商用車(chē)空氣懸架空氣彈簧的特性分析

商用車(chē)空氣懸架空氣彈簧的特性分析

1空氣彈簧在客車(chē)上的應(yīng)用歷史1847年，約翰lewis發(fā)明了空氣彈簧。此后,WilliamRFee、HoaglandIW和AlsopGorgeM等人通過(guò)研究和改進(jìn)設(shè)計(jì),解決了空氣彈簧的密封性問(wèn)題。20世紀(jì)30年代初,費(fèi)爾斯通公司第1次將空氣彈簧用于汽車(chē)上。HarveyFirestone在HenryFordI和ThomasAlvaEdison技術(shù)的支持下,于1934年研制出了空氣柱形式的空氣彈簧懸架系統(tǒng)。1944年,美國(guó)通用汽車(chē)公司與費(fèi)爾斯通公司合作,首次將空氣彈簧運(yùn)用于客車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示了空氣懸架的內(nèi)在優(yōu)越性。20世紀(jì)50年代,隨著高分子合成物的發(fā)展。特別是合成人造橡膠的出現(xiàn),空氣彈簧才在商用車(chē)上得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)50年代中期,固特異公司開(kāi)發(fā)出一種滾動(dòng)凸輪式空氣彈簧,凸輪在活塞的型面上滾動(dòng),控制空氣彈簧的載荷變化關(guān)系曲線。經(jīng)過(guò)多年空氣彈簧產(chǎn)品的研發(fā)和試驗(yàn),1953年通用汽車(chē)公司開(kāi)始生產(chǎn)裝有空氣懸架的客車(chē),標(biāo)志著空氣彈簧在商用車(chē)上應(yīng)用的開(kāi)始,隨后空氣懸架技術(shù)在歐洲也迅速發(fā)展。1955年,聯(lián)邦德國(guó)也開(kāi)始生產(chǎn)裝備空氣懸架的客車(chē);到1964年,聯(lián)邦德國(guó)生產(chǎn)的55種大中型客車(chē)中,已有38種裝備了空氣懸架。由此,空氣彈簧在客車(chē)上的應(yīng)用開(kāi)始得到推廣。20世紀(jì)80年代以來(lái),為減小重型貨車(chē)對(duì)高速公路路面的破壞,發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)車(chē)輛與道路相互作用的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。研究表明,重型貨車(chē)上使用空氣彈簧懸架系統(tǒng)可減小道路的破壞,并提出了道路友好懸架的概念。1992年,歐共體92/7/EEC法規(guī)定義了道路友好懸架的標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法,為空氣懸架在重型貨車(chē)上的推廣提供了依據(jù)。時(shí)至今日,空氣彈簧在發(fā)達(dá)國(guó)家的商用車(chē)上已得到廣泛的應(yīng)用,其中在客車(chē)上的普及率已達(dá)100%,重型貨車(chē)上的普及率也超過(guò)了80%。我國(guó)早在20世紀(jì)50年代就對(duì)空氣彈簧進(jìn)行了研究。那時(shí),我國(guó)空氣彈簧的研究主要側(cè)重于火車(chē)和造紙機(jī)的配套和應(yīng)用,用于商用車(chē)上的空氣彈簧的研究起步較晚。自20世紀(jì)80年代以來(lái),我國(guó)部分科研院所、高校和企業(yè)對(duì)商用車(chē)空氣彈簧進(jìn)行了大量的研究,但是由于受整車(chē)技術(shù)及空氣懸架配套的影響,商用車(chē)空氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模還很小,空氣彈簧質(zhì)量還需進(jìn)一步提高。從總體上來(lái)看,我國(guó)的商用車(chē)空氣彈簧在設(shè)計(jì)和制造上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有相當(dāng)大的差距。2空氣彈簧的工藝和測(cè)試方法隨著空氣懸架在商用車(chē)上應(yīng)用的推廣,空氣彈簧的研究也受到了重視。BenjaminBell第1次提出了空氣彈簧有效承壓面積的概念,設(shè)計(jì)了一種撓曲膜式空氣彈簧,并在撓曲膜外設(shè)計(jì)了一個(gè)金屬導(dǎo)向板,使其在空氣彈簧的伸張和壓縮過(guò)程中控制空氣彈簧有效承壓面積的變化,并針對(duì)空氣彈簧的有效承壓面積特性做了一系列試驗(yàn)研究。J.R.Evans等人對(duì)空氣彈簧在火車(chē)上的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究,在1970年做了空氣彈簧垂直特性試驗(yàn),建立了空氣彈簧垂直動(dòng)態(tài)特性模型。