橡膠空氣彈簧隔振設(shè)計(jì)及性能分析

劉業(yè)剛

(青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

橡膠空氣彈簧是橡膠和簾線制成的彎曲氣囊。膠囊的雙側(cè)可以用兩塊鋼板連起來，形成封閉，構(gòu)成壓縮空氣室。橡膠和簾線自身沒有承重能力，通過填充在膠囊中的壓縮空氣進(jìn)行支承。它是依靠改變其中的壓縮空氣的壓力來獲得所需的剛性。目前，對(duì)于橡膠空氣彈簧的運(yùn)用在中國(guó)已經(jīng)十分成熟，尤其是在高精度儀器和工業(yè)設(shè)備以及車輛等方面的運(yùn)用。

1 橡膠空氣彈簧的工作原理

橡膠空氣彈簧是一種氣壓振動(dòng)隔離儀。在實(shí)現(xiàn)作用時(shí)間間隔內(nèi)，位移變化不隨環(huán)境載荷的添加而變動(dòng)，即具備零壓縮的特征。橡膠空氣彈簧作用時(shí)，里面充滿高壓氣體(內(nèi)部壓力小于0.7 MPa)，出現(xiàn)一系列高壓下形成的氣體柱。負(fù)載能力增大，從而使彈簧的縮短，內(nèi)部的體積縮小，彈簧的剛性增大，里面的氣體柱的有效承載面積增加。當(dāng)負(fù)載能力降低時(shí)，彈簧的長(zhǎng)度會(huì)增大，內(nèi)部空腔的體積會(huì)增加，彈簧的剛度將減弱，氣柱在腔室中的有效承載面積將減小，彈簧的承重載荷能力將降低。在空氣彈簧的有效沖擊下，空腔的高度，空腔的體積和空氣彈簧的承載強(qiáng)度將正常而靈活的傳遞。這是一種十分方便的隔振器[1]。

2 橡膠空氣彈簧的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 橡膠空氣彈簧的設(shè)計(jì)

（1）空氣彈簧張力的大小多數(shù)取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀和材料的不同。在選擇不同成分的橡膠時(shí)，我們需要考慮的東西有很多，首先要了解清楚其中主要材料的性能，還有是從一般的變形結(jié)構(gòu)開始，要對(duì)橡膠的機(jī)械性能有要求，以承受各種零件的應(yīng)力變形和壓縮所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。

（2）橡膠復(fù)合材料的連續(xù)伸長(zhǎng)應(yīng)力主要表示橡膠空氣彈簧阻尼器的應(yīng)力和應(yīng)變能力特性。因而，伸長(zhǎng)應(yīng)力通常用作橡膠組合物的機(jī)械功能指標(biāo)。炭黑用作橡膠空氣彈簧的增強(qiáng)成分，它夠能加強(qiáng)橡膠材料的恒拉應(yīng)力，以及縮小橡膠材料在恒定載荷下的動(dòng)態(tài)變形和壓縮變形，至使熱量的產(chǎn)生大大降低。盡管所用生橡膠的類型不一樣，但必須合理分配每個(gè)組件橡膠層上的拉伸應(yīng)力。

（3）橡膠隔振系統(tǒng)擁有的最初隔振功能是將中高段頻率的振動(dòng)下降至設(shè)想值之下。在低等頻率振動(dòng)下，能夠通過對(duì)阻尼的運(yùn)用來進(jìn)行試驗(yàn)，將它調(diào)整到低振動(dòng)的設(shè)想值下。因?yàn)楸旧碜詭У暮芏嗖蛔?，?duì)很多低振幅和一些超低振幅沒有辦法下降太多，這些是沒有辦法改變的，是其本身的特性帶來的。

（4）橡膠空氣彈簧在不同的設(shè)備或是車輛中的設(shè)計(jì)是不同的。例如要減少大型貨車的振動(dòng)，提高貨車司機(jī)的舒適性，研究人員就對(duì)貨車橡膠空氣彈簧開展過單獨(dú)的設(shè)計(jì)，通過獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，最終采用相匹配的電磁裝置，這個(gè)裝置能夠把橡膠空氣彈簧原有的振動(dòng)幅度削弱到最輕。而且，在其設(shè)計(jì)中，采用獨(dú)特的排序措施，振動(dòng)幅度可以通過這樣的設(shè)計(jì)而被吸收。建議運(yùn)用橡膠簾布膠囊為根基零件，設(shè)計(jì)為上部減振元件[2]。

2.2 橡膠空氣彈簧的應(yīng)用

（1）磁懸浮列車是一種新型的非地面接觸車輛，具備速度高、聲音小、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，備受關(guān)注。在這里面，橡膠空氣彈簧的運(yùn)用是相當(dāng)重要的。車輛研究所已經(jīng)為SYS130A以及SYS130B磁懸浮列車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)支架研發(fā)出膜式和囊式橡膠空氣彈簧。將此幾類橡膠空氣彈簧應(yīng)用于磁懸浮列車的中央懸掛，可以提高磁懸浮列車的乘坐穩(wěn)定性，促進(jìn)了我國(guó)磁懸浮列車的運(yùn)用與研發(fā)。我國(guó)八達(dá)嶺旅行發(fā)展線路的列車使用NEWAY公司制造的空氣彈簧，此橡膠空氣彈簧使用的是液體減振器，并且沒有多余的氣室，以減少其體積和重量。橡膠空氣彈簧的使用使車輛輔助懸架質(zhì)量得到提高，增加了其平穩(wěn)性和耐用性。

