不管載重量多少，都可以根據(jù)需要改變空氣壓力，來調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度，也可以用增加輔助空氣室的辦法增加其內(nèi)容積，以減小剛度。5）對(duì)于同樣大小的空氣彈簧，當(dāng)內(nèi)壓力改變時(shí)，可以得到不同的承載能力。這使得同一種空氣彈簧可以適應(yīng)多種載荷的要求，因此經(jīng)濟(jì)性好。空氣彈簧在承受垂向載荷的同時(shí)，也能承受一定橫向載荷和傳遞扭矩。6）增大空氣彈簧的總?cè)莘e，能降低隔振系統(tǒng)的固有頻率，這是空氣彈簧獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 空氣彈簧本體的容積，由于結(jié)構(gòu)空間的大小受到一定的限制，不可能太大，為降低隔振系統(tǒng)的固有頻率，可以設(shè)輔助空氣室，輔助空氣室可以布置在遠(yuǎn)離空氣彈簧的地方。輔助空氣室的容積增大，即增大了空氣彈簧的總?cè)莘e，空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率降低。7）空氣彈簧可以利用高度控制閥系統(tǒng)，使空氣彈簧在不同載荷下，保持工作高度基本不變。同樣，也可以通過高度控制閥的作用，使空氣彈簧在一定的載荷下具有不同的高度，因而能適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)上的要求。8）空氣彈簧能吸收高頻振動(dòng)，隔音性能極好?？諝鈴椈芍饕怯上鹉z囊和空氣組成的。在振動(dòng)過程中，橡膠囊由于伸縮、翹曲，有很小的內(nèi)摩擦，所以很難傳遞高頻振動(dòng)?？諝夂拖鹉z不容易傳遞聲音，因此具有很好的隔音性能。而鋼彈簧既容易傳遞高頻振動(dòng)，又容易傳遞聲音。9）若在空氣彈簧主氣室和輔助氣室之間設(shè)置節(jié)流孔，當(dāng)空氣彈簧振動(dòng)變形時(shí)，主、輔氣室之間將產(chǎn)生壓力差，空氣流過節(jié)流孔由于阻力而吸收一部分能量，因而具有阻尼作用。合適的節(jié)流孔徑能改善隔振系統(tǒng)的阻尼特性，有效地抑制共振振幅。10）空氣彈簧重量輕。其本體除了橡膠囊和幾乎沒有重量的空氣以外，就是上蓋和下蓋，因此比鋼彈簧輕得多。