重型載貨車駕駛室用空氣彈簧減振器的設(shè)計(jì)
圖1 空氣彈簧減振器工作狀態(tài)示意圖
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，公路運(yùn)輸業(yè)得以大幅提升，貨運(yùn)駕駛員對(duì)駕乘舒適性提出了更高的要求，原來采用螺旋彈簧減振器支撐駕駛室的機(jī)構(gòu)已不能滿足這一要求。從另一方面講，提高駕乘舒適性，對(duì)提高行駛的安全性也至關(guān)重要。因此，空氣彈簧減振器在重卡駕駛室上的應(yīng)用也成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
空氣彈簧減振器系統(tǒng)的組成及工作原理
如圖1所示，空氣彈簧減振器系統(tǒng)由空氣彈簧、筒式液壓減振器、高度控制閥、連接桿和空氣管路等組成，其工作原理如圖2所示。
高度控制閥實(shí)質(zhì)上是一個(gè)機(jī)械可變行程控制式的三位三通換向閥與一個(gè)并聯(lián)組合單向閥而合成的一個(gè)氣路控制單元。駕駛室安裝完畢后，在重力作用下，駕駛室會(huì)下移，帶動(dòng)連接桿使高度控制閥的閥芯向下移動(dòng)，進(jìn)氣通路接通，壓縮空氣克服單向閥Ⅰ的阻力，向空氣彈簧內(nèi)充氣，內(nèi)壓升高，空氣彈簧的剛度增加，使駕駛室舉升，同時(shí)也帶動(dòng)連接桿使高度控制閥的閥芯向上移動(dòng)，直到空氣彈簧的舉升力等于駕駛室的重力為止。此時(shí)，高度控制閥閥芯處于中間位置，關(guān)閉進(jìn)氣通路，駕駛室的重力與空氣彈簧的舉升力達(dá)到平衡，駕駛室處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。
駕駛室在外力的作用下迅速向下移動(dòng)時(shí)，連接桿帶動(dòng)高度控制閥的閥芯向下移動(dòng)接通進(jìn)氣通路，壓縮空氣克服單向閥Ⅰ的阻力向空氣彈簧內(nèi)充氣，橡膠囊下端也向下滾動(dòng)，空氣彈簧剛度增加，與筒式液壓減振器一起阻止駕駛室快速向下移動(dòng)。
駕駛室在外力的作用下快速向上移動(dòng)時(shí)，連接桿帶動(dòng)高度控制閥的閥芯向上移動(dòng)，接通排氣通路，空氣彈簧內(nèi)的氣體克服單向閥Ⅱ的阻力排入大氣，橡膠囊的下端向上滾動(dòng)，空氣彈簧的剛度減小，與筒式液壓減振器一起阻止駕駛室快速向上移動(dòng)。
圖2 空氣彈簧減振器系統(tǒng)的工作原理
在不斷變化的空氣彈簧舉升力和筒式液壓減振器阻尼力作用下，駕駛室便以一個(gè)較小的振幅和較慢的速度上下移動(dòng)，因而提高了駕乘舒適性。
空氣彈簧的組成及功能
空氣彈簧由上蓋、橡膠囊、上箍環(huán)、下箍環(huán)、空氣彈簧活塞、O形橡膠密封圈和緩沖塊等組成（如圖3所示）。
上蓋與橡膠囊的一端連接，用上箍環(huán)把橡膠囊緊緊地扣壓在上蓋的外圓周上，上蓋的內(nèi)孔有環(huán)形槽，裝有O形橡膠密封圈，與筒式液壓減振器的活塞桿配合，起到密封作用。上蓋端面裝有緩沖塊，當(dāng)駕駛室突然大幅度下降時(shí)，緩沖塊與筒式液壓減振器的上端接觸，起到緩沖作用，以保證筒式液壓減振器不被撞壞?？諝鈴椈苫钊c橡膠囊的另一端連接，用下箍環(huán)將橡膠囊緊緊地扣壓在活塞上端的外圓周上，活塞內(nèi)孔有環(huán)槽，內(nèi)裝有O形橡膠密封圈，與筒式液壓減振器外筒配合，起到密封作用?？諝鈴椈苫钊嫌型饪?，裝有空氣接頭，以便充、放氣。這樣，上蓋、橡膠囊、空氣彈簧活塞與筒式液壓減振器一起便形成一個(gè)密閉的空間。通過充、放氣，上蓋上下移動(dòng)，橡膠囊在空氣彈簧活塞外圓上上下滾動(dòng)，從而使空氣彈簧的剛度不斷的發(fā)生變化，以適應(yīng)駕駛室在外力作用下運(yùn)動(dòng)力的不斷變化。