（2）橡膠空氣彈簧普遍運(yùn)用在工業(yè)設(shè)備中。因?yàn)槲覈?guó)工業(yè)技術(shù)的突破，許多先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的投入運(yùn)用，橡膠空氣彈簧運(yùn)用也隨之增多。在大多數(shù)機(jī)器減振方式中橡膠空氣彈簧很多時(shí)候采用兩種構(gòu)造方式:束縛膜式和自由膜式。橡膠空氣彈簧在工業(yè)機(jī)械設(shè)備安裝中起緩沖吸震、操控?cái)[動(dòng)或提供壓力技術(shù)功能，與別的相同作用的隔振機(jī)構(gòu)比較，橡膠空氣彈簧構(gòu)造簡(jiǎn)易、技術(shù)可靠，無需繁瑣的數(shù)據(jù)分析和復(fù)雜的構(gòu)造系統(tǒng)，無密封泄露風(fēng)險(xiǎn)，材料對(duì)環(huán)境的污染較小，廢棄處理方便，而且使用時(shí)間較長(zhǎng)[3]。

（3）橡膠空氣彈簧在車輛領(lǐng)域上得到了普遍的應(yīng)用?？諝鈴椈稍谝恍┐罂蛙?、重型卡車、高性能商務(wù)車上的使用已經(jīng)占有很高的比重，而且根據(jù)我國(guó)汽車行業(yè)規(guī)劃要求，大型車輛的設(shè)計(jì)要符合對(duì)公路有一定保護(hù)的要求?，F(xiàn)已規(guī)定總質(zhì)量大于等于12 000 kg的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車的后軸，所有危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸半掛車，以及三軸欄板式、倉柵式半掛車應(yīng)裝備空氣懸架。

3 橡膠空氣彈簧的性能

（1）橡膠空氣彈簧可單獨(dú)設(shè)計(jì)，具有較好的彈簧高度和承載能力設(shè)計(jì)空間，以及彈簧極軟的特性。

a.彈簧高度。運(yùn)用承載重量感應(yīng)閥門，可以方便操控空氣彈簧的高度，并在其承受重量變動(dòng)的時(shí)候維持一定的高度。

b.承受載荷的能力好。橡膠空氣彈簧可以通過改變自身的內(nèi)部壓力以得到很多的承受重量，此承受載荷的大小大約和構(gòu)件里面的壓力成比例關(guān)系。橡膠空氣彈簧能滿足多種載荷的要求，所以經(jīng)濟(jì)性比較好，橡膠空氣彈簧安裝的位置均可承受45～4 500 kg的負(fù)載。

（2）彈簧剛度。在不同的負(fù)載條件下，其剛度可以根據(jù)內(nèi)部氣壓的變化來解決。剛度大約與構(gòu)件里面的壓力是正比例關(guān)系，所以我們能夠根據(jù)需要選擇任意的剛度。至于一定大小的橡膠空氣彈簧，其剛度也是可以發(fā)生變化的，并且隨著重量變化而改變，所以在每一個(gè)載荷下，固有頻率大概是穩(wěn)定的，所以能夠讓支撐系統(tǒng)可以擁有較為穩(wěn)定的功能。

（3）原有的本身振動(dòng)頻率相對(duì)很低。其零件與一多加的一個(gè)氣室相互連接，可以將其設(shè)備的原有的振動(dòng)頻率下降到至0.5～3 Hz。

（4）空氣阻尼作用主要用于在橡膠空氣彈簧和內(nèi)部可用空間之間可以增加一個(gè)開口，當(dāng)彈簧承載振動(dòng)時(shí)，空氣經(jīng)過開口，使更多的能量損失，從而減少振動(dòng)。

（5）可用時(shí)間更長(zhǎng)，橡膠空氣彈簧的耐磨性比金屬彈簧好。懸架的應(yīng)力測(cè)試表明，鋼板彈簧經(jīng)過10萬次振動(dòng)后斷裂，而橡膠空氣彈簧在40 mm振幅和2.7 Hz頻率下經(jīng)過500萬次以上振動(dòng)后并未發(fā)生破裂，所以其耐用性要比金屬類彈簧要高出很多，降低維修成本，提高了其設(shè)備的安全性能。

（6）橡膠空氣彈簧與防振橡膠一樣，在軸向和旋轉(zhuǎn)方向上具有良好的支撐和抗振動(dòng)效果。

（7）橡膠空氣彈簧的制作和裝配其所用資金和材料較較少，易于拼裝和改換，而且不需要經(jīng)常維護(hù)。

4 結(jié)論

目前，我國(guó)這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)開發(fā)程度比較成熟，部件設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平，其種類也越來越多，并已得到廣泛的應(yīng)用。盡管在中國(guó)橡膠空氣彈簧在構(gòu)造上比一般隔振器復(fù)雜，但其所需資金和材料很少，設(shè)備更換方便，容易檢修，無需頻繁的修理。這些優(yōu)點(diǎn)使得橡膠空氣彈簧應(yīng)用于日常的機(jī)器或者一些高精度的儀器及車輛時(shí)具有更高的可行性。

相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功能優(yōu)于普通隔振器的橡膠空氣彈簧將很有可能在更多產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用。橡膠空氣彈簧在我國(guó)很有前景，發(fā)展的空間很大，相信隨著相關(guān)技術(shù)人員的努力，橡膠空氣彈簧的設(shè)計(jì)將會(huì)有質(zhì)的突破。