空氣彈簧的側(cè)向特性實(shí)驗(yàn)于1994年完成,在大頻率和大幅值情況下,測(cè)量了空氣彈簧在不同載荷下的側(cè)向力和變形,并用正弦波和鋸齒波輸入來(lái)觀察速度對(duì)側(cè)向特性的影響。GiuseppeQuaglia等人對(duì)帶有輔助氣室的空氣彈簧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究。KatsuyaYoyofuku等人也通過(guò)研究振動(dòng)頻率和彈簧反應(yīng)之間的關(guān)系,分析了管道和輔助氣室對(duì)彈簧特性變化的影響。AlfHomeyer等人采用有限元法優(yōu)化了空氣彈簧結(jié)構(gòu),提出了空氣彈簧設(shè)計(jì)的新思想。近年來(lái),我國(guó)對(duì)空氣彈簧的研究進(jìn)一步深入。重慶交通科研設(shè)計(jì)院的丁良旭對(duì)空氣懸架的性能進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,擬合了空氣彈簧的特性曲線;北京理工大學(xué)也進(jìn)行了客車(chē)空氣彈簧的臺(tái)架試驗(yàn),并進(jìn)行了空氣彈簧靜、動(dòng)特性和輔助氣室容積特性的分析;吉林大學(xué)的陳燕虹等對(duì)大客車(chē)空氣彈簧動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析;西南交通大學(xué)李芾等對(duì)空氣彈簧動(dòng)力學(xué)參數(shù)特性進(jìn)行了研究,分析了影響空氣彈簧性能的主要因素;鐵道部四方車(chē)輛研究所的張廣世和孔軍等用有限元法研究了空氣彈簧的簾線角、簾線層數(shù)、簾線的彈性模量等參數(shù)對(duì)空氣彈簧彈性特性的影響;湖南株洲時(shí)代新材料科技公司的陳燦輝等對(duì)商用車(chē)空氣彈簧進(jìn)行了非線性有限元分析,其分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好;上海交通大學(xué)的周勁松和同濟(jì)大學(xué)的趙洪倫等運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì)空氣彈簧進(jìn)行了應(yīng)力和模態(tài)分析,為空氣彈簧的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)濟(jì)、有效的方法。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(lèi)、性能、適用范圍和質(zhì)量上都優(yōu)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。特別是他們擁有空氣彈簧的國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在知識(shí)產(chǎn)權(quán)上具有很大的優(yōu)勢(shì)。目前,國(guó)內(nèi)具有規(guī)模化生產(chǎn)商用車(chē)空氣彈簧的企業(yè)有貴州前進(jìn)橡膠有限公司、西北橡膠總廠、東風(fēng)汽車(chē)懸架彈簧有限公司、西安晨光橡膠廠等。同時(shí),國(guó)內(nèi)還有許多地區(qū)在對(duì)空氣彈簧項(xiàng)目進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)和合作招商。商用車(chē)空氣彈簧的研究在我國(guó)起步較晚。國(guó)內(nèi)空氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品相對(duì)比較單一,適用范圍較窄,產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)口產(chǎn)品相比較差。因此,國(guó)內(nèi)大多數(shù)商用車(chē)生產(chǎn)企業(yè)采用進(jìn)口的空氣彈簧。為改變我國(guó)商用車(chē)大多采用國(guó)外進(jìn)口空氣彈簧的現(xiàn)狀,許多空氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)正在吸收改進(jìn)空氣彈簧相關(guān)技術(shù),開(kāi)發(fā)生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、適用于我國(guó)道路運(yùn)輸特點(diǎn)的商用車(chē)空氣彈簧產(chǎn)品。