商用車空氣彈簧的結(jié)構(gòu)特點及缺陷分析

陳皓云,董福龍

（安徽科技學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，安徽 鳳陽233100）

空氣彈簧在國外商用車上得到普遍的應(yīng)用，其中在高級大客車上的使用率已達(dá)100%，在中、重型貨車上也超過了85%.在我國由于受整車生產(chǎn)技術(shù)的影響，商用車上裝備空氣彈簧的普及率還不高.隨著我國高速公路的迅速發(fā)展，客貨公路運(yùn)輸量的增加以及對高性能商用車的需求，我國汽車行業(yè)“十一五規(guī)劃”要求重點發(fā)展適應(yīng)高速公路需要的大中型客車，載貨汽車重點發(fā)展重型載貨汽車.2002年交通部頒布實施了《營運(yùn)客車類型劃分及等級評定》（JT/T325-2002）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高級大中型客車必須采用空氣懸架.近年來我國加強(qiáng)了對車輛與道路相互作用機(jī)理的研究，政府對高速公路的養(yǎng)護(hù)及超載治理日益重視，對重型貨車道路友好懸架的認(rèn)識進(jìn)一步深入，空氣彈簧在商用車上應(yīng)用的推廣已具備了良好的外部環(huán)境.

加強(qiáng)空氣彈簧特點及其故障現(xiàn)象的認(rèn)識，減小空氣彈簧因人為因素而產(chǎn)生的破壞，對保證空氣彈簧的高壽命，提高空氣彈簧的運(yùn)行安全，降低裝用空氣懸架商用車的成本，促進(jìn)空氣彈簧在商用車上的推廣應(yīng)用有積極的意義.本文介紹了空氣彈簧的特點，并依據(jù)其特點對空氣彈簧在使用中出現(xiàn)的故障及防范措施進(jìn)行了分析.

1 空氣彈簧的結(jié)構(gòu)

空氣彈簧是由橡膠氣囊和其他部件組成，其內(nèi)部充滿壓縮氣體.其中橡膠氣囊是空氣彈簧的重要部件，一般由內(nèi)橡膠層、外橡膠層、簾線層和成型鋼絲圈硫化（交聯(lián)）而成.根據(jù)橡膠氣囊工作時的變形方式，商用車空氣彈簧的結(jié)構(gòu)形式主要分為囊式和膜式兩大類，如圖1、2所示.

囊式空氣彈簧是燈籠形結(jié)構(gòu)，其曲囊可以由一段或數(shù)段串聯(lián)而成，分別稱為單曲、雙曲或多曲囊式空氣彈簧.囊式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊的撓曲獲得彈性變形，它由橡膠氣囊、輔助氣室、上蓋板、夾緊環(huán)、緩沖等組成.

膠氣囊、上蓋板、緩沖塊、活塞底座組成，有時活塞底座空心內(nèi)腔還起輔助氣室的作用.

根據(jù)橡膠氣囊止口與接口的連接方式，膜式空氣彈簧又分為約束膜式和自由膜式.約束膜式

空氣彈簧的密封一般用螺栓夾緊密封，自由膜式空氣彈簧則是采用橡膠氣囊內(nèi)的壓力自封.

圖1 囊式空氣彈簧

圖2 膜式空氣彈簧

2 空氣彈簧剛度特性

空氣彈簧的支承和彈性作用主要取決于彈簧內(nèi)的壓縮氣體.空氣彈簧的承載力F可表示為：

式中pi為空氣彈簧內(nèi)氣體工作壓力；Ae為空氣彈簧有效承壓面積.

通過承載力F對彈簧行程s求導(dǎo)可得空氣彈簧剛度k.

空氣彈簧工作時其內(nèi)部氣體滿足氣體狀態(tài)方程，即

式中p為空氣壓力；po為大氣壓力；V為空氣體積；C為常數(shù)；n為氣體的多變指數(shù).多變指數(shù)n的選擇取決于空氣彈簧變形的速度，變形慢時可視為等溫過程，n≈1；變形快時為絕熱過程，n≈1.3~1.4.

