汽車空氣彈簧的應(yīng)用

編號(hào)：時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟頁(yè)碼：第8頁(yè) 共8頁(yè)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(jìn)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(diǎn)，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(fèi)爾斯通公司研制出膜片式空氣彈簧并首先在美國(guó)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(yàn)，有關(guān)技術(shù)逐步成熟，裝有空氣懸架的客車開始在美國(guó)、德國(guó)得到大批量推廣應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來(lái)，世界上主要的發(fā)達(dá)國(guó)家為了減少車輛對(duì)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(shí)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?yàn)槟な娇諝鈴椈删哂行旭偲巾樞院煤托谐檀蟮膬?yōu)點(diǎn)。    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(chǔ)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(jiǎn)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(kuò)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(diǎn)。    (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(shí)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(diǎn)，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(yùn)動(dòng)時(shí)在活塞的表面滾動(dòng)。    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(jī)械式連接和自壓式連接。機(jī)械密封式的優(yōu)點(diǎn)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(duì)車身垂直位移較大的工況。壓力自封式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)    (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。空氣彈簧的特性曲線可按實(shí)際需要進(jìn)行理想設(shè)計(jì)，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(jìn)行自動(dòng)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(duì)車輛本身和運(yùn)輸?shù)呢浳镉幸欢ǖ谋Ｗo(hù)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(dá)300萬(wàn)次以上，實(shí)際使用壽命可達(dá)5年以上。而鋼板彈簧的疲勞壽命一般只有20萬(wàn)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(jì)效果較好。    (7)空氣彈簧的主要缺點(diǎn)是：由于空氣彈簧只能承受垂直負(fù)荷，需要有導(dǎo)向機(jī)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(dú)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(shí)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(lái)表征，這些特性可作為選用空氣彈簧的依據(jù)。    (1)剛度    實(shí)際工作中，空氣彈簧的剛度主要通過試驗(yàn)方法測(cè)定。在不同工作壓力下，測(cè)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(shí)，需不斷向橡膠氣囊內(nèi)補(bǔ)充氣體，以保證空氣彈簧在上下運(yùn)動(dòng)過程中具有恒定的氣壓，這樣測(cè)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(jìn)氣閥，并保證空氣彈簧在上下運(yùn)動(dòng)過程中氣體不泄漏，這樣測(cè)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(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)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?gòu)椈蓱壹艿膹椈蓜偠纫话闶枪潭ǖ?，?dāng)汽車載荷發(fā)生變化時(shí)，懸架系統(tǒng)的固有頻率會(huì)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(gè)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(wú)輔氣室時(shí)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(jì)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(shí)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(jìn)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(dòng)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(jì)時(shí)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(shí)的軸荷及空氣彈簧的承載力，并計(jì)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(duì)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(yàn)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?？諝鈴椈赡z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(wú)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(hù)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(huì)對(duì)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(huì)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(jī)上組合成一個(gè)完整膠囊的過程。空氣彈簧橡膠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(gè)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(hù)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(qiáng)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(diǎn)。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?zhàn)屑?xì)地壓實(shí)貼合，除去氣泡，取下后進(jìn)行裝模硫化。    鋼絲圈：采用19號(hào)鋼絲纏繞而成。    硫化：在雙模硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行硫化，硫化壓力1.52.0MPa，溫度14060，時(shí)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(zhǎng)期暴露在空氣中，橡膠膠囊表面會(huì)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(huì)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(huì)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(jī)出片，輥溫宜低，中、下輥帶有少量堆積膠；b.成型時(shí)將膠片和半成品的氣泡全部刺穿，并將半成品壓平、壓實(shí)，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(shí)間不能小于8h，但不能超時(shí)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(qiáng)度簾布，加大簾布膠強(qiáng)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(zhǎng)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(cè)試    橡膠空氣彈簧性能測(cè)試的指標(biāo)主要有：膠料的物理機(jī)械性能指標(biāo)，如拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度和老化系數(shù)等；載荷-變形曲線試驗(yàn)；載荷-體積變化曲線試驗(yàn)；氣密性試驗(yàn)；爆破試驗(yàn)；疲勞試驗(yàn)等。    空氣彈簧的發(fā)展前景    國(guó)外主要的空氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)有德國(guó)的大陸公司。美國(guó)的費(fèi)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(guó)內(nèi)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)空氣懸架的應(yīng)用目前主要集中在高等級(jí)客車上，且以選裝國(guó)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(guó)外先進(jìn)的空氣懸架技術(shù)已引進(jìn)我國(guó)，如采埃孚已在國(guó)內(nèi)建廠、美國(guó)柯普克公司采用紐威公司技術(shù)也在國(guó)內(nèi)投入生產(chǎn)。與進(jìn)口產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)幾個(gè)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(duì)比較單一、適用范圍較窄。此外，在空氣彈簧設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有相當(dāng)大的差距。    我國(guó)高速公路的迅速發(fā)展和運(yùn)輸量的增加以及對(duì)高性能客貨車的需求，都對(duì)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(duì)公路養(yǎng)護(hù)的重視，也將使空氣懸架在重型車市場(chǎng)的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。    目前，空氣懸架已經(jīng)由機(jī)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(guó)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(lái)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(yè) 共 8 頁(yè)