目前,已有部分空氣彈簧產(chǎn)品接近或達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)計(jì)我國(guó)空氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模、設(shè)備、技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量有望在近期內(nèi)得到巨大改善。3結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)3.1空氣彈簧的結(jié)構(gòu)形式空氣彈簧是利用橡膠氣囊內(nèi)壓縮空氣的反力作為彈性恢復(fù)力的一種彈性元件。它由橡膠氣囊、輔助氣室、上蓋板、夾緊環(huán)、活塞底座、緩沖塊等部件組成,其內(nèi)部充滿(mǎn)壓縮氣體。其中,橡膠氣囊是空氣彈簧的重要部件,一般由內(nèi)橡膠層、外橡膠層、簾線層和成型鋼絲圈硫化而成。根據(jù)橡膠氣囊工作時(shí)的變形方式不同,商用車(chē)空氣彈簧的結(jié)構(gòu)形式主要分為囊式和膜式兩大類(lèi)。囊式空氣彈簧是燈籠形結(jié)構(gòu),其曲囊可以由一段或數(shù)段串聯(lián)而成,分別稱(chēng)為單曲、雙曲或多曲囊式空氣彈簧。膜式空氣彈簧是一圓柱形結(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。約束膜式空氣彈簧的密封一般用螺栓夾緊密封,自由膜式空氣彈簧則是采用橡膠氣囊內(nèi)的壓力自封。早期商用車(chē)使用的空氣彈簧主要是雙曲囊和三曲囊式空氣彈簧,隨著對(duì)商用車(chē)行駛平順性和車(chē)身大行程要求的提高,膜式空氣彈簧在客車(chē)和貨車(chē)上均得到普遍的使用,而囊式空氣彈簧僅用于貨車(chē)上。3.2空氣彈簧的性能(1)空氣彈簧具有非線性特性,其剛度隨載荷變化而變化?？諝鈴椈傻奶匦郧€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,即使載荷發(fā)生變化,其固有頻率也不會(huì)發(fā)生大的變化,從而有效地改善車(chē)輛的行駛特性,并可減小車(chē)輛對(duì)高速公路路面的破壞。(2)空氣彈簧的儲(chǔ)能量較大。僅用7kg/cm2的氣體壓力,直徑為96.5cm的空氣彈簧就可以承受45360kg的壓力。(3)囊式空氣彈簧的有效承壓面積變化率在工作時(shí)較大,其剛度和固有頻率較大。通過(guò)增加橡膠氣囊曲數(shù)和設(shè)置輔助氣室可減小彈簧的剛度,降低其固有頻率。但是氣囊曲數(shù)增加或設(shè)置輔助氣室,將使囊式空氣彈簧的幾何尺寸變化較大,易受到空氣懸架結(jié)構(gòu)的限制。(4)膜式空氣彈簧可以通過(guò)改變活塞底座的形狀和利用活塞底座的空心內(nèi)腔作為輔助氣室來(lái)優(yōu)化其剛度特性,從而獲得理想的非線性特性。(5)借助空氣懸架的高度控制機(jī)構(gòu),可以改變或保持空氣彈簧的高度。保證車(chē)身高度不隨載荷變化而變化,亦即保持了車(chē)身的左右水平,升高車(chē)身以提高車(chē)輛在極差路面上的通過(guò)性,降低車(chē)身以方便人員或貨物上下,提高高速行駛車(chē)輛的安全性。(6)空氣彈簧的剛度和承載能力可以通過(guò)調(diào)節(jié)橡膠氣囊內(nèi)的工作壓力加以改變。所以,同一種空氣彈簧可適應(yīng)多種剛度和載荷的要求,其經(jīng)濟(jì)性和通用性較好。(7)空氣彈簧具有高的吸振和降噪能力,不僅可提高商用車(chē)的舒適性,而且對(duì)車(chē)輛本身和運(yùn)輸?shù)呢浳镉幸欢ǖ谋Ｗo(hù)作用?？諝鈴椈梢詺怏w為工作介質(zhì),其內(nèi)摩擦極小,工作時(shí)幾乎沒(méi)有噪聲。(8)空氣彈簧具有較高的疲勞壽命。試驗(yàn)表明,空氣彈簧的疲勞壽命可以達(dá)到300萬(wàn)次以上,而鋼板彈簧的疲勞壽命一般只在50～60萬(wàn)次。4我國(guó)將發(fā)展大、強(qiáng)、小近年來(lái),我國(guó)高等級(jí)公路的迅猛發(fā)展,汽車(chē)客貨運(yùn)輸量日益增加,對(duì)商用車(chē)的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求。此外,隨著重型汽車(chē)對(duì)路面破壞機(jī)理的研究及認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深,政府對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)和限制超載逐步重視,對(duì)空氣彈簧的研究產(chǎn)生了很大的促進(jìn)作用。