將式（3）兩邊對彈簧行程s求導(dǎo)，得

在實際工程中，空氣彈簧剛度是用試驗的方法來測定的.在空氣彈簧剛度試驗機(jī)上，測定在不同工作壓力下空氣彈簧的承載力F和彈簧行程s的關(guān)系，得出一組空氣彈簧剛度特性曲線，該曲線橫坐標(biāo)為空氣彈簧行程，縱坐標(biāo)為承載力，曲線的斜率即為空氣彈簧的剛度.圖3膜式空氣彈簧的剛度特性曲線.

3 空氣彈簧的缺陷分析

3.1 使用的注意事項

3.1.1 工作氣壓

為避免空氣彈簧由于氣壓過低或過高造成早期損壞，空氣彈簧的工作氣壓應(yīng)在一個嚴(yán)格的范圍內(nèi).空氣彈簧采用箍環(huán)密封時，一般充氣壓力不低于0.07MPa，若采用輪緣夾緊或壓力自密封時，充氣壓力不低于0.1MPa.一般空氣彈簧的設(shè)計使用壓力為爆破壓力的三分之一，對于工作環(huán)境較好的場合，空氣彈簧的設(shè)計使用壓力可達(dá)到爆破壓力的二分之一.

圖3 膜式空氣彈簧剛度特性曲線

3.1.2 工作行程

每一種空氣彈簧的性能數(shù)據(jù)表中都列有該空氣彈簧的許用行程，為保證空氣彈簧的使用壽命，空氣彈簧在使用過程中不允許超出空氣彈簧的許用行程.

3.1.3 安裝條件

空氣彈簧在安裝時應(yīng)盡量保證上蓋板與下蓋板或底座具有相同的中心線，盡量減空氣彈簧中心線的偏移和傾斜.同時還應(yīng)保證具有足夠的安裝空間，空氣彈簧不得與任何部件產(chǎn)生摩擦，在使用過程中不能與任何部件產(chǎn)生運(yùn)動干涉，并要防止堅硬物體的沖擊.

3.1.4 運(yùn)輸與貯存

橡膠空氣彈簧在運(yùn)輸與貯存過程中，應(yīng)盡量保持干燥、陰涼和通風(fēng).應(yīng)避免暴曬，禁止與酸、堿、油和其它有機(jī)溶劑接觸，并遠(yuǎn)離熱源.

3.1.5 更換或替換

更換空氣彈簧時應(yīng)按其型號規(guī)格進(jìn)行更換，若無法得到相同型號規(guī)格的空氣彈簧時，應(yīng)選用具有相同性能的空氣彈簧進(jìn)行更換.

3.2 缺陷分析

3.2.1 膠囊缺陷

3.2.1.1 橡膠氣囊表面磨損.空氣彈簧與周圍零部件的間隙不夠，工作時與空氣懸架的其他零部件摩擦而產(chǎn)生磨損；當(dāng)膜式空氣彈簧的活塞底座外粘有砂石或泥土等硬物時，橡膠氣囊的往復(fù)運(yùn)動將與硬物摩擦產(chǎn)生磨損.磨損嚴(yán)重時橡膠氣囊會產(chǎn)生破洞.若減振器損壞、空氣管路或制動系管路松動等造成與橡膠氣囊干涉而產(chǎn)生摩擦，也會使橡膠氣囊表面磨損.

3.2.1.2 橡膠氣囊表面出現(xiàn)化學(xué)侵蝕的孔洞.當(dāng)橡膠氣囊粘上潤滑脂、潤滑油或汽油等時，若不及時清洗，潤滑脂等將侵蝕橡膠氣囊的表面，并會出現(xiàn)化學(xué)侵蝕孔洞.

