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 重型载货车驾驶室用空气弹簧减振器的设计
 
 
1  空气弹簧减振器工作状态示意图
随着汽车工业的飞速发展,公路运输业得以大幅提升,货运驾驶员对驾乘舒适性提出了更高的要求,原来采用螺旋弹簧减振器支撑驾驶室的机构已不能满足这一要求。从另一方面讲,提高驾乘舒适性,对提高行驶的安全性也至关重要。因此,空气弹簧减振器在重卡驾驶室上的应用也成为行业发展的必然趋势。
空气弹簧减振器系统的组成及工作原理
如图1所示,空气弹簧减振器系统由空气弹簧、筒式液压减振器、高度控制阀、连接杆和空气管路等组成,其工作原理如图2所示。
高度控制阀实质上是一个机械可变行程控制式的三位三通换向阀与一个并联组合单向阀而合成的一个气路控制单元。驾驶室安装完毕后,在重力作用下,驾驶室会下移,带动连接杆使高度控制阀的阀芯向下移动,进气通路接通,压缩空气克服单向阀Ⅰ的阻力,向空气弹簧内充气,内压升高,空气弹簧的刚度增加,使驾驶室举升,同时也带动连接杆使高度控制阀的阀芯向上移动,直到空气弹簧的举升力等于驾驶室的重力为止。此时,高度控制阀阀芯处于中间位置,关闭进气通路,驾驶室的重力与空气弹簧的举升力达到平衡,驾驶室处于相对静止状态。
驾驶室在外力的作用下迅速向下移动时,连接杆带动高度控制阀的阀芯向下移动接通进气通路,压缩空气克服单向阀Ⅰ的阻力向空气弹簧内充气,橡胶囊下端也向下滚动,空气弹簧刚度增加,与筒式液压减振器一起阻止驾驶室快速向下移动。
驾驶室在外力的作用下快速向上移动时,连接杆带动高度控制阀的阀芯向上移动,接通排气通路,空气弹簧内的气体克服单向阀Ⅱ的阻力排入大气,橡胶囊的下端向上滚动,空气弹簧的刚度减小,与筒式液压减振器一起阻止驾驶室快速向上移动。
 
2  空气弹簧减振器系统的工作原理
在不断变化的空气弹簧举升力和筒式液压减振器阻尼力作用下,驾驶室便以一个较小的振幅和较慢的速度上下移动,因而提高了驾乘舒适性。
空气弹簧的组成及功能
空气弹簧由上盖、橡胶囊、上箍环、下箍环、空气弹簧活塞、O形橡胶密封圈和缓冲块等组成(如图3所示)。
上盖与橡胶囊的一端连接,用上箍环把橡胶囊紧紧地扣压在上盖的外圆周上,上盖的内孔有环形槽,装有O形橡胶密封圈,与筒式液压减振器的活塞杆配合,起到密封作用。上盖端面装有缓冲块,当驾驶室突然大幅度下降时,缓冲块与筒式液压减振器的上端接触,起到缓冲作用,以保证筒式液压减振器不被撞坏。空气弹簧活塞与橡胶囊的另一端连接,用下箍环将橡胶囊紧紧地扣压在活塞上端的外圆周上,活塞内孔有环槽,内装有O形橡胶密封圈,与筒式液压减振器外筒配合,起到密封作用。空气弹簧活塞上有通气孔,装有空气接头,以便充、放气。这样,上盖、橡胶囊、空气弹簧活塞与筒式液压减振器一起便形成一个密闭的空间。通过充、放气,上盖上下移动,橡胶囊在空气弹簧活塞外圆上上下滚动,从而使空气弹簧的刚度不断的发生变化,以适应驾驶室在外力作用下运动力的不断变化。
 
空气弹簧的设计与制造
1.上盖的设计
上盖与橡胶囊接触带的总抗拉强度应大于上箍。环与橡胶囊接触带的总抗拉强度,在扣压后,橡胶囊和上箍环在接触带产生塑性变形,而上盖的接触部位仍在弹性变形区域,从而保证了扣压以后的紧固性、密封性,且不易松动拉脱。
在上盖与橡胶囊的接触部位,设计多道小环形槽,与橡胶囊形成迷宫形密封,在扣压后,保证密封性与紧固性,增大摩擦力,防止橡胶囊被拉脱。上盖内凸起的外圆周上设计凹环槽,缓冲块倒挂其上,防止缓冲块与减振器上端撞击时脱落。上盖的内孔设计两道环槽,安装O形橡胶密封圈,以增加其密封效果。
2.空气弹簧活塞的设计
活塞与橡胶囊接触部位的设计与上盖的设计相同,且空气弹簧活塞的材料最好与上盖相同且导热性能良好。同样,在活塞的内孔加工出两道环槽,安装O形橡胶密封圈,保证密封可靠。在活塞内圆周上设计多道加强筋,增加强度,提高抵抗扣压时的变形能力,同时增加与气体的接触面积,提高导热性。
 
