空气弹簧悬架系统的研究与开发

空气弹簧悬架系统的研究与开发

空气弹簧是利用橡胶囊内空气的反作用力作为弹性恢复力的弹性元件。空气弹簧以其良好的减振和隔振性能而被广泛应用于汽车、铁道车辆、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。空气弹簧诞生于19世纪中叶,有专利记载,1847年JohnLewis就申请了空气弹簧的发明专利。在空气弹簧诞生后,很多人在空气弹簧的密封性、结构的改进、应用上进行了大量的研究。空气弹簧最早被用作有轨电车悬架的减振元件,1910年GeorgeBancroft获得了将空气弹簧应用于汽车悬架上的专利。而第一辆装有空气弹簧的汽车产品出现在1914年,是由发明家GeorgeWestinghouse设计制造的,但是由于橡胶制品还有缺陷,导致当时的这些专利和产品没有得到商业应用。直到上个世纪中叶,随着合成人造橡胶的出现,才使空气弹簧得到了真正的应用。1953年通用汽车公司生产的豪华大客车使用了费尔斯通(Firestone)公司提供的以空气弹簧为主要减振元件的悬架系统,使得空气弹簧得到了飞速发展。在空气弹簧得到商业上的推广以后,空气弹簧悬架系统的控制理论与方法成为研究重点。G.J.Stein利用前馈与反馈相结合的“天棚”控制理论,研究了座椅上假人的垂直振动响应并用计算机进行模拟;1984年福特汽车公司在ContinentalMarkVIII型汽车上成功地应用了电子控制空气弹簧悬架系统,从此开始了空气弹簧的智能控制时代。我国空气弹簧的研究始于1957年,当时只是局限于车辆用的空气弹簧。上世纪80年代初长春汽车研究所再次进行了空气弹簧悬架的研究,并为国内几家车辆厂设计了空气弹簧悬架。进入90年代,国内相关研究所、各大汽车厂和一些大专院校陆续开始了空气弹簧产品的研究与开发,如同济大学与安徽江淮汽车底盘股份有限公司等合作将5种客车底盘的钢板弹簧悬架改型为以空气弹簧悬架。空气弹簧除应用在车辆上,还应用在各类机车的座椅减振,航空航天精密仪器、仪表的减振,精密和超精密加工设备的隔振系统、超精密试验平台的振动控制上。2004年哈尔滨工业大学研制出了有效承载面积大于50m2以空气弹簧为隔振系统的超大型精密试验平台。1空气弹簧的结构和性能1.1无摆动固结空气弹簧的应用空气弹簧是由橡胶气囊、上盖板、底座、辅助气室、夹紧环、缓冲块等组成,其内部充满压缩气体。其中橡胶气囊是空气弹簧的重要部件,一般由内层橡胶(气密层)、外层橡胶、帘线层和成形钢丝圈硫化而成。根据橡胶气囊工作时变形方式的不同,空气弹簧主要有囊式空气弹簧、膜式空气弹簧和混合式空气弹簧三种模式。囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的挠曲获得弹性变形,可分为单曲、双曲和多曲等形式。这类空气弹簧使用寿命长,制造工艺比较简单,但其刚度大,振动频率高,不能满足轨道车辆的舒适性要求。膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形,可分为约束膜式和自由膜式两种。约束膜式空气弹簧的弹性特性曲线容易通过约束裙(内、外筒)的形状来控制,但橡胶囊工作状况复杂,耐久性较差。自由膜式空气弹簧由于没有约束橡胶囊变形的内、外筒,可以减轻橡胶囊的磨耗,提高使用寿命。自由膜式空气弹簧由于本身的高度较低,可以降低车辆底盘的高度,且其重量轻,刚度特性可以通过改变上盖板边缘的包角加以适当调整,使弹簧具有良好的负载特性,故在无摇动枕转向架的中央悬架均采用此模式。