汽車空氣彈簧的應(yīng)用

編號：時間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟頁碼：第8頁 共8頁空氣彈簧在汽車上的應(yīng)用    空氣彈簧是汽車空氣懸架系統(tǒng)的和重要組成部分，它利用空氣的壓縮彈性進行工作，具有緩沖、減振和承載重量等功能?？諝鈴椈删哂袃?yōu)良的彈性特性，與普通鋼制彈簧相比有許多優(yōu)點，因而其應(yīng)用范圍十分廣泛。將空氣彈簧用于汽車懸架系統(tǒng)可大大提高汽車的行駛平順性和舒適性。    1934年，費爾斯通公司研制出膜片式空氣彈簧并首先在美國通用客車上試應(yīng)用成功。20世紀(jì)50年代中期，空氣彈簧產(chǎn)品經(jīng)過多年的研發(fā)和試驗，有關(guān)技術(shù)逐步成熟，裝有空氣懸架的客車開始在美國、德國得到大批量推廣應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來，世界上主要的發(fā)達國家為了減少車輛對道路的破壞和增加車輛的舒適性，在客車上幾乎全部使用了空氣彈簧，重型商用車上的使用率也超過了80%。    空氣彈簧的種類    空氣彈簧由橡膠氣囊、上蓋板、底座、輔助氣室，夾緊環(huán)和緩沖塊等組成。根據(jù)橡膠氣囊工作時變形式的不同，空氣彈簧的結(jié)構(gòu)形式主要分為膜式空氣彈簧、囊式空氣彈簧和混合式空氣彈簧3種(見圖1)。膜式空氣彈簧是圓柱形結(jié)構(gòu)，根據(jù)橡膠氣囊止口與接口的連接方式，膜式空氣彈簧又分為約束膜式和自由膜式。約束膜式空氣彈簧一般用螺栓夾緊密封，自由膜式空氣彈簧則采用橡膠氣囊內(nèi)的壓力自封。囊式空氣彈簧的外形結(jié)構(gòu)有些象燈籠，有單曲、雙曲或多曲囊式空氣彈簧。早期的商用車上主要使用雙曲囊和三曲囊式空氣彈簧。近期膜式空氣彈簧的用量逐步增加，是因為膜式空氣彈簧具有行駛平順性好和行程大的優(yōu)點。    不同種類空氣彈簧的使用區(qū)別    1.膜式空氣彈簧(1)有效面積變化率較小，因此其剛度較低，易于得到較低的固有頻率。(2)通過改變活塞底座的形狀和利用活塞底座的空心內(nèi)腔增加出儲氣空間，優(yōu)化其剛度特性，從而獲得理想的非線性特性。(3)結(jié)構(gòu)較為簡單，便于大量生產(chǎn)。(4)橡膠氣囊的工作條件更為苛刻，耐久性和使用壽命比囊式空氣彈簧低。    2.囊式空氣彈簧    一般在各曲之間鑲有箍帶，以使各曲之間的中間部分不致徑向擴張，并可防止各曲之間的互相摩擦。囊式空氣彈簧具有以下特點。    (1)由于底部沒有活塞，囊式空氣彈簧的標(biāo)準(zhǔn)高度可比膜式空氣彈簧低。    (2)有效承壓面積變化率在工作時較大，彈簧的剛度較大、固有頻率較高。    通過增加曲囊和設(shè)置輔助氣室可以減小彈簧剛度、降低空氣懸架固有頻率，但是增加氣囊曲數(shù)或設(shè)置輔助氣室，將使幾何尺寸變化較大，因此曲囊數(shù)和輔助氣室結(jié)構(gòu)要受整車總結(jié)構(gòu)布局的限制。    3.混合式空氣彈簧    混合式空氣彈簧兼有膜式空氣彈簧與囊式空氣彈簧的特點，它的氣囊上部與囊式氣囊上部基本相同，下部則與膜式氣囊類似，混合式空氣彈簧運動時在活塞的表面滾動。    空氣彈簧的密封方式    氣囊上、下口連接密封的裝配形式有機械式連接和自壓式連接。機械密封式的優(yōu)點是連接牢固、密封較為可靠，不易發(fā)生氣囊開脫現(xiàn)象，適用于因道路條件較差或其他原因造成車輪相對車身垂直位移較大的工況。