空氣彈簧的設(shè)計(jì)與制造
1．上蓋的設(shè)計(jì)
上蓋與橡膠囊接觸帶的總抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于上箍。環(huán)與橡膠囊接觸帶的總抗拉強(qiáng)度，在扣壓后，橡膠囊和上箍環(huán)在接觸帶產(chǎn)生塑性變形，而上蓋的接觸部位仍在彈性變形區(qū)域，從而保證了扣壓以后的緊固性、密封性，且不易松動(dòng)拉脫。
在上蓋與橡膠囊的接觸部位，設(shè)計(jì)多道小環(huán)形槽，與橡膠囊形成迷宮形密封，在扣壓后，保證密封性與緊固性，增大摩擦力，防止橡膠囊被拉脫。上蓋內(nèi)凸起的外圓周上設(shè)計(jì)凹環(huán)槽，緩沖塊倒掛其上，防止緩沖塊與減振器上端撞擊時(shí)脫落。上蓋的內(nèi)孔設(shè)計(jì)兩道環(huán)槽，安裝O形橡膠密封圈，以增加其密封效果。
2．空氣彈簧活塞的設(shè)計(jì)
活塞與橡膠囊接觸部位的設(shè)計(jì)與上蓋的設(shè)計(jì)相同，且空氣彈簧活塞的材料最好與上蓋相同且導(dǎo)熱性能良好。同樣，在活塞的內(nèi)孔加工出兩道環(huán)槽，安裝O形橡膠密封圈，保證密封可靠。在活塞內(nèi)圓周上設(shè)計(jì)多道加強(qiáng)筋，增加強(qiáng)度，提高抵抗扣壓時(shí)的變形能力，同時(shí)增加與氣體的接觸面積，提高導(dǎo)熱性。
空氣彈簧活塞高度的確定是一個(gè)重要問題。一是要保證筒式液壓減振器在復(fù)原行程極限位置時(shí)，橡膠囊的下端與空氣彈簧活塞接觸帶應(yīng)低于扣壓部位的結(jié)合處，以防止橡膠囊滾動(dòng)時(shí)在扣壓部位被劃傷；二是要保證筒式液壓減振器在壓縮行程極限位置時(shí)，橡膠囊在滾動(dòng)時(shí)其下端不能超過空氣彈簧活塞的下邊緣，且應(yīng)有足夠的余量。也就是說，在筒式液壓減振器的全行程內(nèi)，橡膠囊的滾動(dòng)范圍，都應(yīng)該在空氣彈簧活塞設(shè)定的工作區(qū)域內(nèi)（如圖4所示），避免橡膠囊的早期磨損。
空氣彈簧活塞外部形狀是一個(gè)值得討論的問題，在相同的氣壓條件下，即使橡膠囊相同，如果空氣彈簧活塞的外形不同，則空氣彈簧剛度曲線有很大的差異，對(duì)駕駛室的最小舉升力及駕乘舒適性有很大的影響，這只能通過試驗(yàn)來確定。圖5所示為幾種不同外形活塞的空氣彈簧剛度曲線。
3．上、下箍環(huán)的設(shè)計(jì)
箍環(huán)與橡膠囊接觸帶的抗拉強(qiáng)度應(yīng)分別小于活塞與橡膠囊及上蓋與橡膠囊接觸帶的抗拉強(qiáng)度，這樣才能保證空氣彈簧的內(nèi)壓在達(dá)到設(shè)定的最大破壞力之前，橡膠囊不被拉脫，且箍環(huán)也不失效。
上箍環(huán)設(shè)計(jì)為喇叭口形狀，喇叭口部位的最大內(nèi)徑大于橡膠囊滾動(dòng)范圍內(nèi)空氣彈簧活塞的最大外徑，即D1max＞D4max最大，以保證橡膠囊在充氣后向空氣彈簧活塞方向翻滾。下箍環(huán)的最大外徑在扣壓后與空氣彈簧活塞上端的最大外徑大致相等，即D2max≈D3max，以減少橡膠囊被劃傷（如圖6所示）。