膜式空气弹簧在国内外车辆上的应用日益广泛。混合式空气弹簧的气囊上部与囊式空气弹簧气囊上部基本相同,下部与膜式空气弹簧气囊类似,其运动时在活塞表面滚动。混合式空气弹簧兼有囊式空气弹簧与膜式空气弹簧的特点。1.2空气弹簧的特性空气弹簧气囊是由高质量的弹性物构成,一般工作内压为0.3~0.7MPa,适应于-40~70℃的温度变化,并能抗磷化物质、酸碱溶剂和臭氧等的侵蚀。要求24h内压降不得超过0.02MPa。高强度纤维硫化于高质量的胶层之间,形成空气弹簧的骨架,特别柔软且具有高度防破损能力,这使空气弹簧主要具有以下特性:(1)空气弹簧具有刚度随气囊压力和辅助气室容积以及底座形状的变化而改变的特点,因此可以根据需要将空气弹簧设计成具有理想刚度特性的形式;(2)空气弹簧具有非线性弹性特性,可以将其特性曲线设计成理想形状,如车辆悬架装置中最理想的反“S”形,即曲线的中间段具有比较低的刚度,而在较大的伸长和压缩行程时其刚度逐渐增加;(3)对于同一空气弹簧,当充气压力改变时,可以得到不同的承载能力;(4)与金属弹簧比较,空气弹簧节省了大量的弹簧钢,且寿命较长;(5)空气弹簧是以压缩空气为弹性元件,内摩擦极小,对高频振动有很好的隔振、消声能力;(6)空气弹簧有制造工艺复杂、成本较高、密封要求严格等缺点。2橡胶气流的设计橡胶气囊基体由形变较大的橡胶材料和形变较小的锦纶或聚醋帘线等复合而成,力学性能十分复杂。研究表明:帘线的角度、粗细、排列密度和胶层厚度对橡胶气囊的形变、内部应力和刚度影响较大,并且直接影响空气弹簧的特性。另外,橡胶气囊设计时还要考虑气囊与金属连接件间的密封问题。因此,橡胶气囊的内部结构设计和材料参数优化需深入研究。空气弹簧上的载荷主要是由帘线承受,帘线的材质对空气弹簧的耐压性和耐久性起决定作用,因此通常采用高强度人造丝、维尼龙或卡普隆作为帘线。帘线的层数一般为2~4层,帘布层帘线与空气囊的径向成一定角度排列;内层橡胶主要作用是密封,因此采用气密性和耐油性较好的橡胶,而外层橡胶除了密封外还起保护作用,因此外层橡胶要考虑耐油性、抗太阳辐射、抗老化和耐臭氧性,一般采用氯丁橡胶。2.1空气弹簧橡胶膜的高强材料空气弹簧胶囊的骨架帘线起承载、增强和定型等作用,在很大程度上决定着空气弹簧的刚度、承载特性和使用寿命。空气弹簧胶囊帘线材料经历了棉、人造丝、锦纶、聚酯和钢丝等发展历程。目前,空气弹簧胶囊用骨架材料以锦纶和聚酯为主,但从发展趋势来看,芳纶仍是较理想的骨架材料。通常空气弹簧胶囊的骨架帘线层采用2层叠层纤维帘布层,第一层与第二层帘布层的帘线斜向排列。然而,虽然尼龙纤维与橡胶的黏合性优异,但由于其伸长率大,所以不能赋与橡胶膜充足的耐压性。如果采用伸长率小的芳纶纤维作为补强帘线,则会由于芳纶纤维与橡胶的黏合性差而导致橡胶与纤维之间产生剥离。另外,为了提高空气弹簧橡胶膜的耐压性,有增加补强纤维帘布层层数,增加纤维帘线密度,用碳纤维帘线、钢丝帘线和玻璃纤维帘线等高强度帘线替代有机纤维帘线的。但如果增加补强纤维帘布层层数,则会增加橡胶膜的刚性,抗变形性提高,容易使空气弹簧由于反复屈挠而产生疲劳,导致耐久性下降;如果纤维帘线密度增加,则不能确保纤维帘线相互间具有橡胶,容易产生层间剥离;如果采用高强度帘线,则作为空气弹簧补强的伸长率不足,缺乏耐屈挠性,且存在成本高等问题。因此,希望采用普通的补强纤维帘线结构来改善空气弹簧橡胶膜的耐压性、耐屈挠性、橡胶与纤维间的耐剥离性、耐疲劳性和耐久性。