汽车空气弹簧的应用

空气弹簧在汽车上的应用空气弹簧是汽车空气悬架系统的和重要组成部分，它利用空气的压缩弹性进行工作，具有缓冲、减振和承载重量等功能。空气弹簧具有优良的弹性特性，与普通钢制弹簧相比有许多优点，因而其应用范围十分广泛。将空气弹簧用于汽车悬架系统可大大提高汽车的行驶平顺性和舒适性。1934年，费尔斯通公司研制出膜片式空气弹簧并首先在美国通用客车上试应用成功。20世纪50年代中期，空气弹簧产品经过多年的研发和试验，有关技术逐步成熟，装有空气悬架的客车开始在美国、德国得到大批量推广应用。20世纪80年代以来，世界上主要的发达国家为了减少车辆对道路的破坏和增加车辆的舒适性，在客车上几乎全部使用了空气弹簧，重型商用车上的使用率也超过了80%。空气弹簧的种类空气弹簧由橡胶气囊、上盖板、底座、辅助气室，夹紧环和缓冲块等组成。根据橡胶气囊工作时变形式的不同，空气弹簧的结构形式主要分为膜式空气弹簧、囊式空气弹簧和混合式空气弹簧3种(见图1)。膜式空气弹簧是圆柱形结构，根据橡胶气囊止口与接口的连接方式，膜式空气弹簧又分为约束膜式和自由膜式。约束膜式空气弹簧一般用螺栓夹紧密封，自由膜式空气弹簧则采用橡胶气囊内的压力自封。囊式空气弹簧的外形结构有些象灯笼，有单曲、双曲或多曲囊式空气弹簧。早期的商用车上主要使用双曲囊和三曲囊式空气弹簧。近期膜式空气弹簧的用量逐步增加，是因为膜式空气弹簧具有行驶平顺性好和行程大的优点。不同种类空气弹簧的使用区别1.膜式空气弹簧(1)有效面积变化率较小，因此其刚度较低，易于得到较低的固有频率。(2)通过改变活塞底座的形状和利用活塞底座的空心内腔增加出储气空间，优化其刚度特性，从而获得理想的非线性特性。(3)结构较为简单，便于大量生产。(4)橡胶气囊的工作条件更为苛刻，耐久性和使用寿命比囊式空气弹簧低。2.囊式空气弹簧一般在各曲之间镶有箍带，以使各曲之间的中间部分不致径向扩张，并可防止各曲之间的互相摩擦。囊式空气弹簧具有以下特点。(1)由于底部没有活塞，囊式空气弹簧的标准高度可比膜式空气弹簧低。(2)有效承压面积变化率在工作时较大，弹簧的刚度较大、固有频率较高。通过增加曲囊和设置辅助气室可以减小弹簧刚度、降低空气悬架固有频率，但是增加气囊曲数或设置辅助气室，将使几何尺寸变化较大，因此曲囊数和辅助气室结构要受整车总结构布局的限制。3.混合式空气弹簧混合式空气弹簧兼有膜式空气弹簧与囊式空气弹簧的特点，它的气囊上部与囊式气囊上部基本相同，下部则与膜式气囊类似，混合式空气弹簧运动时在活塞的表面滚动。空气弹簧的密封方式气囊上、下口连接密封的装配形式有机械式连接和自压式连接。机械密封式的优点是连接牢固、密封较为可靠，不易发生气囊开脱现象，适用于因道路条件较差或其他原因造成车轮相对车身垂直位移较大的工况。压力自封式的优点是结构简单、气囊拆装较为方便，适用于在道路条件较好的车辆上使用。空气弹簧的主要特点(1)空气弹簧具有非线性特性，刚度和承载能力可以调节，其刚度随载荷的变化而变化。空气弹簧的特性曲线可按实际需要进行理想设计，使其在额定载荷附近具有较低的刚度值，并使空气悬架获得较低的固有频率，因而工作柔和。(2)利用高度阀可以改变或保持空气弹簧的高度。压缩气体的气压能够随载荷和道路条件的变化进行自动调节，不论满载还是空载.保证车身高度不随载荷的变化而变化，大大提高了乘坐的舒适性。升高车身以提高车辆在极差路面上的通过性，降低车身以方便人员或货物上下，提高高速行驶车辆的安全性。(3)空气弹簧具有高的吸振和降噪能力，不仅可以提高商用车的舒适性，而且对车辆本身和运输的货物有一定的保护作用。(4)空气弹簧可以有效减轻汽车悬架的质量。(5)空气弹簧具有较高的疲劳寿命，其疲劳寿命可达300万次以上，实际使用寿命可达5年以上。而钢板弹簧的疲劳寿命一般只有20万次。