壓力自封式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、氣囊拆裝較為方便，適用于在道路條件較好的車輛上使用。    空氣彈簧的主要特點    (1)空氣彈簧具有非線性特性，剛度和承載能力可以調(diào)節(jié)，其剛度隨載荷的變化而變化?？諝鈴椈傻奶匦郧€可按實際需要進行理想設(shè)計，使其在額定載荷附近具有較低的剛度值，并使空氣懸架獲得較低的固有頻率，因而工作柔和。    (2)利用高度閥可以改變或保持空氣彈簧的高度。壓縮氣體的氣壓能夠隨載荷和道路條件的變化進行自動調(diào)節(jié)，不論滿載還是空載.保證車身高度不隨載荷的變化而變化，大大提高了乘坐的舒適性。升高車身以提高車輛在極差路面上的通過性，降低車身以方便人員或貨物上下，提高高速行駛車輛的安全性。    (3)空氣彈簧具有高的吸振和降噪能力，不僅可以提高商用車的舒適性，而且對車輛本身和運輸?shù)呢浳镉幸欢ǖ谋Ｗo作用。    (4)空氣彈簧可以有效減輕汽車懸架的質(zhì)量。    (5)空氣彈簧具有較高的疲勞壽命，其疲勞壽命可達300萬次以上，實際使用壽命可達5年以上。而鋼板彈簧的疲勞壽命一般只有20萬次。    (6)空氣彈簧能適應(yīng)多種剛度或載荷的要求，因此經(jīng)濟效果較好。    (7)空氣彈簧的主要缺點是：由于空氣彈簧只能承受垂直負荷，需要有導(dǎo)向機構(gòu)傳遞縱向力、橫向力及其力矩，因而懸架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。    空氣彈簧的選用    1.空氣彈簧懸架    隨著車輛減振性能的提高，空氣彈簧懸架因其獨特的性能和適應(yīng)性，正在逐步取代鋼板彈簧懸架?？諝鈶壹芟到y(tǒng)是以空氣彈簧為彈性元件，利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)其彈性作用的。汽車上使用的空氣彈簧懸架系統(tǒng)見圖2。    2.空氣彈簧的工作特性參數(shù)    空氣彈簧的工作特性主要由剛度、恒壓曲線、變壓曲線來表征，這些特性可作為選用空氣彈簧的依據(jù)。    (1)剛度    實際工作中，空氣彈簧的剛度主要通過試驗方法測定。在不同工作壓力下，測出彈簧行程(橫坐標(biāo))和承載力(縱坐標(biāo))的關(guān)系曲線，該曲線的斜率即為空氣彈簧剛度。    (2)恒壓曲線    空氣彈簧工作時，需不斷向橡膠氣囊內(nèi)補充氣體，以保證空氣彈簧在上下運動過程中具有恒定的氣壓，這樣測出的空氣彈簧行程與承載力的關(guān)系曲線稱為恒壓曲線。    (3)變壓曲線    如果向橡膠氣囊內(nèi)充入一定壓力的氣體后關(guān)閉進氣閥，并保證空氣彈簧在上下運動過程中氣體不泄漏，這樣測出的空氣彈簧行程與承載力的關(guān)系曲線稱為變壓曲線。    在進行汽車設(shè)計時，總希望汽車懸架系統(tǒng)具有較低的固有頻率，并且希望固有頻率在整個載荷范圍內(nèi)保持不變，從而有效地改善車輛行駛的平順性、操縱的穩(wěn)定性和安全性。傳統(tǒng)金屬彈簧懸架的彈簧剛度一般是固定的，當(dāng)汽車載荷發(fā)生變化時，懸架系統(tǒng)的固有頻率會發(fā)生變化，且汽車載荷變化越大，懸架系統(tǒng)固有頻率的變化越大、汽車行駛平順性越差。而空氣彈簧剛度呈非線性，通過優(yōu)化空氣彈簧結(jié)構(gòu)及特性參數(shù)，可以顯著改善汽車的行駛平順性。    