4．緩沖塊的設(shè)計(jì)
緩沖塊一定要選用抗沖擊性好、彈性好的材料。緩沖塊的下端內(nèi)孔應(yīng)大于筒式液壓減振器的油封唇外徑，避免筒式液壓減振器在壓縮極限位置時(shí)，緩沖塊撞擊油封唇，使筒式液壓減振器發(fā)生漏油失效。緩沖塊的下端制造出放氣槽，防止緩沖塊與筒式液壓減振器接觸時(shí)形成瞬時(shí)高壓，損害油封，使筒式液壓減振器發(fā)生漏油失效。
5．橡膠囊的設(shè)計(jì)
橡膠囊的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，除了能保證空氣彈簧在內(nèi)壓達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的破壞性壓力之前不失效外，還應(yīng)能滿足以下要求：
（1）橡膠囊的長(zhǎng)度：保證在筒式液壓減振器行程范圍內(nèi)，橡膠囊在空氣彈簧活塞設(shè)定的工作區(qū)域內(nèi)滾動(dòng)。
（2）橡膠囊的直徑：既要能滿足駕駛室最小舉重力的要求，又要保證在橡膠囊外徑最大時(shí)與汽車上相鄰零件不能發(fā)生干涉。空氣彈簧充氣后，橡膠囊的下部形狀如圖7所示。橡膠囊在與活塞的接觸處形成了兩道相切的圓弧，兩道圓弧的關(guān)系約為R2≈2R1，也就是說，R1約占H距離的1/3，這是由于壓縮氣體一方面把橡膠囊向活塞的方向擠壓，另一方面又把橡膠囊向外側(cè)擠壓所致。且H的距離也很重要，直接影響到橡膠囊的使用壽命。由試驗(yàn)得知，當(dāng)H＜17時(shí)，橡膠囊的壽命會(huì)大大降低，故設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證H≥18為好。
空氣彈簧的有效直徑
空氣彈簧的有效直徑是指空氣彈簧在充氣后通過橡膠囊最低點(diǎn)的連線，該線段的長(zhǎng)度即空氣彈簧的有效直徑D效（如圖7所示）。它是影響空氣彈簧舉升力的重要參數(shù)，而且是一個(gè)變量，與橡膠囊結(jié)構(gòu)、空氣彈簧活塞的外形及充氣壓力均有關(guān)。在整車設(shè)計(jì)時(shí)，駕駛室靜止?fàn)顟B(tài)的最大重力，就是空氣彈簧的最小舉升力，即：
式中 F1——駕駛室靜止最大重力
F2——空氣彈簧的最小舉升力
D2——空氣彈簧的有效直徑
P2——空氣彈簧的充氣壓力
P2值可以設(shè)定，然而D2值確定就很困難，目前還沒有一種好的方法可以確定，只能通過試驗(yàn)的方法求得。試驗(yàn)時(shí)我們充入設(shè)定壓力的空氣，在剛度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，可以得到空氣彈簧的最小舉升力，再用下述公式計(jì)算：
由此可對(duì)空氣彈簧活塞各處的形狀進(jìn)行修正，以期得到滿意的空氣彈簧剛度曲線，并與筒式液壓減振器的阻尼力值進(jìn)行匹配，以提高駕乘舒適性。
空氣彈簧是在柔性密閉容器中沖入壓力空氣，利用氣體的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性作用的一種非金屬?gòu)椈?。它與普通鋼制彈簧比較有許多優(yōu)點(diǎn)，與筒式液壓減振器組合使用，其減振效果更加優(yōu)越。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，它必將廣泛用于汽車工業(yè)。
