空氣彈簧的優(yōu)點、分類和特點

1、空氣彈簧的優(yōu)點、分類近年來，非線性課題一直是各學(xué)科的研究前沿，在隔振領(lǐng)域也不例外。隨著隔振設(shè)計中對隔振系統(tǒng)各種性能指標(biāo)要求的提高，迫使人們不斷探索新型的隔振器。非線性隔振器能夠自動避開共振，有效抑制振動幅值、隔離沖擊，因而受到廣泛的關(guān)注。線性隔振器卻不能自動避開共振。非線性隔振器的剛度是隨隔振器變形量的不同而變化的，因而由非線性隔振器組成的隔振系統(tǒng)其固有頻率與振動幅值有關(guān)。如果隔振器是非線性硬特性的，固有頻率隨振幅的增加而上升；如果隔振器是非線性軟特性的，固有頻率隨振幅的增加而下降。當(dāng)設(shè)備在啟動過程中經(jīng)過共振點時，被隔振設(shè)備的振動幅值將出現(xiàn)峰值，高出靜態(tài)位移許多倍。隨著振幅的迅速增長，由非線性

2、隔振器組成的隔振系統(tǒng)其固有頻率將上升或下降，從而避開共振頻率。對于線性隔振器，其剛度值是不變的，只能通過阻尼作用控制共振振幅。但是過了共振點之后，隔振器的隔振效率因為阻尼的作用而下降。此外非線性隔振器還能有效防止沖擊。對于非線性硬特性的隔振器其剛度隨變形量的增加而上升，遇到?jīng)_擊時，簧上載荷的加速度隨變形量的增加而增大，因而在較小的變形下沖擊速度迅速降低。對于非線性軟特性的隔振器其剛度隨變形量的增加而降低，因而能夠起到緩沖作用，但隔振器的變形量較大。在很多情況下不允許有太大的變形量，就應(yīng)該選擇非線性硬特性隔振器來防止沖擊。根據(jù)上述分析，空氣彈簧是一種理想的隔振元件?？諝鈴椈墒窃谌嵝悦荛]容器中加入

3、壓力空氣，利用空氣壓縮的非線性恢復(fù)力來實現(xiàn)隔振和緩沖作用的一種非金屬彈簧。它具有優(yōu)良的非線性硬特性，因而能夠有效限制振幅，避開共振，防止沖擊?？諝鈴椈筛粽裣到y(tǒng)的固有頻率可以設(shè)計得很低，甚至達1Hz 以下，而橡膠隔振器的自振頻率一般為5-7 H z 。所以空氣彈簧的隔振效率比起其它隔振元件高得多，而且能夠隔離低頻振動。特別是因為空氣彈簧隔振系統(tǒng)容易實施主動控制，作為一種具有可調(diào)非線性靜、動態(tài)剛度及阻尼特性的隔振元件，空氣彈簧的應(yīng)用越來越廣泛。1.2 空氣彈簧的分類及特點1.2.1 空氣彈簧的分類目前國內(nèi)、外對空氣彈簧的分類方法很不統(tǒng)一，大致有下列幾種25：（一） 按橡膠囊的曲數(shù)分類空氣彈簧按橡膠

4、囊的曲數(shù)分為單（一）曲，雙（二）曲，三曲，n 曲，如圖1-3和圖1-4所示。隨著曲數(shù)的增加，剛度變小，空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率也相應(yīng)減小。但這不僅給制造上帶來了麻煩，而且還會引起橡膠囊的彈性不穩(wěn)，因此一般只使用到4曲。（二） 按結(jié)構(gòu)型式分類1. 日本空氣彈簧一書中的分類：膠囊型空氣彈簧： 輪胎型 圖1-3 (c 平板型 圖1-3 (a、(b 耳垂型 圖1-4 (b 2. 我國的分類：空氣彈簧： 囊式空氣彈簧 圖1-2、1-3 約束膜式空氣彈簧 圖1-4 (a 自由膜式空氣彈簧 圖1-4 (b 其他囊式空氣彈簧 囊式空氣彈簧是由橡膠膜制成的提燈（燈籠）形結(jié)構(gòu)，可以是一段或由數(shù)段串接而成，分別稱

5、為單曲、雙曲或多曲囊式空氣彈簧。在各段之間鑲有金屬輪緣，借以承受內(nèi)壓張力的作用。膜式空氣彈簧 膜式空氣彈簧的構(gòu)造是在金屬外筒與內(nèi)筒，或缸筒與活塞之間放置橡膠膜，通過膜的變形實現(xiàn)整體伸縮。在外筒的內(nèi)壁與內(nèi)筒的外壁上預(yù)先給出適當(dāng)?shù)膬A斜或曲面，據(jù)此橡膠膜伸縮時可沿該壁面發(fā)生變形，受壓面積隨變形而變化。這就可以獲得在額定高度下很軟，而在大位移時變硬的特性，即合適的非線性彈性特性。膜式空氣彈簧又分為約束膜式和自由膜式。（三） 按角度是否變化分類1. 只有內(nèi)角發(fā)生變化，外角不發(fā)生變化的空氣彈簧，稱為內(nèi)角變型空氣彈簧；2. 只有外角發(fā)生變化，內(nèi)角不發(fā)生變化的空氣彈簧，稱為外角變型空氣彈簧；3. 內(nèi)角和外角都