为了解决上述问题,日本专利通过采用聚酮纤维帘线或聚酮纤维复合纤维帘线[聚酮复合帘线可以是聚酮纤维与其它纤维(最好是尼龙纤维)构成的复合帘线。另外,在复合纤维帘线中,相对于聚酮纤维和其它纤维的总纤度,聚酮纤维所占的比例最好是34%以上。复合帘线的复捻系数为1500以上]作为空气弹簧橡胶膜的补强材料,研制成功了一种能显著提高耐压性、耐屈挠性、橡胶与纤维间的耐剥离性、耐疲劳性和耐久性的空气弹簧。因为聚酮纤维与橡胶的黏合性好,而且伸长率小,所以通过用聚酮纤维作为空气弹簧橡胶膜的纤维补强材料可提高空气弹簧橡胶膜的耐压性、耐屈挠性、橡胶与纤维间的耐剥离性、耐疲劳性和耐久性。2.2胶料的质量条件传统橡胶空气弹簧曲囊的内层、帘布层和外层均采用天然橡胶,无法保证空气弹簧的特殊性能要求;活性剂采用的是普通氧化锌,黏合剂使用普通的树脂类,会导致胶料的各种物理性能达不到设计要求。传统的曲囊由于原材料配方的问题,内层无法确保气密性,帘布层黏合强度低,容易出现弹簧体脱层现象;外层抗屈挠性能、抗老化性能和耐候性能较差,长期使用会出现龟裂。采用纳米活性碳酸钙可更好地提高制品的冲击强度、拉伸强度、伸长率、弯曲强度和硬度等力学性能,从而可确保曲囊在各种外力变化的情况下仍具有较高的性能。2.2.1抗裂口增长性能气囊内层胶要求其气密性、耐弯曲疲劳性,与帘布的黏合性、弹性好,且永久变形较小,因此配方设计时生胶选用天然胶和丁基胶并用,防老体系以抗动态疲劳老化优异的胺类防老剂4010NA为主,配合使用防老剂BLE提高抗裂口增长性能。补强填充体系以N220为主配合使用N660提高弹性,降低胶料的永久变形,提高抗撕裂强度。2.2.2防老剂用量不影响胶料的其它性能外层胶要耐天候老化性能好,抗撕裂强度高,耐弯曲疲劳性好,有一定的耐磨性和抗刺穿性。通常,氯丁橡胶(CR)耐热性高,历来用作空气弹簧用胶料的橡胶成分,但为了进一步提高耐热性,一般是增加CR胶料中的防老剂或不添加硫黄而添加硫化促进剂进行硫化。然而,如果在CR胶料中增加防老剂用量,虽然可以提高硫化胶的耐热性,但会导致耐疲劳性下降。另外,在不采用硫黄作为硫化剂而添加硫化促进剂进行硫化时,仍然是提高了硫化胶的耐热性,但耐疲劳性下降,加之抗焦烧性下降,胶料会处于加工稳定性恶化的倾向,特别是在上述无硫黄的硫化体系中,即便在未硫化状态下胶料也容易焦烧,使未硫化胶的储存稳定性恶化。这样,提高硫化胶的耐热性与提高耐疲劳性就处于进退两难的境地。为了获得既可保持硫化后的橡胶加工稳定性良好,又可很好地平衡耐热性和耐疲劳性的空气弹簧用胶料,日本专利提出以氯丁橡胶或氯丁橡胶与二烯系橡胶的并用胶为主要成分的空气弹簧用胶料。这种空气弹簧用胶料的主要特征是配合有30~80份炭黑、0.5~2份马来酰亚胺和0.5~2份咪唑化合物。该专利的实验配方与对比配方的试验结果见表1。2.2.3其它橡胶的配合使用空气弹簧帘线挂胶应有较高的扯断强度和撕裂强度,同时要有较高的黏合强度和较小的永久变形。有专利提出主要成分为异戊二烯橡胶,辅以丁二烯橡胶,还配合有6~13重量份芳香族胺类防老剂的帘线挂胶配方。据称,这种配方可抑制补强层产生龟裂。另外,通过用氯丁橡胶等耐臭氧性和耐热性优异的橡胶作为内层胶和外层胶,可以提高空气弹簧的整体耐久性。专利指出,帘线挂胶配合6~13重量份芳香族胺类防老剂较好,配合7~12份效果更佳。如果配合量不到上述使用范围,则提高耐疲劳性的效果小,如果超过使用范围,则硫化胶的强度下降。作为橡胶,采用了异戊二烯系橡胶与丁二烯橡胶的并用胶。