汽車空氣彈簧基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與展望

高加泉，袁曉云，韓苗苗

（江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330099）

汽車懸架系統(tǒng)一般是由彈性元件和阻尼元件、導(dǎo)向和橫向穩(wěn)定裝置等部件組成。它的直接功能是緩沖、抑制和衰減振動(dòng)與沖擊，傳遞車輪和車架之間的力和力矩，以此來提高汽車行駛的平順性、穩(wěn)定性和安全性。懸架上的彈性元件常見的有鋼板彈簧、螺旋彈簧、空氣彈簧、扭桿彈簧和油氣彈簧等幾種類型。在密封的橡膠氣囊中，填入一定壓力的空氣，利用空氣的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性作用，這種彈簧為彈性元件的懸架稱為空氣彈簧懸架。

空氣彈簧具有較低的固有頻率以及剛度可調(diào)等特性，使得裝有空氣彈簧懸架的車輛比采用普通鋼板彈簧的車輛具有更好的行駛平順性和道路友好性，在加裝高度控制閥后還可以在不同的裝載下保持相同的車身高度，達(dá)到更好的道路通過性。這些優(yōu)良特性使得空氣彈簧在商用車中開始得到廣泛應(yīng)用。

1 空氣彈簧的基本結(jié)構(gòu)

1.1 空氣彈簧的分類

圖1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)

空氣彈簧常用結(jié)構(gòu)的有：囊式結(jié)構(gòu)、膜式結(jié)構(gòu)及混合式結(jié)構(gòu)。囊式結(jié)構(gòu)一般采用由一段或數(shù)段串聯(lián)而成的燈籠形結(jié)構(gòu)，選用橡膠材料制成。在各段之間鑲嵌金屬腰環(huán)，借以承受初始?jí)毫蛷埩Φ淖饔谩Ｆ浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖1（a）空氣懸架系統(tǒng)，圖（b）不同類型的空氣彈簧的實(shí)物，圖（c）空氣彈簧的結(jié)構(gòu)。膜式空氣彈簧的特性曲線和囊式的相比較為理想，因?yàn)槠溆行娣e變化率是通過改變活塞形狀控制的，從而自振頻率也較低。

1.2 空氣彈簧氣囊的結(jié)構(gòu)

空氣彈簧是由上外層膠、第二層簾子布、第一層簾子布、內(nèi)膠層等結(jié)構(gòu)成，其中氣囊是一種柔性體，是其重要組成部分，它是由橡膠和骨架材料組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。外層膠主要作用是耐老化、耐屈撓、有較高的定應(yīng)力；內(nèi)層膠的用用是耐老化、好的氣密性；簾布膠的用作是與簾線的粘結(jié)性能好；鋼絲膠的作用是提高的定伸應(yīng)力、與鋼絲的粘結(jié)性能好、壓出性能好。

圖2 空氣彈簧氣囊結(jié)構(gòu)圖

2 基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)記錄，第一個(gè)空氣彈簧的發(fā)明專利最早是由美國(guó)JohnLewis在1847年申請(qǐng)的。《美國(guó)科學(xué)》雜志也在同一年提出了“ride on air”的概念。空氣彈簧在汽車的應(yīng)用及推廣經(jīng)歷了好多波折。國(guó)外空氣彈簧雖然相比國(guó)內(nèi)來講早了很多，但從研究到使用也大約經(jīng)過了一百多年的歷史。空氣彈簧最是應(yīng)用于歐洲的有軌電車上，這樣一來也讓同行公司看到了空氣彈簧的未來發(fā)展勢(shì)頭。直到二十世紀(jì)中期，空氣彈簧才在商用車和客車上得到實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)于1947年首次在普爾曼車上使用了空氣彈簧，使空氣彈簧開始大量裝備在商用車上，隨后在1953年，世界上最大的空氣彈簧制造廠商Firestone公司與通用汽車有限公司合作，在GreyhoundLines豪華大客車上采用空氣彈簧懸架。隨后英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、日本等國(guó)家也開始對(duì)空氣彈簧進(jìn)行研究，裝有空氣彈簧的產(chǎn)品相繼出現(xiàn)。1970～1994年，Evans.J.R等人通過大量的垂向和側(cè)試驗(yàn)，構(gòu)建了空氣彈簧垂直動(dòng)態(tài)特性模型，并就速度對(duì)側(cè)向特性的影響進(jìn)行了觀察分析。同時(shí)一大批專業(yè)空氣彈簧、空氣懸架生產(chǎn)廠家開始出現(xiàn)，如美國(guó)的Firestone、Neway、Goodyear和德國(guó)的 ContiTech、SAF、BPW等。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)研究空氣彈簧的起步比較晚，直到20世紀(jì)中期才開始觸及。中國(guó)第一輛裝配了自主研究的空氣懸架車輛是在1957年由我國(guó)一汽汽車研究所及中國(guó)橡膠工業(yè)研究所大力合作下才產(chǎn)生的。在此次成功運(yùn)用之后，空氣彈簧的應(yīng)用研究就越來越廣了，開始在家用轎車，大客車、重型貨車及火車等車輛上。1958年，長(zhǎng)春汽車研究所開發(fā)出可升降的空氣懸架，通過控制閥來控制空氣懸架的升降。1980年，該研究所對(duì)空氣彈簧進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)研發(fā)了一款適用于客車使用的空氣懸架。此空氣懸架裝配到車上大大提高了汽車的各項(xiàng)性能，如汽車的操縱穩(wěn)定性、汽車的行駛平順性及燃油經(jīng)濟(jì)性等。1987年，長(zhǎng)春汽車研究所和沈陽飛機(jī)制造公司汽車廠一起合作，研發(fā)出CA151D18空氣懸架底盤，并將其裝配于SFQ6981A型客車中。1988年，四方機(jī)車廠在試制的101型和103型高速轉(zhuǎn)向架上使用新型約束膜式空氣彈簧，這種空氣彈簧具有較好的橫向彈性特性，而且內(nèi)外筒和橡膠囊采用自封式密封，可保證良好的氣密性能，又簡(jiǎn)化了空氣彈簧的組裝和檢修工藝。

