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。