空气弹簧的优点

空气弹簧的优点及分类
近年来，非线性课题一直是各学科的研究前沿，在隔振领域也不例外。

随着隔振设计中对隔振系统各种性能指标要求的提高，迫使人们不断探索新型的隔振器。

非线性隔振器能够自动避开共振，有效抑制振动幅值、隔离冲击，因而受到广泛的关注。

线性隔振器却不能自动避开共振。

非线性隔振器的刚度是随隔振器变形量的不同而变化的，因而由非线性隔振器组成的隔振系统其固有频率与振动幅值有关。

如果隔振器是非线性硬特性的，固有频率随振幅的增加而上升；如果隔振器是非线性软特性的，固有频率随振幅的增加而下降。

当设备在启动过程中经过共振点时，被隔振设备的振动幅值将出现峰值，高出静态位移许多倍。

随着振幅的迅速增长，由非线性隔振器组成的隔振系统其固有频率将上升或下降，从而避开共振频率。

对于线性隔振器，其刚度值是不变的，只能通过阻尼作用控制共振振幅。

但是过了共振点之后，隔振器的隔振效率因为阻尼的作用而下降。

此外非线性隔振器还能有效防止冲击。

对于非线性硬特性的隔振器其刚度随变形量的增加而上升，遇到冲击时，簧上载荷的加速度随变形量的增加而增大，因而在较小的变形下冲击速度迅速降低。

对于非线性软特性的隔振器其刚度随变形量的增加而降低，因而能够起到缓冲作用，但隔振器的变形量较大。

在很多情况下不允许有太大的变形量，就应该选择非线性硬特性隔振器来防止冲击。

根据上述分析，空气弹簧是一种理想的隔振元件。

空气弹簧是在柔性密闭容器中加入压力空气，利用空气压缩的非线性恢复力来实现隔振和缓冲作用的一种非金属弹簧。

它具有优良的非线性硬特性，因而能够有效限制振幅，避开共振，防止冲击。

空气弹簧隔振系统的固有频率可以设计得很低，甚至达1Hz以下，而橡胶隔振器的自振频率一般为5-7 H z。

所以空气弹簧的隔振效率比起其它隔振元件高得多，而且能够隔离低频振动。

特别是因为空气弹簧隔振系统容易实施主动控制，作为一种具有可调非线性静、动态刚度及阻尼特性的隔振元件，空气弹簧的应用越来越广泛。

1.2 空气弹簧的分类及特点
1.2.1 空气弹簧的分类
目前国内、外对空气弹簧的分类方法很不统一，大致有下列几种：
（一）按橡胶囊的曲数分类
空气弹簧按橡胶囊的曲数分为单（一）曲，双（二）曲，三曲，……，n曲，如图1-3和图1-4所示。

随着曲数的增加，刚度变小，空气弹簧隔振系统的固有频率也相应减小。

但这不仅给制造上带来了麻烦，而且还会引起橡胶囊的弹性不稳，因此一般只使用到4曲。

（二）按结构型式分类
1. 日本《空气弹簧》一书中的分类：
胶囊型空气弹簧：轮胎型[ 图1-3 (c) ]
平板型[ 图1-3 (a)、(b) ]
耳垂型[ 图1-4 (b) ]
2. 我国的分类：
空气弹簧：囊式空气弹簧[ 图1-2、1-3 ]
约束膜式空气弹簧[ 图1-4 (a) ]
自由膜式空气弹簧[ 图1-4 (b) ]
其他
囊式空气弹簧囊式空气弹簧是由橡胶膜制成的提灯（灯笼）形结构，可以是一段或由数段串接而成，分别称为单曲、双曲或多曲囊式空气弹簧。

在各段之间镶有金属轮缘，借以承受内压张力的作用。

膜式空气弹簧膜式空气弹簧的构造是在金属外筒与内筒，或缸筒与活塞之间放置橡胶膜，通过膜的变形实现整体伸缩。

在外筒的内壁与内筒的外壁上预先给出适当的倾斜或曲面，据此橡胶膜伸缩时可沿该壁面发生变形，受压面积随变形而变化。

这就可以获得在额定高度下很软，而在大位移时变硬的特性，即合适的非线性弹性特性。

膜式空气弹簧又分为约束膜式和自由膜式。

（三）按角度是否变化分类
1.只有内角发生变化，外角不发生变化的空气弹簧，称为内角变型空气弹簧；
2.只有外角发生变化，内角不发生变化的空气弹簧，称为外角变型空气弹簧；
3.内角和外角都发生变化的空气弹簧，称为双变角型空气弹簧；
4.内角和外角都不发生变化的空气弹簧，称为不变角型空气弹簧。