3 空氣彈簧研究展望

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的投入越來越大，特別是公路建設(shè)不斷改進(jìn)，進(jìn)而使得汽車的運(yùn)行速度不斷提高。汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠帧．?dāng)然人們對(duì)汽車的安全性、操縱穩(wěn)定性、乘坐的舒適性的要求也越來越高，空氣彈簧的優(yōu)良性能正好滿足當(dāng)今快速發(fā)展的汽車行業(yè)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將會(huì)加大對(duì)空氣懸架的研發(fā)及使用。工業(yè)的發(fā)展直接帶來汽車業(yè)的發(fā)展，而重型貨車的保有量會(huì)急劇增長(zhǎng)，重型貨車因其運(yùn)輸能力與路面破壞能力是正相關(guān)的，以前在使用剛板彈簧時(shí)，這個(gè)矛盾很難解決，而當(dāng)空氣彈簧運(yùn)用到重型貨車上，就大大地提高了乘坐舒適性以及減小了對(duì)路面的壞。因空氣彈簧具有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此交通部開始實(shí)施頒布了《營(yíng)運(yùn)客車類型劃分及等級(jí)評(píng)定》中規(guī)定運(yùn)行的大中型客車必須逐漸淘汰鋼板彈簧加大采用空氣彈簧。政策的出臺(tái)將會(huì)給空氣彈簧的發(fā)展創(chuàng)新帶來更大的空間。

最近幾年來，空氣彈簧的運(yùn)用取得了前所未有的成效。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2016年售出的汽車大約有16.5%的車輛，裝配了空氣彈簧。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，空氣彈簧的研究技術(shù)也越來越成熟。國(guó)內(nèi)一些大的廠家已經(jīng)具備研發(fā)制備比較成熟的空氣懸架產(chǎn)品和零件，例如，上海科曼車輛部件系統(tǒng)有限公司引進(jìn)了德國(guó)的空氣懸架技術(shù)，針對(duì)我國(guó)的市場(chǎng)需求，著重研究汽車是否擁有優(yōu)良的舒適性以及操作性能的匹配情況，科曼公司在國(guó)內(nèi)空氣懸架市場(chǎng)中的發(fā)展前景良好。

［1］江洪，王子豪，孔亮.半主動(dòng)空氣懸架的神經(jīng)模糊控制［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2017，（3）：1-11.

［2］付濤，王大鎮(zhèn)，弓清忠，等.車輛空氣懸架PID控制優(yōu)化仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2015，（1）：197-201.

［3］馬佳富，張海軍，朱思洪，等.帶附加氣室空氣彈簧等效剛度和等效阻尼高斯模型［J］.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，（5）：880-886.

［4］王黎明，姚小強(qiáng)，王國(guó)棟.國(guó)產(chǎn)化CRH5型動(dòng)車組用SYS530B型空氣彈簧研制［J］.鐵道車輛，2017，（3）：25-28.

［5］霍芳霄.基于AMESim的鐵道車輛空氣彈簧系統(tǒng)特性分析［D］.成都：西南交通大學(xué)，2014.

［6］甄亞林.基于AMESim空氣彈簧模型車輛動(dòng)力學(xué)性能分析［D］.成都：西南交通大學(xué)，2014.

［7］戚壯，李芾，丁軍君，等.基于非線性有限元算法的空氣彈簧橫向動(dòng)態(tài)剛度研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015，（10）：1530-1535.

［8］方宇，張國(guó)富，潘震，等.基于運(yùn)用狀態(tài)下的空氣彈簧可靠性評(píng)價(jià)方法［J］.城市軌道交通研究，2016，（7）：21-26.

［9］張利國(guó)，張嘉鐘，賈力萍，等.空氣彈簧的現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.振動(dòng)與沖擊，2007，（2）：146-151.

［10］王艷.空氣彈簧力學(xué)特性仿真分析與試驗(yàn)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2015.

［11］吳興文，池茂儒，朱旻昊，等.空氣彈簧模型對(duì)鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2013，（2）：54-59.

［12］高紅星，池茂儒，朱旻昊，等.空氣彈簧模型研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，（4）：108-115.

［13］張寶紅.空氣彈簧特性分析及參數(shù)化設(shè)計(jì)［D］.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2013.

［14］盧頔.空氣彈簧懸架乘用車平順性仿真分析與試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

［15］何園，危銀濤.空氣彈簧有限元仿真方法的研究［J］.橡膠工業(yè)，2017，（3）：162-169.

［16］任旭東.空氣彈簧準(zhǔn)零剛度隔振器的特性分析及應(yīng)用研究［D］.北京：中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院，2017.

［17］邱文軍.空氣懸架力學(xué)特性及主動(dòng)控制策略研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

［18］杜子學(xué)，曹丹婷.跨座式單軌車輛空氣彈簧失效對(duì)行車安全性能的影響研究［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2016，（5）：76-80.