圖1 空氣彈簧減振器工作狀態(tài)示意圖
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，公路運(yùn)輸業(yè)得以大幅提升，貨運(yùn)駕駛員對(duì)駕乘舒適性提出了更高的要求，原來采用螺旋彈簧減振器支撐駕駛室的機(jī)構(gòu)已不能滿足這一要求。從另一方面講，提高駕乘舒適性，對(duì)提高行駛的安全性也至關(guān)重要。因此，空氣彈簧減振器在重卡駕駛室上的應(yīng)用也成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
空氣彈簧減振器系統(tǒng)的組成及工作原理
如圖1所示，空氣彈簧減振器系統(tǒng)由空氣彈簧、筒式液壓減振器、高度控制閥、連接桿和空氣管路等組成，其工作原理如圖2所示。
高度控制閥實(shí)質(zhì)上是一個(gè)機(jī)械可變行程控制式的三位三通換向閥與一個(gè)并聯(lián)組合單向閥而合成的一個(gè)氣路控制單元。駕駛室安裝完畢后，在重力作用下，駕駛室會(huì)下移，帶動(dòng)連接桿使高度控制閥的閥芯向下移動(dòng)，進(jìn)氣通路接通，壓縮空氣克服單向閥Ⅰ的阻力，向空氣彈簧內(nèi)充氣，內(nèi)壓升高，空氣彈簧的剛度增加，使駕駛室舉升，同時(shí)也帶動(dòng)連接桿使高度控制閥的閥芯向上移動(dòng)，直到空氣彈簧的舉升力等于駕駛室的重力為止。此時(shí)，高度控制閥閥芯處于中間位置，關(guān)閉進(jìn)氣通路，駕駛室的重力與空氣彈簧的舉升力達(dá)到平衡，駕駛室處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。
駕駛室在外力的作用下迅速向下移動(dòng)時(shí)，連接桿帶動(dòng)高度控制閥的閥芯向下移動(dòng)接通進(jìn)氣通路，壓縮空氣克服單向閥Ⅰ的阻力向空氣彈簧內(nèi)充氣，橡膠囊下端也向下滾動(dòng)，空氣彈簧剛度增加，與筒式液壓減振器一起阻止駕駛室快速向下移動(dòng)。
駕駛室在外力的作用下快速向上移動(dòng)時(shí)，連接桿帶動(dòng)高度控制閥的閥芯向上移動(dòng)，接通排氣通路，空氣彈簧內(nèi)的氣體克服單向閥Ⅱ的阻力排入大氣，橡膠囊的下端向上滾動(dòng)，空氣彈簧的剛度減小，與筒式液壓減振器一起阻止駕駛室快速向上移動(dòng)。
圖2 空氣彈簧減振器系統(tǒng)的工作原理
在不斷變化的空氣彈簧舉升力和筒式液壓減振器阻尼力作用下，駕駛室便以一個(gè)較小的振幅和較慢的速度上下移動(dòng)，因而提高了駕乘舒適性。
空氣彈簧的組成及功能
空氣彈簧由上蓋、橡膠囊、上箍環(huán)、下箍環(huán)、空氣彈簧活塞、O形橡膠密封圈和緩沖塊等組成（如圖3所示）。
上蓋與橡膠囊的一端連接，用上箍環(huán)把橡膠囊緊緊地扣壓在上蓋的外圓周上，上蓋的內(nèi)孔有環(huán)形槽，裝有O形橡膠密封圈，與筒式液壓減振器的活塞桿配合，起到密封作用。上蓋端面裝有緩沖塊，當(dāng)駕駛室突然大幅度下降時(shí)，緩沖塊與筒式液壓減振器的上端接觸，起到緩沖作用，以保證筒式液壓減振器不被撞壞?？諝鈴椈苫钊c橡膠囊的另一端連接，用下箍環(huán)將橡膠囊緊緊地扣壓在活塞上端的外圓周上，活塞內(nèi)孔有環(huán)槽，內(nèi)裝有O形橡膠密封圈，與筒式液壓減振器外筒配合，起到密封作用?？諝鈴椈苫钊嫌型饪?，裝有空氣接頭，以便充、放氣。這樣，上蓋、橡膠囊、空氣彈簧活塞與筒式液壓減振器一起便形成一個(gè)密閉的空間。通過充、放氣，上蓋上下移動(dòng)，橡膠囊在空氣彈簧活塞外圓上上下滾動(dòng)，從而使空氣彈簧的剛度不斷的發(fā)生變化，以適應(yīng)駕駛室在外力作用下運(yùn)動(dòng)力的不斷變化。