(a) (b)
(c)
图1-3 囊式空气弹簧橡胶囊模型
(a) 双曲(b) 三曲(c) 单曲
(a) (b)
图1-4 膜式空气弹簧橡胶囊模型
(a) 约束膜式(b) 自由膜式
1.2.2 空气弹簧的特点
空气弹簧由于其特殊的材料和独特的结构，因而具有金属弹簧和橡胶弹簧所没有的特点：
1）空气弹簧具有优良的非线性硬特性，能够有效限制振幅，避开共振，防止冲击。

空气弹簧的非线性特性曲线可按实际需要进行理想设计，使其表现为在额定载荷附近具有较低
的刚度值。

2）由于空气弹簧所采用的介质主要是空气，因而容易实施主动控制。

3）空气弹簧的刚度k随载荷P而变，所以在不同载荷下，其隔振系统固有频率ω几乎不变，隔振效果也几乎不变。

螺旋钢弹簧的载荷P—挠度x特性曲线如图1-5所示，它是一条直线，即刚度不变。

在承受不同载荷时，螺旋钢弹簧——质量系统的固有频率相差很大，固有频率计算公式为：
P g
k•
=钢
ω（1-3）
式中：ω为系统的固有频率（H z）；钢
k为螺旋钢弹簧的垂向刚度；P为簧上载荷；g为重力加速度。

载荷P—频率ω曲线如图1-6所示，可以看出：系统固有频率ω随载荷P的增加而降低。

即：重载时系统固有频率低，轻载时固有频率高。

换言之，如果重载时隔振性能好，则轻载时隔振性能差，二者不可兼顾。

x
P
图1-5 螺旋钢弹簧的
载荷——挠度曲线
P
ω图1-6 螺旋钢弹簧的载荷——频率曲线
空气弹簧的载荷P—挠度x特性曲线如图1-7所示，它是非线性的，就是说垂向刚度是变化的，且垂向刚度随着载荷的增加而变大。

理论和实践证明：空气弹簧的工作高度不变时，无论轻载还是重载其固有频率几乎不变。

空气弹簧的固有频率计算公式为：
P g
k•
=气
ω（1-4）
式中：
气
K为空气弹簧的垂向刚度。

由式（1-2）知，当载荷P增加时，
气
K也变大，而固有频率ω在数值上基本不变，如图1-8所示。

所以无论是重载还是轻载都能保证很好的隔振效果。

x P
图1-7 空气弹簧的
载荷——挠度曲线P
ω图1-8 空气弹簧的
载荷——频率曲线
4）空气弹簧的刚度具有可调性，可借助改变气室的容积或内腔压力来改变系统的刚度。

不管载重量多少，都可以根据需要改变空气压力，来调节空气弹簧刚度，也可以用增加辅助空气室的办法增加其内容积，以减小刚度。

5）对于同样大小的空气弹簧，当内压力改变时，可以得到不同的承载能力。

这使得同一种空气弹簧可以适应多种载荷的要求，因此经济性好。

空气弹簧在承受垂向载荷的同时，也能承受一定横向载荷和传递扭矩。

6）增大空气弹簧的总容积，能降低隔振系统的固有频率，这是空气弹簧独特的优点。

空气弹簧本体的容积，由于结构空间的大小受到一定的限制，不可能太大，为降低隔振系统的固有频率，可以设辅助空气室，辅助空气室可以布置在远离空气弹簧的地方。

辅助空气室的容积增大，即增大了空气弹簧的总容积，空气弹簧隔振系统的固有频率降低。

7）空气弹簧可以利用高度控制阀系统，使空气弹簧在不同载荷下，保持工作高度基本不变。

同样，也可以通过高度控制阀的作用，使空气弹簧在一定的载荷下具有不同的高度，因而能适应多种结构上的要求。

8）空气弹簧能吸收高频振动，隔音性能极好。

空气弹簧主要是由橡胶囊和空气组成的。

在振动过程中，橡胶囊由于伸缩、翘曲，有很小的内摩擦，所以很难传递高频振动。

空气和橡胶不容易传递声音，因此具有很好的隔音性能。

而钢弹簧既容易传递高频振动，又容易传递声音。

9）若在空气弹簧主气室和辅助气室之间设置节流孔，当空气弹簧振动变形时，主、辅气室之间将产生压力差，空气流过节流孔由于阻力而吸收一部分能量，因而具有阻尼作用。

合适的节流孔径能改善隔振系统的阻尼特性，有效地抑制共振振幅。

10）空气弹簧重量轻。

其本体除了橡胶囊和几乎没有重量的空气以外，就是上盖和下盖，因此比钢弹簧轻得多。