空气弹簧的发展ECJTU 段晋伟 一、空气弹簧的简介1定义：在可伸缩的密闭容器中充以压缩空气，利用空气弹性作用的弹簧。俗称气囊、气囊式气缸、皮囊气缸等。它具有如下特点：空气弹簧具有非线性特性，可将其特性曲线设计成理想形状；空气弹簧质量轻，内摩小，对高频振动有很好的隔振消声能力；空气弹簧的刚度和承载能力可以通过调节橡胶气囊的内压力来调整；空气弹簧的制造工艺复杂，费用高。2结构：曲囊式结构，其曲囊数通常为 13 曲囊，但根据需要也可以设计制造成袖式、膜式、束带型空气弹簧，还可以在一定条件下将两个囊式空气弹簧叠加使用。 （注：五种结构对应按联接方式分类中的图）3分类：(1)根据联接方式：a.一类为固定式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸和曲囊最大外径相等或略小一些，钻若干个孔后用法兰环和端板紧固联接；b.另一类为活套式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸比曲囊最大外径小得多，无须钻孔，用一个特制的法兰环和一个普通端板紧固联接；c.第三类为自密封型，不用法兰联接，压入端板，充入压缩空气则自行密封。(2)按工作时的变形方式：分为囊式、膜式和混合式三种。如图 1、2、3 所示。a.囊式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的挠屈获得弹性变形。囊式空气弹簧根据橡胶气囊曲数的不同分为单曲、双曲和多曲囊式空气弹簧。b.膜式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形。膜式空气弹簧的结构是在盖板和底座之间放置一圆柱形橡胶气囊，通过气囊挠曲变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧在其正常工作范围内，弹簧刚度变化要比囊式小，同时也可通过改变底座形状的方法，控制其有效面积变化率，以获得比较理想的弹性特性。膜式空气弹簧有效面积的变化率也比囊式弹簧小，因此，膜式空气弹簧在辅助气室较小的情况下，也可得到较低的自振频率。c.混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式。图表1 囊式空气弹簧图表2 膜式空气弹簧图表3 混合式空气弹簧(3)根据橡胶气囊止口与接口的连接方式：分为约束模式和自由模式空气弹簧。a.约束模式空气弹簧密封一般用螺栓夹紧密封；b.自由模式空气弹簧采用气囊内的压力自封。底座多为深拉钢板成型或轻质铸钢，并且表面镀铬处理，减小气囊与底座之间的摩擦。4图片展示： 5应用简介：空气弹簧广泛应用于商业汽车、巴士、轨道车辆、机器设备及建筑物基座的自调节式空气悬挂。气弹簧又被称为支撑杆、调角器、气压棒、阻尼器等。根据气弹簧的结构和功能来分类，气弹簧有自由式气弹簧、自锁式气弹簧、牵引式气弹簧、随意停气弹簧、转椅气弹簧、气压棒、阻尼器等几种。该产品在汽车、航空、医疗器械、家具、机械制造等领域都有着广泛地应用。二、空气弹簧的安装：弹簧的内部注入的是惰性气体,通过活塞产生弹性功能的产品,该产品工作是无须外界动力,举力稳定,可以自由伸缩,(可锁定气弹簧可以任意定位)用途广泛,但是安装时要注意以下要点:a.气弹簧活塞杆必须向下位置安装，不得倒装,这样可以减低摩擦和确保最好的阻尼质量及缓冲性能。b.决定支点安装位置是气弹簧能否正确进行工作的保证，气弹簧必须用正确方法安装，即当关闭时，让其移过结构中心线，否则，气弹簧会经常自动将门推开。c.气弹簧在工作中不应受到倾斜力或横向力的作用。不得作扶手用。d.为确保密封的可靠性，不得破坏活塞杆表面，严禁将油漆和化学物质等涂在活塞杆上。也不允许将气弹簧先安装在所需位置后喷、涂漆。e.气弹簧为高压制品，严禁随意剖析、火烤、砸碰。f.气弹簧活塞杆严禁向左旋转。如需要调整接头方向，只能向右转动。g.使用环境温度：35+70。（特定制造80）h.