我國(guó)汽車(chē)行業(yè)“十五規(guī)劃”要求重點(diǎn)發(fā)展適應(yīng)高速公路需要的大中型客車(chē),載貨汽車(chē)重點(diǎn)發(fā)展重型載貨汽車(chē)。2002年7月,交通部頒布實(shí)施《營(yíng)運(yùn)客車(chē)類(lèi)型劃分及等級(jí)評(píng)定》(JT/T325-2002)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高一、高二、高三級(jí)客車(chē)的懸架必須采用空氣懸架。這些舉措為空氣彈簧在我國(guó)商用車(chē)上的推廣提供了良好的外部環(huán)境。在商用車(chē)上以空氣彈簧取代鋼板彈簧等既是發(fā)展的必然趨勢(shì),也是現(xiàn)實(shí)的客觀要求,因此為滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)空氣彈簧的迫切需求,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)空氣彈簧的基本理論、設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的深入研究。4.1空氣彈簧的剛度空氣彈簧具有變剛度特性,固有頻率可以根據(jù)需要適當(dāng)改變。通過(guò)合理選擇空氣彈簧的結(jié)構(gòu)形式、尺寸及設(shè)計(jì)參數(shù),可使空氣彈簧在正常工作范圍內(nèi)剛度及其變化較小,而在伸張和壓縮行程的邊緣剛度則逐漸增加。對(duì)這一類(lèi)剛度非線性系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞規(guī)律的研究是空氣彈簧匹配的關(guān)鍵。進(jìn)行空氣彈簧的匹配設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)空氣懸架參數(shù),如車(chē)輛在空載、半載、滿(mǎn)載時(shí)的軸荷和空氣彈簧的承載力,計(jì)算在各種不同載荷情況下空氣彈簧的剛度及固有頻率。同時(shí),當(dāng)空氣彈簧橡膠氣囊內(nèi)充有壓縮氣體時(shí),橡膠氣囊本身的剛度對(duì)空氣彈簧剛度特性的影響是造成理論值與試驗(yàn)值具有較大差異的原因之一,也需要進(jìn)一步研究。4.2彈簧氣體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空氣彈簧的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面:一是根據(jù)空氣懸架設(shè)計(jì)所要求的參數(shù)設(shè)計(jì)空氣彈簧,參數(shù)有空氣彈簧剛度、頻率、有效承壓面積、容積等。通過(guò)對(duì)空氣彈簧結(jié)構(gòu)形式、尺寸、輔助氣室、膜式空氣彈簧活塞底座的形狀以及節(jié)流孔的優(yōu)化設(shè)計(jì),以滿(mǎn)足空氣懸架設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。二是對(duì)空氣彈簧橡膠氣囊的設(shè)計(jì)。由于橡膠氣囊的基體是大變形的橡膠材料和小變形的尼龍或聚酯簾線增強(qiáng)材料,兩者的物理性能相差很大,行為十分復(fù)雜。研究表明,簾線的角度、粗細(xì)、排列密度和橡膠氣囊鋪層厚度,對(duì)橡膠氣囊的變形、內(nèi)部的應(yīng)力及其剛度都有較大的影響,從而直接影響空氣彈簧的特性。同時(shí),橡膠氣囊的設(shè)計(jì)還要考慮氣囊與金屬連接件之間的密封問(wèn)題。因此,對(duì)橡膠氣囊內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料參數(shù)的優(yōu)化選擇上還需進(jìn)一步研究。目前,空氣彈簧的設(shè)計(jì)是以試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的,其設(shè)計(jì)成本高且效率低下。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的深入,采用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以在空氣彈簧設(shè)計(jì)初期,設(shè)計(jì)、分析和評(píng)估其性能,確定和優(yōu)化其各項(xiàng)參數(shù),從而縮短空氣彈簧新產(chǎn)品的研制和開(kāi)發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能,降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn),加速空氣彈簧的創(chuàng)新設(shè)計(jì),滿(mǎn)足用戶(hù)多樣化的需求。