膜式空氣彈簧靜特性試驗研究

詹長書，李明亮

(東北林業大學 交通學院， 哈爾濱 150040)

空氣彈簧懸架能顯著提高汽車的行駛平順性以及操縱穩定性等使用性能，減小輪胎動載荷,從而減輕重型車輛對道路的破壞[1-7]，空氣彈簧是空氣彈簧懸架的核心元件。空氣彈簧的彈性特性相比普通鋼制彈簧十分優良，具有理想的彈性特性曲線，其剛度具有非線性特性，因此空氣彈簧的應用范圍也十分廣泛[8]。空氣彈簧是在柔性密閉橡膠氣囊中充入壓縮空氣，利用空氣的可壓縮性來實現彈性作用的一種非金屬彈簧。空氣彈簧從結構上分為膜式空氣彈簧和囊式空氣彈簧，膜式空氣彈簧主要依靠橡膠氣囊的卷曲獲得彈性變形，而囊式空氣彈簧主要依靠橡膠氣囊的撓曲獲得彈性變形。膜式空氣彈簧擁有剛度、外形尺寸比較小的特點，彈性特性相比囊式空氣彈簧更加理想，常用在轎車上。王家勝等[9]建立了斷開氣源空氣彈簧靜特性試驗系統，得到了斷開氣源時空氣彈簧的變形量與載荷、變形量與有效面積的靜特性曲線，發現在斷開氣源壓縮試驗中空氣彈簧靜剛度隨氣囊內氣壓的增大而線性增大，空氣彈簧在平衡中心附近范圍內振動時有效面積基本保持不變。

1 試驗系統與試驗方案

1.1 建立試驗系統

空氣彈簧靜特性測試系統工作原理如圖1所示，測試系統由膜式空氣彈簧、MTS拉伸試驗機、供氣系統、計算機系統等組成。采用青島歐美亞橡膠工業有限公司的膜式空氣彈簧作為試驗對象，空氣彈簧極限載荷為20 kN，工作壓力為0.2～0.6 MPa。將MTS拉伸試驗機作為試驗平臺，可以控制加載速度、加載位移，在進行試驗時力臂緩慢加載以確保系統的穩定。供氣系統由空氣壓縮機、電磁閥、氣管組成。計算機系統由計算機、采集卡、電磁閥驅動模塊、力傳感器、位移傳感器和氣體壓力傳感器組成，試驗時采集卡采集空氣彈簧出力信號、空氣彈簧位移信號、空氣彈簧內部氣體壓力信號，儲存在計算機中用于后期試驗分析。

圖1 空氣彈簧靜特性測試系統工作原理

1.2 設計試驗方案

最新空氣彈簧性能試驗標準GB/T13061—2017《商用車空氣懸架用空氣彈簧技術規范》于2018年5月1日實施，標準規定了商用車空氣懸架用空氣彈簧試驗方案[10]。最新標準替代了原有標準GB/T13061—1991《汽車懸架用空氣彈簧橡膠氣囊》，在原有標準基礎上進行了一些修改[11]。本文選取商用車空氣彈簧為試驗對象，參照標準GB/T13061—2017《商用車空氣懸架用空氣彈簧技術規范》中的彈性特性試驗方法開展研究。標準中規定了空氣彈簧彈性特性試驗可分為動彈性特性試驗和靜彈性特性試驗，靜彈性特性試驗又可分為等溫變壓特性試驗和等溫等壓特性試驗，其中動彈性特性試驗和等溫變壓特性試驗都是將空氣彈簧充氣后斷開氣源，這樣空氣彈簧內的壓縮空氣質量是一定的，而等溫等壓特性試驗的特點是將空氣彈簧充氣后保留氣源以保證試驗所需各壓力穩定。

空氣懸架在實際工作中對空氣彈簧的氣壓不斷調整，達到了空氣懸架變剛度的目的。本文在參考其他專家斷開氣源試驗的基礎上選擇保留氣源的等溫等壓特性試驗。參考最新《商用車空氣懸架用空氣彈簧技術規范》設計等溫等壓特性試驗具體方案，將空氣彈簧調至標準高度，按照最大工作壓力調到0.3 MPa、其間以減量為0.1 MPa的方式充入壓縮空氣，保留氣源以保證試驗所需各壓力穩定。空氣彈簧壓縮到最大壓縮狀態并停留5 min，然后以120 mm/min的速率將空氣彈簧伸長到最大拉伸狀態，連續記錄拉伸過程中的彈簧出力-彈簧變形曲線，將這個曲線稱為等溫等壓特性曲線，相當于空氣彈簧容積無窮大時的彈性特性。在進行數據處理時將壓縮過程和拉伸過程分開處理，繪制空氣彈簧出力-空氣彈簧位移、空氣彈簧靜剛度-空氣彈簧位移、有效面積-空氣彈簧位移曲線。

2 試驗結果分析

2.1 空氣彈簧出力-空氣彈簧位移靜特性曲線

圖2描繪了等溫等壓壓縮試驗過程中不同工作氣壓時彈簧出力與彈簧位移關系曲線。圖3描繪了等溫等壓拉伸試驗過程中不同工作氣壓時彈簧出力與彈簧位移關系曲線，曲線的斜率是空氣彈簧靜剛度。