安装联接点，应转动灵活，不能有卡阻现象。i.选择尺寸要合理，力的大小要合适，活塞杆行程尺寸要留有8毫米余量。三、空气弹簧的工作原理：气弹簧（gasspring)是一种可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的工业配件。它由以下几部分构成：压力缸、活塞杆、活塞、密封导向套、填充物（惰性气体或者油气混合物），缸内控制元件与缸外控制元件（指可控气弹簧）和接头等。工作原理是在密闭的压力缸内充入惰性气体或者油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动。由于原理上的根本不同，气弹簧比普通弹簧有着很显著的优点：速度相对缓慢、动态力变化不大（一般在1：1.2以内）、容易控制；缺点是相对体积没有螺旋弹簧小，成本高、寿命相对短。橡胶空气弹簧工作时，内腔充入压缩空气（工作压力0.7MPa），形成一个压缩空气气柱。随着振动载荷量的增加，弹簧的高度降低，内腔容积减小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱的有效承载面积加大，此时弹簧的承载能力增加。当振动载荷量减小时，弹簧的高度升高，内腔容积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时弹簧的承载能力减小。这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递。图表4 工作原理图如图表4所示。平面AA与橡胶空气弹簧胶囊表面相切，且垂直于胶囊轴线（a）。因为胶囊是柔性的橡胶薄膜，根据薄膜理论的基本假设，胶囊不能传递弯矩和横向力，因此在胶囊切点处只传递AA平面中的力。根据力的平衡条件： F =(P-Pa) A=(P-Pa)R2F橡胶空气弹簧承受的载荷，N；P橡胶空气弹簧的内压，N/cm2Pa大气压，通常取为10N/cm2A橡胶空气弹簧的有效面积，又称承载面积，cm2R橡胶空气弹簧的有效半径，cm；如采用一个以上的橡胶空气弹簧： F=i(P-Pa) A=i(P-Pa)R2i橡胶空气弹簧的个数。四、空气弹簧的应用及发展：1空气弹簧在汽车上的应用 1947 年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧，到 1964 年，德国生产的 55 种大中型公共汽车，有 38 种使用了空气弹簧。目前，空气弹簧在国外高速客车和豪华城市客车上的使用率已达到 100%，在中、重型货车以及挂车上也超过80%，如美国的 Ford，德国的 Man 等。有 些高级轿车上也选装了空气弹簧，如 美国的林肯，德 国的奔驰 600 等。在一些特种车辆如对防振要求高的仪表车、救护车及要求带高度调节的集装箱运输车上，空气弹簧的应用更为广泛。近年来空气弹簧在商用汽车上使用发展较快，常用的空气弹簧有如图 5、6、7、8所示四种。图表5 筒状空气弹簧图表6 变载而活塞型筒状空气弹簧图表7 直筒式活塞边缘压紧式筒状空气弹簧图表8 双环型空气弹簧我国在于20 世纪50 年代就对空气弹簧进行了研究。1957 年，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作制造出了我国第一辆装有空气弹簧的的载重汽车，相继又设计制造了公共汽车用空气弹簧。近年来，随着汽车技术的发展及国外空气悬架的引进，小部分国产高级旅游车开始采用进口空气弹簧，如 沈阳飞机制造厂、北 方汽车制造厂、厦门金龙联合汽车公司、亚星客车集团公司、丹东汽车制造厂等生产的客车。 近年来，随着空气弹簧应用的推广，对空气弹簧的研究和开发越来越得到重视。四方所研制了豪华客车用 SYS330 型空气弹簧。该空气弹簧为自由膜式空气弹簧，由上盖板、胶囊、应急橡胶挡和底座（兼作附加气室），采用压力自密封方式密封。贵州前进橡胶股份有限公司对南斯拉夫桑诺斯，德国沃尔沃、凯斯抱尔等客车的橡胶空气弹簧进行了研究。