3.2.1.3 橡膠氣囊疲勞老化，出現(xiàn)皺裂.橡膠氣囊由于沾上了油脂等而導(dǎo)致過早老化，也有可能是正常老化.

3.2.1.4 橡膠氣囊癟陷，無法承受載荷.空氣控制管路泄漏或堵塞；高度控制閥失效；儲氣罐內(nèi)氣壓太低，不能打開壓力保護(hù)開關(guān).

3.2.2 上蓋板缺陷

3.2.2.1 上蓋板凹陷.空氣懸架高度過低，空氣彈簧長期在較低氣壓下工作；高度控制閥失效；橡膠氣囊內(nèi)氣壓太低，同時車輛超載嚴(yán)重；使用的空氣彈簧型號不對.

3.2.2.2 上蓋板凸起.空氣懸架高度過高，空氣彈簧長期在超正常氣壓下工作；高度控制閥失效；減振器損壞或型號不對；使用的空氣彈簧型號不對.

3.2.2.3 上蓋板螺釘松動、脫扣.對于螺釘緊固密封方式的空氣彈簧，由于組裝時上蓋圓周各螺釘緊固力大小不一，螺釘受力不均.在運(yùn)行過程中會慢慢松動、脫扣.

3.2.3 節(jié)流閥缺陷

節(jié)流閥脫落.對于采用螺釘緊固來保證閥座與閥套間的相對位置的節(jié)流閥，在振動過程中螺釘容易松動，導(dǎo)致閥座與閥套松動脫開.

3.2.4 漏氣故障

橡膠氣囊與上蓋板或活塞底座結(jié)合處開裂、漏氣，或螺栓根部漏氣.空氣彈簧長期在超出伸張許用行程的范圍內(nèi)工作；橡膠氣囊內(nèi)氣壓過高，超載嚴(yán)重；空氣懸架減振器損壞或型號不對；緩沖塊偏心接觸，導(dǎo)致橡膠氣囊與上蓋板邊緣或活塞底座結(jié)合處局部磨損.冬季氣溫過低且溫差較大，導(dǎo)致膠囊外表面破裂.

3.3 解決措施

（1）空氣懸架裝配時，嚴(yán)格按照技術(shù)指標(biāo)選用合理型號的空氣彈簧，防止空氣彈簧在過低或過高的氣壓下工作.

（2）安裝過程中確保空氣彈簧與周圍的零部件的間隙合理，保證其與其他部件不產(chǎn)生摩擦.

（3）橡膠囊外層選有高強(qiáng)度的橡膠材料，提高空氣彈簧膠囊外層橡膠的強(qiáng)度.

（4）加強(qiáng)橡膠配方的工藝研究和質(zhì)量管理，進(jìn)一步提高橡膠材料的耐疲勞、耐老化和耐低溫的性能，保證空氣彈簧在低溫下的密封可靠性.

（5）避免化學(xué)及油類物質(zhì)接觸空氣彈簧橡膠氣囊表面.

（6）對于螺釘緊固密封式的空氣彈簧，上蓋螺釘松動、脫扣時，螺釘加螺釘緊固膠擰緊，螺釘斷裂時應(yīng)更換質(zhì)量可靠的螺釘.

4 結(jié)束語

空氣彈簧具有非常突出的優(yōu)點.裝備空氣懸架的商用車具有良好的行駛特性，可實現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié)，對高速行駛的重型貨車，還能減小對對高速公路路面的破壞.但是為了保證空氣彈簧的使用壽命，還必須特別注意保持正確的空氣彈簧工作氣壓和工作行程，加強(qiáng)對空氣懸架的維護(hù)和保養(yǎng)，嚴(yán)防高度控制閥失效，防止其他零部件與橡膠氣囊的干涉摩擦，同時還應(yīng)加強(qiáng)空氣彈簧的清潔處理，減小橡膠氣囊表面的損傷.只有這樣才能充分發(fā)揮空氣彈簧的優(yōu)勢，實現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)、技術(shù)價值.

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