空气悬架的设计实例

空气悬架的设计实例 要求特性和材料 (1)内层橡胶：气密形、屈曲性、和胎线层的粘接性：天然橡胶 （ NR)、 SBR (2)中间加强层：耐气压、屈曲性，和橡胶的粘接性 尼龙等胎线层 2层斜交构造 (3)胎线层：确保和橡胶的粘接性，利用特种粘接剂处理 (4)外层橡胶：曲屈性、耐氧老化性、和胎线层的粘接性、： CR、 NR混合配合 (5)橡胶膜端部： 为了确保和金属安装部位的气密性 在橡胶内部埋设环状的钢丝圈 钢丝圈：硬钢线材 （ SWRH5B) (6)橡胶膜： 内层橡胶： 2mm 中间加强层： 2mm 外层橡胶： 2mm (7)胎线层：单根直径： 0.7mm 钢丝圈： 1.0mm 3列 行 空气悬架的设计实例 空气弹簧 -构造 外层橡胶 胎线 1 胎线 内层橡胶 端部 （钢丝圈 ） 空气悬架的设计实例 空气弹簧 -构造 囊式 膜片式 外筒 内筒 （活塞 ） (1)囊式 备有中间环，在橡胶膜下面设有活塞 压缩时，受压面积增大，拉伸时，受压面积减小 (2)套 （ 膜片 ） 式 在橡胶膜外部没有中间环等约束零件 压缩和拉伸时，受压面积基本不变，极端拉伸时，受压面积减小 2种空气弹簧橡胶膜 的运动形态 空气悬架的设计实例 空气弹簧 -囊式构造 限位橡胶块 紧固金属件 上面板 中间环 橡胶膜 活塞 空气悬架的设计实例 空气弹簧 -囊式构造 限位橡胶块 紧固金属件 上面板 中间环 橡胶膜 活塞 空气悬架的设计实例 空气弹簧 -构造 美国开发的典型膜片式空气弹簧： 如下图所示，带 -膜片（ Band Diaphragm） 式 （左） 和单圈（ Single Convolution） 式 (中） 空气弹簧，在内 筒、外筒 和橡胶膜的接触部位，对金属件作了许多研究，根据 压缩长度的变化，能适当的控制受压面积的变化，实现了载荷 -变形特性曲线的非 线性变化。 带 -膜片式 （通用轮胎公司 ） 单圈式 （Fire-stone公司 ） Rolling Rove式 （固特异公司 ） 空气悬架的设计实例 空气弹簧 -金属件和橡胶膜结合部位的结构 上部 下部 连接方式 A 连接方式 B 连接方式 C 自密封式 卷封式 连接方式 空气悬架的设计实例 空气弹簧特点 空气弹簧作为防振缓冲元件，本质上，和金属弹簧及橡胶（减振橡胶 ） 等的功能 一样，和上述其他减振元件相比，具有如下特点。 (1) 空气弹簧是特别柔软的弹簧 。 具体和振动系有关，系统的固有频率可低到 0.7 3.5Hz左右 。 (2) 设计空气弹簧时，弹簧高、最大载荷力、弹簧刚度可以分别独立设定 。 (3) 将空气弹簧和辅助储气罐连接在一起，在降低弹簧刚度的同时，在储气罐连 接部位设置节流阀，能够获得阻尼效果。 一般，辅助储气罐容积取为空气弹簧单体容积的 1.5 3倍。 (4) 积极利用基于空气力和橡胶膜刚度的空气弹簧横刚度，空气弹簧也能兼作 水平 方向 减振弹簧。 (5) 利用水平阀自动调整车高，即使车辆载重变化，也能保持正常的车高。因而， 能够始终保持支持体的高度不变。 (6) 高频振动的绝缘性好，防噪声效果优异。 空气悬架的设计实例 自动车高调节阀 （ 水平阀 ） 空气弹簧用作车辆悬架时，同时采用车高调节阀，可保持支撑体高度一定不变。具 体参见原理图。 车体载荷增加，车高下降时：拉杆 G通过弹簧 E的介入，将杆 F 推向上方，打开 供气阀 A， 压缩空气通过主空气管进入储气罐，流进空气弹簧，使车体抬高，恢复 原有高度 。 车体载荷减小，车体上升时：空气 弹簧被拉伸，拉杆 G被压下，排气 阀 B打开，空气弹簧内部压缩空气被 放出到外部，车体高度恢复到原车高。 从振动方面考虑，不希望自动车高 调节阀敏感。为此，在拉杆上追加 了油减振器和弹簧 E， 防止调节阀的 过敏反应。实际上，还做了许多设计 改进，例如在流路中设置高阻尼，在 振幅中心位置留出一定间隙，使高度 调节阀难于动作。 主空气管 调压阀 储气罐 辅助储气罐 空气弹簧 节流孔 车体 簧下构造 路面等 空气悬架的设计实例 空气弹簧特性计算式 (1/3) 假设橡胶膜断面周长不发生伸缩 。 Diaphragm Diaphragm Bellows （1）载荷 W和内压 的关系 Gauge Bellows Bellows （2）有效受压面积 A和变形 的关系 其中， W：载荷 kg； P:内压 kg/cm2； A:有效面积 cm2。 随气囊压缩伸长，气囊的有效直径从 D0变为 D，所以其 有效面积也将从 A0变为 A。但是在较小的变形条件下，下 式成立。 其中， A0：变形中心位置的有效面积 cm2； D0：变形中心位置的有效直径 cm； X：变形中心 位置的变形 cm（压缩为正，拉伸为负）； n气囊的波纹凸起数。 若为膜片气囊，相对于气囊变形 X，受压面积变化 dA/dX与气囊内外壁面的形状关系复杂， 一般大都使用试验数据或利用计算线图来加以处理。但是对于内外壁面都是之童装的气囊 来说，可以简化成受压面积变化 dA/dX=0.这时，可以使用下式进行计算。 空气悬架的设计实例 空气弹簧特性计算式 (2/3) （3）载荷 W和变形 的关系 （4）变形中心的弹簧刚度 和内压 0的关系 （5）固有频率 f 的计算式 其中， Heo(=Vo/Ao)：有效高； Vo变形中心位置的内部容积 cm2，若带有副气罐 P时，也包含该容积； Po：变 形中心的气囊内压 kg/cm2； K:缸内压缩多变指数（静态为 1，动态 1.4）。 若为膜片式气囊，右边第一项为 P0（ dA/dX），如前所述，一般使用试验数据或既有线图老求 解（ dA/dX）。 其中， f:固有频率 Hz； K：动刚度 kg/cm；通常 K=1.4； g：重力加速度 cm/s2。 