交通部重庆公路科研所研制D膜式空气弹簧在实际使用中性能良好，使用寿命达 10 万公里以上，已在进口和国产车上大量装用。河南尉氏县橡胶厂研制的空气弹簧用于匈牙利的依卡露斯256 型大型豪华客车上，运 行10 万公里无质量问题。株洲时代新材研制了 EQ6111 汽车空气弹簧(图8)，已通过了 1 万公里装车运行试验， 还开发了用于厦门金龙客车的29S35000汽车空簧，并通过了 500 万次疲劳试验。图表9 EQ6111 汽车空气弹簧2空气弹簧在轨道交通上的应用 空气弹簧广泛应用于快速列车、地铁、轻轨和磁悬浮列车等轨道车辆上。 a.在快速列车上的应用20 世纪70 年代初,法国试验型高速列车TGV001的Y225 型转向架上,二系悬挂采用了日本住友生产的约束膜式空气弹簧。80年代初在 TGVPSE上采用了康迪泰克公司生产的高柔性684N4.10B 空气弹簧，保证了TGV 于 1990 年在创造世界纪录的 515km/h速度时仍具有优良的运行平稳性。由于这种大曲囊式空气弹簧(图9)在TGVPSE上的成功应用，TGV 的所有其他系列如 TGVA、TGV2N、E UROSTAR（ 欧洲之星）、T HALYS（欧洲国际联运用）、西 班牙AVE、韩 国TGV等都采用了该空气弹簧。图表10 TGCPSE上的空气弹簧悬挂装置德国试验型高速列车 ICE 使用了康迪泰克生产的高柔性7050N.10 型空气弹簧(图 10)，曾于 1987 年创下了当时的世界纪录 406km/h 。瑞典X2000 型摆式列车上，其拖车转向架二系悬挂由空气弹簧、上下摇枕和橡胶堆组成。空气弹簧置于车体与上摇枕之间。其动车转向架二系悬挂为无摇枕结构，空气弹簧直接座落在构架上。日本300 系、400 系、500 系、500 系、700 系客车均采用了空气弹簧。300系客车转向架上采用大横向变位、小横向刚度自由膜式空气弹簧。图表11 用于 ICE 的康迪泰克空气弹簧系统空气弹簧标准工作高度为201mm，工作压力为 0.37Mpa，有效直径为500mm，最大横向变位可达100 mm。400 系客车采用无摇枕转向架形式，也采用自由膜式空气弹簧作二系悬挂。空气弹簧标准工作高度为 190 mm，工作压力为 0.46Mpa，气囊小半径为60 mm，装有板式可变节流阀，最大横向变位可达 100 mm。500系列试验车空气弹簧采用自由膜式结构，两空气弹簧间距 2600 mm，有效直径为 500mm，空气弹簧标准工作高度为200 mm，工作压力为0.39 Mpa，附 加气室容积70L。700系主要采用了非线性空气弹簧，使空气弹簧在直线行车时较软，在曲线行车时较硬，从整体上改善了乘坐舒适性。 早在 1958 年我国试制的双层客车的转向架上就开始使用空气弹簧,这期间所应用的空气弹簧基本上都是囊式空气弹簧。在 60年代研制的 KZ2 型客车转向架上也采用了空气弹簧悬挂，采用的是约束膜式空气弹簧。经过不断的研制和运用，近年来新型空气弹簧越来越多地应用于我国准高速、高速列车转向架上。在我国的准高速车辆CW2型转向架上采用的空气弹簧安装在摇枕与托架之间，其横向间距为 1956 mm，利用摇枕内腔作为附加气室，空气弹簧与附加气室之间设可调节流阀。具有代表性的是 SYS600A 型空气弹簧(图 11)。图表12 SYS600 型空气弹簧209HS 转向架的二系悬挂采用膜式空气弹簧，其摇枕兼作附加气室用。206KP型转向架采用无摇枕动台结构，并采取了橡胶堆弹性支承空气弹簧系统，也设置了可变节流孔。具有代表性的是 SYS550C 型空气弹簧(图 12)。此外，SW200型和SW160型转向架采用SYS550D 型和SYS600A 型空气弹簧，其结构特点与 SYS550C 和 SYS600A型基本相同。在此基础上，我国郑武线200km/h 以上线正在试验中，浦厂研制的PW200型转向架上采用了新研制的大柔度的空气弹簧及纵向牵引拉杆，提高了车辆的平稳性。图表13 SYS550 型空气弹簧b.在地铁上的应用上海地铁无摇枕转向架采用了高