因此,運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)空氣彈簧的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),代表著當(dāng)今商用車(chē)空氣彈簧工程技術(shù)的發(fā)展方向。4.3空氣彈簧的總成檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)空氣彈簧的制造技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)一樣都將直接影響空氣彈簧的性能和壽命。在制造過(guò)程中,空氣彈簧的橡膠氣囊的內(nèi)外層膠料要符合嚴(yán)格的物理機(jī)械性能,制作空氣彈簧的半成品要達(dá)到嚴(yán)格的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),其中包括簾布的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、鋼絲圈的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、膠片的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、成型檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、硫化過(guò)程檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、成品外觀檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)?？諝鈴椈煽偝裳b配完成后應(yīng)達(dá)到總成檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在滿(mǎn)足空氣彈簧制造標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),努力尋找空氣彈簧新材料的配方,改善傳統(tǒng)的硫化工藝,減小生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用,降低空氣彈簧生產(chǎn)成本,是制造技術(shù)的發(fā)展方向。4.4空氣彈簧試驗(yàn)研究為深入研究空氣彈簧的特性及其對(duì)這些特性的影響因素,必須對(duì)空氣彈簧進(jìn)行大量的試驗(yàn),其中包括剛度特性試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、水爆試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和加速老化試驗(yàn)等。對(duì)空氣彈簧的試驗(yàn)分析可進(jìn)一步優(yōu)化空氣彈簧的設(shè)計(jì)和材料的選擇,所以對(duì)空氣彈簧深入進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)研究是優(yōu)化空氣彈簧設(shè)計(jì),提高空氣彈簧質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)試驗(yàn),可以獲得空氣彈簧剛度特性與囊內(nèi)氣體壓力和輔助氣室容積的關(guān)系以及加載頻率和振幅對(duì)橡膠氣囊性能的影響,并可研究空氣彈簧結(jié)構(gòu)形式及尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)與橡膠氣囊變形的關(guān)系。空氣彈簧的動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)表明,動(dòng)態(tài)剛度主要取決于激勵(lì)頻率。在低頻范圍內(nèi)幅值較小,在高頻范圍內(nèi)幅值較大?？諝鈴椈稍诟哳l激勵(lì)時(shí)有明顯的阻尼特性,這種阻尼特性可以有效地抑制由路面和車(chē)輪激起的車(chē)身振動(dòng)。空氣彈簧在汽車(chē)運(yùn)行時(shí)承受著復(fù)雜的交變和沖擊載荷,同時(shí)還在太陽(yáng)曝曬等惡劣的環(huán)境下使用,通過(guò)對(duì)空氣彈簧的耐久性試驗(yàn),以確認(rèn)空氣彈簧的老化狀況,并將試驗(yàn)結(jié)果用于對(duì)橡膠氣囊材料的設(shè)計(jì)上。因此,制定空氣彈簧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)發(fā)新型空