空氣彈簧的設(shè)計(jì)與制造
1．上蓋的設(shè)計(jì)
上蓋與橡膠囊接觸帶的總抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于上箍。環(huán)與橡膠囊接觸帶的總抗拉強(qiáng)度，在扣壓后，橡膠囊和上箍環(huán)在接觸帶產(chǎn)生塑性變形，而上蓋的接觸部位仍在彈性變形區(qū)域，從而保證了扣壓以后的緊固性、密封性，且不易松動(dòng)拉脫。
在上蓋與橡膠囊的接觸部位，設(shè)計(jì)多道小環(huán)形槽，與橡膠囊形成迷宮形密封，在扣壓后，保證密封性與緊固性，增大摩擦力，防止橡膠囊被拉脫。上蓋內(nèi)凸起的外圓周上設(shè)計(jì)凹環(huán)槽，緩沖塊倒掛其上，防止緩沖塊與減振器上端撞擊時(shí)脫落。上蓋的內(nèi)孔設(shè)計(jì)兩道環(huán)槽，安裝O形橡膠密封圈，以增加其密封效果。
2．空氣彈簧活塞的設(shè)計(jì)
活塞與橡膠囊接觸部位的設(shè)計(jì)與上蓋的設(shè)計(jì)相同，且空氣彈簧活塞的材料最好與上蓋相同且導(dǎo)熱性能良好。同樣，在活塞的內(nèi)孔加工出兩道環(huán)槽，安裝O形橡膠密封圈，保證密封可靠。在活塞內(nèi)圓周上設(shè)計(jì)多道加強(qiáng)筋，增加強(qiáng)度，提高抵抗扣壓時(shí)的變形能力，同時(shí)增加與氣體的接觸面積，提高導(dǎo)熱性。
空氣彈簧活塞高度的確定是一個(gè)重要問題。一是要保證筒式液壓減振器在復(fù)原行程極限位置時(shí)，橡膠囊的下端與空氣彈簧活塞接觸帶應(yīng)低于扣壓部位的結(jié)合處，以防止橡膠囊滾動(dòng)時(shí)在扣壓部位被劃傷；二是要保證筒式液壓減振器在壓縮行程極限位置時(shí)，橡膠囊在滾動(dòng)時(shí)其下端不能超過空氣彈簧活塞的下邊緣，且應(yīng)有足夠的余量。也就是說，在筒式液壓減振器的全行程內(nèi)，橡膠囊的滾動(dòng)范圍，都應(yīng)該在空氣彈簧活塞設(shè)定的工作區(qū)域內(nèi)（如圖4所示），避免橡膠囊的早期磨損。
空氣彈簧活塞外部形狀是一個(gè)值得討論的問題，在相同的氣壓條件下，即使橡膠囊相同，如果空氣彈簧活塞的外形不同，則空氣彈簧剛度曲線有很大的差異，對(duì)駕駛室的最小舉升力及駕乘舒適性有很大的影響，這只能通過試驗(yàn)來確定。圖5所示為幾種不同外形活塞的空氣彈簧剛度曲線。
3．上、下箍環(huán)的設(shè)計(jì)
箍環(huán)與橡膠囊接觸帶的抗拉強(qiáng)度應(yīng)分別小于活塞與橡膠囊及上蓋與橡膠囊接觸帶的抗拉強(qiáng)度，這樣才能保證空氣彈簧的內(nèi)壓在達(dá)到設(shè)定的最大破壞力之前，橡膠囊不被拉脫，且箍環(huán)也不失效。
上箍環(huán)設(shè)計(jì)為喇叭口形狀，喇叭口部位的最大內(nèi)徑大于橡膠囊滾動(dòng)范圍內(nèi)空氣彈簧活塞的最大外徑，即D1max＞D4max最大，以保證橡膠囊在充氣后向空氣彈簧活塞方向翻滾。下箍環(huán)的最大外徑在扣壓后與空氣彈簧活塞上端的最大外徑大致相等，即D2max≈D3max，以減少橡膠囊被劃傷（如圖6所示）。