异戊二烯系橡胶与丁二烯橡胶的并用胶与芳香族胺类防老剂配合可获得相乘效果。异戊二烯系橡胶和丁二烯橡胶的配合量分别为65~85重量份和35~15重量份较理想,为70~80重量份和30~20重量份更好。异戊二烯系橡胶除可以采用合成异戊二烯橡胶外,也可以采用天然橡胶,还可以并用。但从橡胶中的杂质影响耐疲劳性方面考虑,最好采用合成异戊二烯橡胶。如果采用顺式1,4结构含量为90%以上的高顺式丁二烯橡胶,则可以提高硫化胶的加工性能和耐疲劳性能。如果采用顺式1,4结构含量为95%以上的更好。帘线挂胶配方和硫化胶物理性能试验结果见表2。近年来,随着空气弹簧应用的推广,我国对空气弹簧的研究和开发越来越得到重视。重庆公路研究所研制的D5-2603260膜式空气弹簧在实际使用中性能良好,使用寿命达到10万km以上;河南尉氏县橡胶厂研制的空气弹簧用于匈牙利的依卡露斯256型大型豪华客车上,运行10万km无质量问题;株州时代新材料研制了EQ6111汽车空气弹簧,已通过了1万km装车运行试验,还开发了用于厦门金龙客车的29S-35000汽车空气弹簧,通过了500万次疲劳试验。3空气弹簧的应用3.1汽车空气悬架汽车悬架系统的作用是将轮胎所承受的各种力和力矩传递给车架和车身,并能吸收、缓和路面传来的振动和冲击,减少驾驶室内的噪声,提高乘客的舒适性以及保持汽车良好的操作性和平稳的行驶性。不论是采用空气弹簧悬架还是钢板弹簧悬架,都是为了达到这个目的。但是钢板弹簧悬架如果设计不当也可能会增加振动。如经过路面接缝产生的小跳动,就可能引起钢板弹簧悬架共振,从而产生巨大的破坏性振动力传给车辆,很容易想象这些振动力对车辆的影响。抛开车辆和乘客所受的影响不说,连续振动会磨损导线,震裂灯泡和仪表,使电气系统接线松脱,损坏空调系统,使车身焊缝疲劳,甚至导致整车结构松散,增加车内的噪声。安装空气弹簧悬架能隔离不平路面产生的破坏性冲击负荷(目前我国的道路情况经常有这种现象发生),具有很好的缓冲性能,因而可以延长汽车的使用寿命,同时也减少了对一些零部件造成的损害,如门的密封、门锁、铰链、导线、空调等。空气弹簧悬架系统在消除汽车振动、提高行驶平顺性和乘坐舒适性等方面是钢板弹簧悬架所无法比拟的。空气弹簧比钢板弹簧(或螺旋弹簧)的自振频率低,这是满足乘坐舒适性要求所必需的。满载车辆在以公路速度行驶时,机械弹簧比空气弹簧的吸振效果至少要差50%。空气弹簧运动性能的特点决定了汽车空气悬架具有以下优点:(1)空气悬架为刚度可变的非线性悬架。当簧载质量变化时,刚度随之变化,以保持空载和满载时车身高度相同,悬架固有频率基本不变。可根据需要选择不同的气囊工作高度,获得理想的固有频率,从而得到良好的行驶平顺性。(2)空气悬架质量轻,弹簧刚度低,高速行驶时,轮胎与地面的附着能力强,制动距离短;转向时,过多转向和不足转向倾向减小,转向稳定性强,提高了整车的操纵稳定性。(3)空气弹簧内的空气压力直接反映了簧载质量,可取空气压力作为信号,通过控制制动缸内的气压来控制制动时的制动力,更好地保证行驶安全性。(4)可通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。在平坦的路面上,降低车身高度,保持空气阻力系数为最佳值,可以减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速。在崎岖不平的道路上,为了通过障碍物,可以提高车身高度。(5)减少整车的振动噪声,提高汽车零部件使用寿命。