空气弹簧活塞高度的确定是一个重要问题。一是要保证筒式液压减振器在复原行程极限位置时,橡胶囊的下端与空气弹簧活塞接触带应低于扣压部位的结合处,以防止橡胶囊滚动时在扣压部位被划伤;二是要保证筒式液压减振器在压缩行程极限位置时,橡胶囊在滚动时其下端不能超过空气弹簧活塞的下边缘,且应有足够的余量。也就是说,在筒式液压减振器的全行程内,橡胶囊的滚动范围,都应该在空气弹簧活塞设定的工作区域内(如图4所示),避免橡胶囊的早期磨损。
空气弹簧活塞外部形状是一个值得讨论的问题,在相同的气压条件下,即使橡胶囊相同,如果空气弹簧活塞的外形不同,则空气弹簧刚度曲线有很大的差异,对驾驶室的最小举升力及驾乘舒适性有很大的影响,这只能通过试验来确定。图5所示为几种不同外形活塞的空气弹簧刚度曲线。
3.上、下箍环的设计
箍环与橡胶囊接触带的抗拉强度应分别小于活塞与橡胶囊及上盖与橡胶囊接触带的抗拉强度,这样才能保证空气弹簧的内压在达到设定的最大破坏力之前,橡胶囊不被拉脱,且箍环也不失效。
上箍环设计为喇叭口形状,喇叭口部位的最大内径大于橡胶囊滚动范围内空气弹簧活塞的最大外径,即D1maxD4max最大,以保证橡胶囊在充气后向空气弹簧活塞方向翻滚。下箍环的最大外径在扣压后与空气弹簧活塞上端的最大外径大致相等,即D2maxD3max,以减少橡胶囊被划伤(如图6所示)。
 
4.缓冲块的设计
缓冲块一定要选用抗冲击性好、弹性好的材料。缓冲块的下端内孔应大于筒式液压减振器的油封唇外径,避免筒式液压减振器在压缩极限位置时,缓冲块撞击油封唇,使筒式液压减振器发生漏油失效。缓冲块的下端制造出放气槽,防止缓冲块与筒式液压减振器接触时形成瞬时高压,损害油封,使筒式液压减振器发生漏油失效。
5.橡胶囊的设计
橡胶囊的设计尤为关键,除了能保证空气弹簧在内压达到国家标准的破坏性压力之前不失效外,还应能满足以下要求:
1)橡胶囊的长度:保证在筒式液压减振器行程范围内,橡胶囊在空气弹簧活塞设定的工作区域内滚动。
2)橡胶囊的直径:既要能满足驾驶室最小举重力的要求,又要保证在橡胶囊外径最大时与汽车上相邻零件不能发生干涉。空气弹簧充气后,橡胶囊的下部形状如图7所示。橡胶囊在与活塞的接触处形成了两道相切的圆弧,两道圆弧的关系约为R22R1,也就是说,R1约占H距离的1/3,这是由于压缩气体一方面把橡胶囊向活塞的方向挤压,另一方面又把橡胶囊向外侧挤压所致。且H的距离也很重要,直接影响到橡胶囊的使用寿命。由试验得知,当H17时,橡胶囊的寿命会大大降低,故设计时,应保证H18为好。
空气弹簧的有效直径
空气弹簧的有效直径是指空气弹簧在充气后通过橡胶囊最低点的连线,该线段的长度即空气弹簧的有效直径D效(如图7所示)。它是影响空气弹簧举升力的重要参数,而且是一个变量,与橡胶囊结构、空气弹簧活塞的外形及充气压力均有关。在整车设计时,驾驶室静止状态的最大重力,就是空气弹簧的最小举升力,即:
 
式中  F1——驾驶室静止最大重力
F2——空气弹簧的最小举升力
D2——空气弹簧的有效直径
P2——空气弹簧的充气压力
P2值可以设定,然而D2值确定就很困难,目前还没有一种好的方法可以确定,只能通过试验的方法求得。试验时我们充入设定压力的空气,在刚度试验机上进行试验,可以得到空气弹簧的最小举升力,再用下述公式计算:
 
由此可对空气弹簧活塞各处的形状进行修正,以期得到满意的空气弹簧刚度曲线,并与筒式液压减振器的阻尼力值进行匹配,以提高驾乘舒适性。
空气弹簧是在柔性密闭容器中冲入压力空气,利用气体的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。它与普通钢制弹簧比较有许多优点,与筒式液压减振器组合使用,其减振效果更加优越。随着我国汽车工业的飞速发展,它必将广泛用于汽车工业。