4．緩沖塊的設(shè)計(jì)
緩沖塊一定要選用抗沖擊性好、彈性好的材料。緩沖塊的下端內(nèi)孔應(yīng)大于筒式液壓減振器的油封唇外徑，避免筒式液壓減振器在壓縮極限位置時(shí)，緩沖塊撞擊油封唇，使筒式液壓減振器發(fā)生漏油失效。緩沖塊的下端制造出放氣槽，防止緩沖塊與筒式液壓減振器接觸時(shí)形成瞬時(shí)高壓，損害油封，使筒式液壓減振器發(fā)生漏油失效。
5．橡膠囊的設(shè)計(jì)
橡膠囊的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，除了能保證空氣彈簧在內(nèi)壓達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的破壞性壓力之前不失效外，還應(yīng)能滿足以下要求：
（1）橡膠囊的長(zhǎng)度：保證在筒式液壓減振器行程范圍內(nèi)，橡膠囊在空氣彈簧活塞設(shè)定的工作區(qū)域內(nèi)滾動(dòng)。
（2）橡膠囊的直徑：既要能滿足駕駛室最小舉重力的要求，又要保證在橡膠囊外徑最大時(shí)與汽車上相鄰零件不能發(fā)生干涉。空氣彈簧充氣后，橡膠囊的下部形狀如圖7所示。橡膠囊在與活塞的接觸處形成了兩道相切的圓弧，兩道圓弧的關(guān)系約為R2≈2R1，也就是說，R1約占H距離的1/3，這是由于壓縮氣體一方面把橡膠囊向活塞的方向擠壓，另一方面又把橡膠囊向外側(cè)擠壓所致。且H的距離也很重要，直接影響到橡膠囊的使用壽命。由試驗(yàn)得知，當(dāng)H＜17時(shí)，橡膠囊的壽命會(huì)大大降低，故設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證H≥18為好。
空氣彈簧的有效直徑
空氣彈簧的有效直徑是指空氣彈簧在充氣后通過橡膠囊最低點(diǎn)的連線，該線段的長(zhǎng)度即空氣彈簧的有效直徑D效（如圖7所示）。它是影響空氣彈簧舉升力的重要參數(shù)，而且是一個(gè)變量，與橡膠囊結(jié)構(gòu)、空氣彈簧活塞的外形及充氣壓力均有關(guān)。在整車設(shè)計(jì)時(shí)，駕駛室靜止?fàn)顟B(tài)的最大重力，就是空氣彈簧的最小舉升力，即：
式中 F1——駕駛室靜止最大重力
F2——空氣彈簧的最小舉升力
D2——空氣彈簧的有效直徑
P2——空氣彈簧的充氣壓力
P2值可以設(shè)定，然而D2值確定就很困難，目前還沒有一種好的方法可以確定，只能通過試驗(yàn)的方法求得。試驗(yàn)時(shí)我們充入設(shè)定壓力的空氣，在剛度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，可以得到空氣彈簧的最小舉升力，再用下述公式計(jì)算：
由此可對(duì)空氣彈簧活塞各處的形狀進(jìn)行修正，以期得到滿意的空氣彈簧剛度曲線，并與筒式液壓減振器的阻尼力值進(jìn)行匹配，以提高駕乘舒適性。
空氣彈簧是在柔性密閉容器中沖入壓力空氣，利用氣體的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性作用的一種非金屬?gòu)椈?。它與普通鋼制彈簧比較有許多優(yōu)點(diǎn)，與筒式液壓減振器組合使用，其減振效果更加優(yōu)越。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，它必將廣泛用于汽車工業(yè)。