(6)空气弹簧能适应多种刚度或载荷的要求，因此经济效果较好。(7)空气弹簧的主要缺点是：由于空气弹簧只能承受垂直负荷，需要有导向机构传递纵向力、横向力及其力矩，因而悬架结构较为复杂。空气弹簧的选用1.空气弹簧悬架随着车辆减振性能的提高，空气弹簧悬架因其独特的性能和适应性，正在逐步取代钢板弹簧悬架。空气悬架系统是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性实现其弹性作用的。汽车上使用的空气弹簧悬架系统见图2。2.空气弹簧的工作特性参数空气弹簧的工作特性主要由刚度、恒压曲线、变压曲线来表征，这些特性可作为选用空气弹簧的依据。(1)刚度实际工作中，空气弹簧的刚度主要通过试验方法测定。在不同工作压力下，测出弹簧行程(横坐标)和承载力(纵坐标)的关系曲线，该曲线的斜率即为空气弹簧刚度。(2)恒压曲线空气弹簧工作时，需不断向橡胶气囊内补充气体，以保证空气弹簧在上下运动过程中具有恒定的气压，这样测出的空气弹簧行程与承载力的关系曲线称为恒压曲线。(3)变压曲线如果向橡胶气囊内充入一定压力的气体后关闭进气阀，并保证空气弹簧在上下运动过程中气体不泄漏，这样测出的空气弹簧行程与承载力的关系曲线称为变压曲线。在进行汽车设计时，总希望汽车悬架系统具有较低的固有频率，并且希望固有频率在整个载荷范围内保持不变，从而有效地改善车辆行驶的平顺性、操纵的稳定性和安全性。传统金属弹簧悬架的弹簧刚度一般是固定的，当汽车载荷发生变化时，悬架系统的固有频率会发生变化，且汽车载荷变化越大，悬架系统固有频率的变化越大、汽车行驶平顺性越差。而空气弹簧刚度呈非线性，通过优化空气弹簧结构及特性参数，可以显著改善汽车的行驶平顺性。空气弹簧的刚度与空气弹簧的内容积成反比，为了降低刚度可以在弹簧上外加一个辅气室。该方法一般用于囊式空气弹簧，原因是囊式空气弹簧刚度一般较大，无辅气室时一曲的固有频率为2.5～3.3Hz，两曲的为1.7～1.9Hz，三曲的为1.3～1.5Hz。辅气室的容积设计为空气弹簧本身容积的1.5～2倍比较理想，再大效果就不明显了。空气弹簧刚度与有效面积变化率密切相关。此外，膜式空气弹簧还获得了较为理想的变刚度特性——反“S”形的载荷-变形曲线。图3比较了膜式空气弹簧、三曲囊式空气弹簧和钢板弹簧的载荷-变形曲线。从中可以看出，空气弹簧具有非线性刚度特性，可获得比钢板弹簧低的刚度；膜式空气弹簧刚度特性比囊式空气弹簧好，在正常工作范围内刚度及其变化较小，而在伸张或压缩的边缘区段刚度逐渐增加，这样可以避免以较低刚度在粗糙路面行驶时车身产生过冲击或碰撞，保证了车辆的行驶平顺性。3.匹配特性空气弹簧具有变刚度特性，空气悬架的固有频率可以根据需要进行适当调整。选择合适结构的空气弹簧并优化其特性参数，可以使正常工作条件下空气弹簧的刚度变化较小，而伸张和压缩行程边缘的刚度较大。研究非线性刚度系统振动传递规律是空气弹簧匹配的关键。空气弹簧匹配设计时首先要确定的是空气悬架参数，如车辆在空载、半载、满载时的轴荷及空气弹簧的承载力，并计算在各种不同载荷下空气弹簧的刚度及空气悬架的固有频率。橡胶气囊刚度对空气弹簧刚度影响极大，这是造成空气弹簧刚度理论值与试验值差异较大的原因之一。胶囊的制造和质量控制1.胶囊结构橡胶气囊是空气弹簧的重要部件，它的质量是决定空气弹簧使用寿命的关键因素。空气弹簧胶囊由内胶层、帘布层和外胶层组成，其结构如图4所示。其中，内胶层相当于无内胎轮胎气密层，起密封胶囊内压缩空气的作用。外胶层相当于轮胎胎侧，起保护帘布层的作用。2.成型工艺橡胶气囊的制造工艺与质量会对空气弹簧的特性造成影响，不同厂家生产的同一规格的空气弹簧特性可能会有较大差别。橡胶气囊的制造就是将各部分的半成品在成型机上组合成一个完整胶囊的过程。