由于汽车空气悬架具有以上诸多优点,所以在国外高速客车和豪华城市客车上的空气悬架使用率已达到100%,在中、重型货车以及挂车上超过了80%。3.2中国轨道车辆空气弹簧的应用20世纪70年代,法国试验型高速列车TG-001的Y225型转向架上二系悬架采用了日本住友公司生产的约束膜式空气弹簧;80年代初在TGV-PSE上采用了康迪泰克公司生产的高柔性684N4.10B空气弹簧,保证了TGV于1990年在每小时515km创世界纪录速度时仍具有优良的运行平稳性。20世纪90年代后期,我国铁路进入高速化和全面提速时期,在提速和高速车以及动车组上广泛采用了空气弹簧,使空气弹簧在我国轨道车辆上的应用进入了新的阶段。在我国准高速车辆CW-2型转向架上采用空气弹簧,其安装在摇枕和托梁之间,横向间距为1956mm,利用摇枕内腔作为附加空气室,空气弹簧与附加空气室之间设可调节流阀。209HS转向架的二系悬架采用膜式空气弹簧,摇枕兼作附加空气室。206KP型准高速客车转向架采用了SF500型系列空气弹簧。其特点是采用了橡胶堆弹性支承系统和可变节流孔装置,故有较好的横向特性。在此基础上,我国郑武线200km/h以上正线试验中,浦镇车辆厂研制的PW-200型转向架上采用了新型的大柔度SYS600F型空气弹簧,提高了车辆的稳定性和平稳性。3.3空气弹簧的改进上海地铁无摇枕转向架采用了高柔性自由膜式空气弹簧,其密封方式为螺钉密封与压力自封结合的方式。该空气弹簧具有如下特点:(1)横向刚度小并能适应大的横向变形;(2)曲线行驶时,空气弹簧本身具有良好的横向复原特性;(3)具有良好的扭转特性和扭转耐久性。对于无摇枕转向架,车体重量直接放在空气弹簧之上,因此,对空气弹簧的弹性特性,尤其是横向特性提出了很高的要求。无摇枕转向架用空气弹簧应具有可靠的纵向大变位能力,通常要求达到±120mm;另一方面,无摇枕转向架用空气弹簧还应具有较小的垂向和横向刚度,以进一步改善车辆的乘坐舒适性。为此,在无摇枕转向架用空气弹簧的结构设计中进行了如下改进:(1)加大上盖与橡胶囊之间的接触面长度;(2)通过采用大橡胶囊来增加空气弹簧的本体容积;(3)尽可能增加橡胶堆弹性支承的高度;(4)采用柔软的弹性支承;(5)在空气弹簧内部设置高强度、低摩擦因数的摩擦块。以上改进在近几年来对无摇枕转向架用空气弹簧的开发过程中均有不同程度的体现。如用于CW-200型无摇枕转向架的SYS580型空气弹簧和用于北京地铁V车转向架的SYS540型空气弹簧等。3.4空气弹簧和橡胶元件现代有轨电车具有可以在路面直接换乘,小单元频繁发车,节约能源且无污染,造价低廉等优点,适用于中等运量的城市交通客运系统。有轨电车行驶于城市地面、地下或高架线路上,要求其噪声低,减振性能好,并且有适应车辆载重变化较大的能力,为此,空气弹簧和橡胶元件获得了广泛应用。为了配合现代有轨电车项目,铁道部四方车辆研究所研制了可用于有轨电车转向架的SYS450型空气弹簧。该空气弹簧采用全压力空气自封密封方式,简化了空气弹簧结构;使用橡胶堆支承,改善了车辆的横向振动性能;采用可调阻尼节流阀,使车辆在各种线路状态和运行速度下均具有良好的振动性能。在城轨车辆领域,我国目前生产的所有地铁车及轻轨车的中央悬架均采用了空气弹簧。3.5空气弹簧的使用磁悬浮列车是一种新型的非地面接触式交通方式,具有超高速、低噪声、节能等优点,越来越受到重视。空气弹簧在磁悬浮列车上的应用是关键技术。磁悬浮列车上一般采用的是自由膜式空气弹簧,因为它的刚度较小,能够满足磁悬浮列车在高速运行时的悬架需要。