6、發(fā)生變化的空氣彈簧，稱為雙變角型空氣彈簧；4. 內(nèi)角和外角都不發(fā)生變化的空氣彈簧，稱為不變角型空氣彈簧。 (a (b(c圖1-3 囊式空氣彈簧橡膠囊模型(a 雙曲 (b 三曲 (c 單曲 (a (b圖1-4 膜式空氣彈簧橡膠囊模型(a 約束膜式 (b 自由膜式1.2.2 空氣彈簧的特點空氣彈簧由于其特殊的材料和獨特的結(jié)構(gòu)，因而具有金屬彈簧和橡膠彈簧所沒有的特點：1）空氣彈簧具有優(yōu)良的非線性硬特性，能夠有效限制振幅，避開共振，防止沖擊。空氣彈簧的非線性特性曲線可按實際需要進行理想設(shè)計，使其表現(xiàn)為在額定載荷附近具有較低的剛度值。2）由于空氣彈簧所采用的介質(zhì)主要是空氣，因而容易實施主動控制。3）空氣

7、彈簧的剛度k 隨載荷P 而變，所以在不同載荷下，其隔振系統(tǒng)固有頻率幾乎不變，隔振效果也幾乎不變。螺旋鋼彈簧的載荷P 撓度x 特性曲線如圖1-5所示，它是一條直線，即剛度不變。在承受不同載荷時，螺旋鋼彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率相差很大，固有頻率計算公式為：=k 鋼gP （1-3）式中：為系統(tǒng)的固有頻率（H z ）；k 鋼為螺旋鋼彈簧的垂向剛度；P 為簧上載荷；g 為重力加速度。載荷P 頻率曲線如圖1-6所示，可以看出：系統(tǒng)固有頻率隨載荷P 的增加而降低。即：重載時系統(tǒng)固有頻率低，輕載時固有頻率高。換言之，如果重載時隔振性能好，則輕載時隔振性能差，二者不可兼顧。 P圖1-5 螺旋鋼彈簧的載荷撓度曲線圖

8、1-6 螺旋鋼彈簧的載荷頻率曲線空氣彈簧的載荷P 撓度x 特性曲線如圖1-7所示，它是非線性的，就是說垂向剛度是變化的，且垂向剛度隨著載荷的增加而變大。理論和實踐證明：空氣彈簧的工作高度不變時，無論輕載還是重載其固有頻率幾乎不變。空氣彈簧的固有頻率計算公式為：=k 氣gP （1-4）式中：K 氣為空氣彈簧的垂向剛度。由式（1-2）知，當(dāng)載荷P 增加時，K 氣也變大，而固有頻率在數(shù)值上基本不變，如圖1-8所示。所以無論是重載還是輕載都能保證很好的隔振效果。 P 圖1-7 空氣彈簧的載荷撓度曲線圖1-8 空氣彈簧的載荷頻率曲線4）空氣彈簧的剛度具有可調(diào)性，可借助改變氣室的容積或內(nèi)腔壓力來改變系統(tǒng)的

9、剛度。不管載重量多少，都可以根據(jù)需要改變空氣壓力，來調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度，也可以用增加輔助空氣室的辦法增加其內(nèi)容積，以減小剛度。5）對于同樣大小的空氣彈簧，當(dāng)內(nèi)壓力改變時，可以得到不同的承載能力。這使得同一種空氣彈簧可以適應(yīng)多種載荷的要求，因此經(jīng)濟性好?？諝鈴椈稍诔惺艽瓜蜉d荷的同時，也能承受一定橫向載荷和傳遞扭矩。6）增大空氣彈簧的總?cè)莘e，能降低隔振系統(tǒng)的固有頻率，這是空氣彈簧獨特的優(yōu)點。 空氣彈簧本體的容積，由于結(jié)構(gòu)空間的大小受到一定的限制，不可能太大，為降低隔振系統(tǒng)的固有頻率，可以設(shè)輔助空氣室，輔助空氣室可以布置在遠(yuǎn)離空氣彈簧的地方。輔助空氣室的容積增大，即增大了空氣彈簧的總?cè)莘e，空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率降低。7）空氣彈簧可以利用高度控制閥系統(tǒng)，使空氣彈簧在不同載荷下，保持工作高度基本不變。同樣，也可以通過高度控制閥的作用，使空氣彈簧在一定的載荷下具有不同的高度，因而能適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)上的要求。8）空氣彈簧能吸收高頻振動，隔音性能極好?？諝鈴椈芍饕怯上鹉z囊和空氣組成的。在振動過程中，橡膠囊由于伸縮、翹曲，有很小的內(nèi)摩擦，所以很難傳遞高頻振動?？諝夂拖鹉z不容易傳遞聲音，因此具有很好的隔音性能。而鋼彈簧既容易傳遞高頻振動，又容易傳遞聲音。9）若在