空气弹簧橡胶气囊的制造工艺流程(见图5)与汽车轮胎的制造工艺有许多相似之处，材料和外形也有相通的地方。一般分为胶料的配合加工、压延帘布、硫化等几个部分。胶料配方：内橡胶层主要用于密封，应采用气密性和耐油性较好的橡胶；外橡胶层除密封外，还起保护作用，应考虑耐气候老化和耐臭氧的橡胶，一般采用氯丁橡胶、三元乙丙并用胶；帘布是胶囊的主要承载部件，应选用强度高、耐屈挠性好的聚酯和尼龙等涂胶帘线，以满足载荷要求和取得良好的使用性能，一般用2层或4层帘布。帘布各铺层按帘布帘线方向互成一定角度布置，因而胶囊呈现出正交各向异性的特点。帘布的压延采用三辊半热压工艺。帘布贴合采用半鼓式层贴工艺，将剪裁好的帘布贴在成型鼓上，扣上两边的钢丝圈，使成型鼓膨胀，翻边反压，再用压辊仔细地压实贴合，除去气泡，取下后进行装模硫化。钢丝圈：采用19号钢丝缠绕而成。硫化：在双模硫化机内进行硫化，硫化压力1.5～2.0MPa，温度140～60℃，时间为30min。3.橡胶胶囊的质量问题及解决措施(1)表面龟裂由于胶囊长期暴露在空气中，橡胶胶囊表面会逐渐硬化、弹性降低，加上压力和曲挠变形的作用，外层橡胶表面会出现均匀的裂纹和轻微的脱落。大气臭氧是使橡胶龟裂的主要原因，日晒雨淋、高低温差及酸、碱的腐蚀均会加速这一现象的出现。使用耐老化橡胶品种和优良的抗老化配方可以提高橡胶的耐老化性。(2)气孔解决气孔的措施：a.采用三辊压延机出片，辊温宜低，中、下辊带有少量堆积胶；b.成型时将胶片和半成品的气泡全部刺穿，并将半成品压平、压实，排尽空气；c.应尽量少用胶浆，待胶浆溶剂完全挥发再滚压，半成品的停放时间不能小于8h，但不能超时存放，出现喷霜现象的胶料必须返炼后再用；d.低模温装料，加大硫化压力。(3)缺胶解决表面缺胶的措施：a.装料量准确，排气眼及排气线布局合理，保证模具排气眼及排气线通畅；b.合适的硫化压力。4.充气尺寸变化大解决措施：a.帘布铺设角度合理；b.选用高模量、高强度帘布，加大帘布胶强度，增加帘布层数。5.帘线变稀劈缝解决措施：a.在成型过程中，要严格控制胶层和帘布层的接头长度和接头质量，最好控制在4mm以内；b.胶囊毛胚尺寸尽量与硫化模接近；c.减缓充气速度和压力。6.产品性能测试橡胶空气弹簧性能测试的指标主要有：胶料的物理机械性能指标，如拉伸强度、伸长率、硬度和老化系数等；载荷-变形曲线试验；载荷-体积变化曲线试验；气密性试验；爆破试验；疲劳试验等。空气弹簧的发展前景国外主要的空气弹簧生产企业有德国的大陆公司。美国的费尔斯通公司和固特异公司等，他们的产品在种类、性能、适用范围和质量上都优于国内产品。国内空气悬架的应用目前主要集中在高等级客车上，且以选装国外空气悬架产品为主，在载货车上的应用尚处于起步阶段。据悉，国外先进的空气悬架技术已引进我国，如采埃孚已在国内建厂、美国柯普克公司采用纽威公司技术也在国内投入生产。与进口产品相比，国内几个有一定生产规模的空气弹簧生产厂的产品质量较差、品种相对比较单一、适用范围较窄。此外，在空气弹簧设计和制造技术上与发达国家相比还有相当大的差距。我国高速公路的迅速发展和运输量的增加以及对高性能客货车的需求，都对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求，空气悬架客车将逐渐得到广泛应用。此外，对公路养护的重视，也将使空气悬架在重型车市场的应用进一步扩大。目前，空气悬架已经由机械控制式逐步发展为电子控制式，如AudiA6旅行车、丰田凌志LS400轿车、Benz公司S系列2000型轿车和美国Lincoln轿车、Ford轿车均装备了电子控制的空气悬架系统。此外，空气弹簧在车辆上的应用范围也越来越广泛，除了作为悬架的弹性元件以外，空气弹簧还用作驾驶室和座椅的支承。