空氣彈簧的剛度與空氣彈簧的內(nèi)容積成反比，為了降低剛度可以在彈簧上外加一個輔氣室。該方法一般用于囊式空氣彈簧，原因是囊式空氣彈簧剛度一般較大，無輔氣室時一曲的固有頻率為2.53.3Hz，兩曲的為1.71.9Hz，三曲的為1.31.5Hz。輔氣室的容積設(shè)計為空氣彈簧本身容積的1.52倍比較理想，再大效果就不明顯了。空氣彈簧剛度與有效面積變化率密切相關(guān)。    此外，膜式空氣彈簧還獲得了較為理想的變剛度特性反“S”形的載荷-變形曲線。圖3比較了膜式空氣彈簧、三曲囊式空氣彈簧和鋼板彈簧的載荷-變形曲線。從中可以看出，空氣彈簧具有非線性剛度特性，可獲得比鋼板彈簧低的剛度；膜式空氣彈簧剛度特性比囊式空氣彈簧好，在正常工作范圍內(nèi)剛度及其變化較小，而在伸張或壓縮的邊緣區(qū)段剛度逐漸增加，這樣可以避免以較低剛度在粗糙路面行駛時車身產(chǎn)生過沖擊或碰撞，保證了車輛的行駛平順性。    3.匹配特性     空氣彈簧具有變剛度特性，空氣懸架的固有頻率可以根據(jù)需要進行適當(dāng)調(diào)整。選擇合適結(jié)構(gòu)的空氣彈簧并優(yōu)化其特性參數(shù)，可以使正常工作條件下空氣彈簧的剛度變化較小，而伸張和壓縮行程邊緣的剛度較大。研究非線性剛度系統(tǒng)振動傳遞規(guī)律是空氣彈簧匹配的關(guān)鍵?？諝鈴椈善ヅ湓O(shè)計時首先要確定的是空氣懸架參數(shù)，如車輛在空載、半載、滿載時的軸荷及空氣彈簧的承載力，并計算在各種不同載荷下空氣彈簧的剛度及空氣懸架的固有頻率。橡膠氣囊剛度對空氣彈簧剛度影響極大，這是造成空氣彈簧剛度理論值與試驗值差異較大的原因之一。    膠囊的制造和質(zhì)量控制    1.膠囊結(jié)構(gòu)橡膠氣囊是空氣彈簧的重要部件，它的質(zhì)量是決定空氣彈簧使用壽命的關(guān)鍵因素。空氣彈簧膠囊由內(nèi)膠層、簾布層和外膠層組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，內(nèi)膠層相當(dāng)于無內(nèi)胎輪胎氣密層，起密封膠囊內(nèi)壓縮空氣的作用。外膠層相當(dāng)于輪胎胎側(cè)，起保護簾布層的作用。    2.成型工藝    橡膠氣囊的制造工藝與質(zhì)量會對空氣彈簧的特性造成影響，不同廠家生產(chǎn)的同一規(guī)格的空氣彈簧特性可能會有較大差別。橡膠氣囊的制造就是將各部分的半成品在成型機上組合成一個完整膠囊的過程?？諝鈴椈上鹉z氣囊的制造工藝流程(見圖5)與汽車輪胎的制造工藝有許多相似之處，材料和外形也有相通的地方。一般分為膠料的配合加工、壓延簾布、硫化等幾個部分。    膠料配方：內(nèi)橡膠層主要用于密封，應(yīng)采用氣密性和耐油性較好的橡膠；外橡膠層除密封外，還起保護作用，應(yīng)考慮耐氣候老化和耐臭氧的橡膠，一般采用氯丁橡膠、三元乙丙并用膠；簾布是膠囊的主要承載部件，應(yīng)選用強度高、耐屈撓性好的聚酯和尼龍等涂膠簾線，以滿足載荷要求和取得良好的使用性能，一般用2層或4層簾布。簾布各鋪層按簾布簾線方向互成一定角度布置，因而膠囊呈現(xiàn)出正交各向異性的特點。簾布的壓延采用三輥半熱壓工藝。簾布貼合采用半鼓式層貼工藝，將剪裁好的簾布貼在成型鼓上，扣上兩邊的鋼絲圈，使成型鼓膨脹，翻邊反壓，再用壓輥仔細地壓實貼合，除去氣泡，取下后進行裝模硫化。    鋼絲圈：采用19號鋼絲纏繞而成。    硫化：在雙模硫化機內(nèi)進行硫化，硫化壓力1.52.0MPa，溫度14060，時間為30min。    3.