空气弹簧特性研究

　　1　空气弹簧特性

　　空气弹簧广泛应用于汽车、铁道车辆以及舰船、航空、工业等领域的动力机械、电子设备、仪器仪表、化工机械等设备。空气弹簧是在柔性密封容器中加入压力空气,当空气弹簧变形时,利用内部空气压缩的反力和随着变形有效受压面积增加的反力这两者之和来提供弹性恢复力。空气弹簧作为隔振支承装置使用时有以下特点:

　　(1)空气弹簧具有非线性,可以将其特性曲线按实际需要进行理想设计,使其表现为在额定载荷附近具有较低的刚度值。

　　(2)即使支承载荷起变化时,借助高度调节阀可以使弹簧高度保持不变。

　　(3)空气弹簧的刚度和承载能力可以通过调节内压来调节。

　　(4)能够隔离高频振动,隔声效果好。

　　(5)具有一定的阻尼。

　　2　空气弹簧的型式

　　空气弹簧在构造上主要分为囊式和膜式两大类[1]。

　　2.1　囊式空气弹簧

　　囊式空气弹簧是由橡皮膜制成的提灯(灯笼)形结构,可以是一段或由数段串接而成,分别称为单曲、双曲或多曲囊式空气弹簧。在各段之间镶有金属轮缘,借以承受内压张力的作用。随着串接段数的增加,刚度变小。

　　2.2　膜式空气弹簧

　　膜式空气弹簧的构造是在金属外筒与内筒,或缸筒与活塞之间放置橡皮膜,通过膜的变形实现整体伸缩。在外筒的内壁与内筒的外壁上预先给出适当的倾斜或曲面,据此橡皮膜伸缩时可沿该壁面发生变形,受压面积随变形而变化。这就可以获得在标准高度下很软,而在大位移时变硬的特性,即合适的非线性弹簧特性。膜式空气弹簧又分为约束膜式和自由膜式。

　　3　空气弹簧原理

　　空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩气体(即空气)。容积比与气体压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的性能。一般采用以下气体定律描述压力和容积的关系。

式中指数n的选择取决于弹簧变形的速度。变形速度慢时可视为等温过程,n≈1;变形速度快时可视为绝热过程,n≈K=1.4。若用p0表示大气压力,则空气弹簧的承载能力由下式表示。

式中pi为表压,且pi=p-p0;Aeff为有效承压面积。

　　刚度可通过对弹簧行程s求导得出。

　　由式(2)可知,弹簧变形速度不同,刚度则不同[2]。f>0.2Hz时,可取n≈K,此时其刚度可认为是动刚度。

　　在式(5)、(6)中,第一项涉及弹簧的几何变化(有效承压面积),而第二项一般是描述各种型式空气弹簧的内部压力变化。

　　4　空气弹簧刚度特性