空气悬架的设计实例 空气弹簧特性计算式 (3/3) （）最佳节流孔面积 a 的计算式 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 囊式 （ 利用活塞容积 ） 限位档块间距 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 囊式 （ 不利用活塞容积 ） 限位档块间距 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 膜片式 （ 利用活塞容积 ） 限位档块间距 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 筒式 （ 不利用活塞容积） 限位档块间距 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 带气柱管的膜片式空气弹簧 这是行程超过 200mm， 大客车用空气弹簧。在行程中间部位，拉伸压缩柔软，弹簧 刚度增加呈反 S形特性，为了获得大的簧下振动阻尼，引入了气柱管式减振机构。 件号 名 称 材 料 参 数 规 格 膜片 活塞 管 片 卷边板 橡 胶 , 胎 线 SPCC SPCC SPCC STK 30 橡胶 , SWRH4B 环带 安装高 有效直径 行程 外 径 弹簧 单体容积 340mm 197mm 110mm 110mm 压缩 拉伸 282mm 5.3 卷边板 SPCC 辅助储气 罐容积 7 活塞盖 外护套 橡胶 橡胶 重 量 12.2 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 带气柱管的膜片式空气弹簧 件号 名 称 材 料 参 数 规 格 橡胶囊 橡胶 , 胎 线 有効直径 D 0 240 带橡胶 中间环 限位档块 活塞 紧固环 SPCC、 S25C SPCC, S25C 上面板 橡胶密封 橡胶 零件重量 kg 可变节流孔 尼龙等 橡胶 SS41 橡胶 SPCC SPCC, S25C 最大外径 D maxmm 标准高 Hmm 限位档块间距 hmm 常用 最大 行程 内部容积 拉伸 mm 压缩 mm 220 293 271 220 220 75 75 140 140 100 100 16.7 14.4 7 8 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 管 中 的空气质量，恰好是 2个弹簧（辅助储气罐和膜片中的空气弹性）的支撑形式。 其特点是，使该气柱的共振频率和车辆的簧下固有频率一致，在发生共振时，气柱 的运动量达到最大，由于管壁和气柱的摩擦，可以获得大的减振阻尼力。 空气 弹性 管内空 气质量 空气 弹性 空气弹 簧变形 空气管内摩擦力产 生的阻尼力弹性 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 静载荷 变形的关系 变形 mm 拉伸 压缩 载荷（ T） 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 动刚度和频率 频率 Hz 动刚度 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 阻尼力和频率、振幅的关系 频率 Hz 阻尼力 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 大客车用，带节流孔的活塞 -囊式空气弹簧 件号 名 称 材 料 参 数 规 格 橡胶 气囊 橡胶 胎线 有效直径 D 0 240 带橡胶 中间环 限位档块 活塞 紧固环 SPCC、 S25C SPCC, S25C 上面板 橡胶密封 橡胶 零件重量 kg 可变节流孔 尼龙等 橡胶 SS41 橡胶 SPCC SPCC, S25C 最大外径 D maxmm 标准高 Hmm 限位档块间距 hmm 常用 最大 行程 内部容积 拉伸 mm 压缩 mm 220 293 271 220 220 75 75 140 140 100 100 16.7 14.4 7 8 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 可变节流孔的构造 可变节流孔流量特性 可变节流孔 作动原理图 螺母 壳体 副 阀 主 阀 弹 簧座 A固定孔 B、C孔径可 变 的 节 流孔 壳体 （辅 助 储 气罐） 弹簧座 弹簧 副 阀 主 阀 接通到波 纹软 管 压 力差 流量 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 空气弹簧阻尼力和频率的关系 变形 mm 载荷（ T） 拉伸 压缩 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 空气弹簧静载荷 -变形曲线图 变形 mm 拉伸 压缩 载荷（ T） 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 空气弹簧的共振特性 加振频率 Hz 簧上质量振幅 mm 孔径固定的孔 孔径可变的节流孔 簧上质量 200kg 加振振幅 10mm -2 28/30 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 空气弹簧固有频率和载荷的关系 载荷 kg 固有频率 Hz 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 空气弹簧动刚度和频率的关系 簧上载荷 1500kg 辅助储气罐容积 Vt=20L 振动频率 Hz 簧上刚度 kg/cm 空气悬架的设计实例 车用空气弹簧的具体设计实例 空气弹簧阻尼力和频率的关 系 簧上载荷 1500kg 辅助储气罐容积 Vt=20L 振动频率 Hz 阻尼力 kg