橡膠膠囊的質(zhì)量問題及解決措施    (1)表面龜裂    由于膠囊長期暴露在空氣中，橡膠膠囊表面會逐漸硬化、彈性降低，加上壓力和曲撓變形的作用，外層橡膠表面會出現(xiàn)均勻的裂紋和輕微的脫落。大氣臭氧是使橡膠龜裂的主要原因，日曬雨淋、高低溫差及酸、堿的腐蝕均會加速這一現(xiàn)象的出現(xiàn)。使用耐老化橡膠品種和優(yōu)良的抗老化配方可以提高橡膠的耐老化性。    (2)氣孔    解決氣孔的措施：a.采用三輥壓延機出片，輥溫宜低，中、下輥帶有少量堆積膠；b.成型時將膠片和半成品的氣泡全部刺穿，并將半成品壓平、壓實，排盡空氣；c.應(yīng)盡量少用膠漿，待膠漿溶劑完全揮發(fā)再滾壓，半成品的停放時間不能小于8h，但不能超時存放，出現(xiàn)噴霜現(xiàn)象的膠料必須返煉后再用；d.低模溫裝料，加大硫化壓力。    (3)缺膠    解決表面缺膠的措施：a.裝料量準(zhǔn)確，排氣眼及排氣線布局合理，保證模具排氣眼及排氣線通暢；b.合適的硫化壓力。    4.充氣尺寸變化大    解決措施：a.簾布鋪設(shè)角度合理；b.選用高模量、高強度簾布，加大簾布膠強度，增加簾布層數(shù)。    5.簾線變稀劈縫    解決措施：a.在成型過程中，要嚴(yán)格控制膠層和簾布層的接頭長度和接頭質(zhì)量，最好控制在4mm以內(nèi)；b.膠囊毛胚尺寸盡量與硫化模接近；c.減緩充氣速度和壓力。    6.產(chǎn)品性能測試    橡膠空氣彈簧性能測試的指標(biāo)主要有：膠料的物理機械性能指標(biāo)，如拉伸強度、伸長率、硬度和老化系數(shù)等；載荷-變形曲線試驗；載荷-體積變化曲線試驗；氣密性試驗；爆破試驗；疲勞試驗等。    空氣彈簧的發(fā)展前景    國外主要的空氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)有德國的大陸公司。美國的費爾斯通公司和固特異公司等，他們的產(chǎn)品在種類、性能、適用范圍和質(zhì)量上都優(yōu)于國內(nèi)產(chǎn)品。國內(nèi)空氣懸架的應(yīng)用目前主要集中在高等級客車上，且以選裝國外空氣懸架產(chǎn)品為主，在載貨車上的應(yīng)用尚處于起步階段。據(jù)悉，國外先進的空氣懸架技術(shù)已引進我國，如采埃孚已在國內(nèi)建廠、美國柯普克公司采用紐威公司技術(shù)也在國內(nèi)投入生產(chǎn)。與進口產(chǎn)品相比，國內(nèi)幾個有一定生產(chǎn)規(guī)模的空氣彈簧生產(chǎn)廠的產(chǎn)品質(zhì)量較差、品種相對比較單一、適用范圍較窄。此外，在空氣彈簧設(shè)計和制造技術(shù)上與發(fā)達國家相比還有相當(dāng)大的差距。    我國高速公路的迅速發(fā)展和運輸量的增加以及對高性能客貨車的需求，都對汽車的操縱穩(wěn)定性、平順性、安全性提出了更高的要求，空氣懸架客車將逐漸得到廣泛應(yīng)用。此外，對公路養(yǎng)護的重視，也將使空氣懸架在重型車市場的應(yīng)用進一步擴大。    目前，空氣懸架已經(jīng)由機械控制式逐步發(fā)展為電子控制式，如Audi A6旅行車、豐田凌志LS400轎車、Benz公司S系列2000型轎車和美國Lincoln轎車、Ford轎車均裝備了電子控制的空氣懸架系統(tǒng)。此外，空氣彈簧在車輛上的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，除了作為懸架的彈性元件以外，空氣彈簧還用作駕駛室和座椅的支承。第 8 頁 共 8 頁