作为磁悬浮列车转向架上重要的悬架部件之一,空气悬架系统的性能直接关系到车辆的运行质量,因此各个国家对空气悬架结构的研究都投入了很大力度。日本的hsst05系列磁悬浮列车就采用了并排使用一个囊式空气弹簧和一个膜式空气弹簧的结构,这种结构兼具了囊式空气弹簧较大的横向刚度和膜式空气弹簧较小的垂向刚度,但是带来的后果是使转向架的结构变得很庞大。还有一种结构是在空气弹簧内部增加一个垂向的柱塞,使得空气弹簧只能沿着柱塞作垂向运动而不会横向偏移,这种结构减少了气囊的有效容积,严重影响了空气弹簧的垂向特性,也没能得到推广。现在国际上采用比较多的是使用抗侧滚横向扭杆装置来弥补膜式空气弹簧的侧向刚度不足。20世纪80年代,日本、德国等国家的磁悬浮列车技术已达到实用水平。我国该技术起步于80年代。90年代进行了具有实用价值的试验型磁悬浮列车的研制。四方所研制了SYS130A型、SYS130B型磁悬浮列车转向架用膜式和囊式2种空气弹簧。该空气弹簧中央悬架的采用改善了磁悬浮列车的乘坐舒适性,为推动我国磁悬浮列车的实际应用研究起到了积极的作用。我国八达岭旅游示范线磁悬浮列车选用了美国NEWAY公司生产的空气弹簧。该产品使用液体减振器,无附加气室,减少了体积和重量。空气弹簧的应用改善了车辆的二系悬架质量,提高了舒适性和平稳性。3.6材料缓冲器和空气弹簧空气弹簧可应用于各种机械装置中,起缓冲吸振、控制运动或增压作用。与具有同样功能的气缸或其它弹性元件相比,空气弹簧结构简单,工作可靠,不需要复杂的参数计算和结构设计,无密封泄漏问题,使用维护方便,且寿命较长。冲压加工中,如冲压汽车车盖、车门等,均需采用必要的缓冲装置。缓冲器在加工中要承受较大、周期性的冲击负荷,其性能直接影响产品的加工精度。若采用空气弹簧作为缓冲器,可降低加工成本并保证加工精度。物料传送中,料箱由振动器驱动以使物料混合均匀,或使物料流动以进入料箱中。振动会引起料箱支承部件疲劳乃至破坏,因此必须采用隔振装置。若使用空气弹簧则可提供较大的灵活性,调节弹簧的充气量就可适应不同的工作负荷和高度要求,而不会影响隔振效果。在造纸、纺织等行业中,纸张或布匹在卷绕过程中需要恒定的张力,以免纸张或布匹松弛、扭曲或破裂。在这种情况下应用空心卷辊——空气弹簧组合结构,可提供恒定的张力,而且具有较强的承受冲击负荷的能力。在黏接工艺中,采用空气弹簧可提供均匀的压力,保证黏接质量。4空气弹簧在我国私家车使用的前景展望如上所述,空气弹簧悬架系统在消除汽车振动、提高行驶平顺性和乘坐舒适性等方面是钢板弹簧悬架所无法比拟的。另外,试验表明,钢板弹簧的疲劳寿命一般为50万~60万次,而普通空气弹簧的疲劳寿命可以达到300万次左右,高性能空气弹簧的疲劳寿命可以达到500万次以上。我国高等级公路的发展和运输量的增加以及人民生活水平的提高,都对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求。随着重型汽车运输量的增加及对路面破坏机理的研究和认识的进一步加深,政府对高速公路养护的重视,将使空气弹簧悬架在重型车市场的应用进一步扩大。无论是在客货运输需求方面还是在商用车技术发展方面,空气弹簧悬架都代表着我国未来的车辆发展技术。可以预见,我国商用车市场对空气弹簧悬架的需求将是爆发性增长的。2002年7月,交通部颁布实施《营运客车类型划分及等级评定》(JT/T325-2002)行业标准,标准规定高一、高二、高三级客车的悬架必须采用空气