圖2 等溫等壓壓縮過程空氣彈簧出力-空氣彈簧位移靜特性曲線

圖3 等溫等壓伸張過程空氣彈簧出力-空氣彈簧位移靜特性曲線

從圖2可以看出：等溫等壓壓縮過程彈簧出力特點不同，但氣壓曲線的變化趨勢是相同的，在壓縮過程前100 mm位移內，彈簧出力和彈簧位移基本呈線性增加；但在壓縮過程100～300 mm位移內，彈簧出力不再持續增加，基本保持不變。從圖3可以看出，等溫等壓拉伸過程中彈簧出力特點包括：0～20 mm位移內，彈簧出力近似線性增大；20～50 mm位移內，彈簧出力不斷減小；50～230 mm位移內，多數氣壓曲線的出力保持不變；230～300 mm位移內，彈簧出力又近似線性增大。這樣的彈簧出力與斷開氣源試驗是不同的，保留氣源試驗在試驗過程中氣壓保持恒定這相當于空氣彈簧容積無窮大時的彈性特性。

圖4描繪了等溫等壓壓縮過程中不同氣壓曲線的靜剛度。在壓縮過程前150 mm彈簧位移內，曲線靜剛度持續減小，到達空氣彈簧平衡高度150 mm時，靜剛度開始變為恒定值，150～300 mm位移內，彈簧靜剛度保持不變。圖5描繪了等溫等壓拉伸過程不同氣壓曲線的靜剛度。在0～70 mm位移內彈簧靜剛度逐漸減小，70～200 mm位移內彈簧靜剛度出現一次波動，200～300 mm位移內彈簧靜剛度近似線性逐漸增加。空氣彈簧的靜剛度有很強的非線性特性，靜剛度隨氣囊的內壓和彈簧變形的改變而變化。空氣彈簧在位移平衡高度附近的靜剛度較低，在兩端位置，靜剛度隨位移的增大而增大。當汽車行駛狀態處于空氣彈簧平衡位置附近時空氣彈簧靜剛度較低，在不良路面時空氣懸架可迅速緩沖來自路面的沖擊，以提高乘員舒適性。當汽車行駛狀態處于空氣彈簧兩端位置時空氣彈簧靜剛度較大，限制了空氣懸架自振動頻率。實際情況是，在汽車行駛時要不斷改變空氣彈簧內部氣體壓力以實時改變空氣彈簧剛度，從而提高乘員舒適性、汽車行駛平順性以及操縱穩定性等使用性能，同時減小輪胎動載荷，以減輕重型車輛對道路的破壞程度。

圖4 壓縮過程空氣彈簧靜剛度-空氣彈簧位移靜特性曲線

圖5 拉伸過程空氣彈簧靜剛度-空氣彈簧位移靜特性曲線

2.2 空氣彈簧有效面積-空氣彈簧位移靜特性曲線

GB/T13061—2017《商用車空氣懸架用空氣彈簧技術規范》中空氣彈簧有效面積定義是指空氣彈簧負載與空氣彈簧內壓(相對氣壓)的比值，彈簧有效面積是彈簧承受載荷的重要因素。圖6描繪了等溫等壓壓縮過程中不同氣壓曲線的有效面積。從圖6可以看出：在彈簧前100 mm位移內有效面積不斷增大，在100～300 mm位移內有效面積基本不變，4條曲線變化趨勢相同，大體重合，反映出內壓對空氣彈簧有效面積影響不大。彈簧的變形量是有效面積的主要影響因素。圖7描繪了等溫等壓拉伸過程中不同氣壓曲線的有效面積。

圖6 壓縮過程空氣彈簧有效面積-空氣彈簧位移靜特性曲線

圖7 伸張過程空氣彈簧有效面積-空氣彈簧位移靜特性曲線

從圖7可以看出：在彈簧前15 mm位移內彈簧有效面積不斷增大，在15～25 mm位移內有效面積逐漸減小，在50～200 mm位移內有效面積保持不變，在220～300 mm位移內有效面積近似線性增大。有效面積與彈簧位移表現出非線性變化。有效面積變化規律與空氣彈簧本身結構有很大關系，不同結構的空氣彈簧有效面積的變化規律有很大不同。有效面積不斷變化是影響空氣彈簧變剛度特性的重要因素。

3 結論

1) 等溫等壓壓縮試驗和拉伸試驗彈簧出力曲線與斷開氣源試驗不同。在壓縮試驗中前100 mm彈簧位移內彈簧出力線性增大，到100 mm位移時彈簧出力到達最大值，后200 mm彈簧位移內彈簧出力保持最大值不變。在拉伸試驗中彈簧出力先增大然后保持不變后繼續增大。彈簧出力特點與斷開氣源試驗是不同的。彈簧在保留氣源試驗中氣壓保持恒定相當于空氣彈簧容積無窮大。

2) 等溫等壓試驗中空氣彈簧靜剛度變化特點和斷開氣源試驗時有很大不同，斷開氣源試驗時彈簧靜剛度隨彈簧內部氣壓的增大而增大。等溫等壓壓縮試驗彈簧靜剛度變化特點是隨著彈簧被壓縮靜剛度逐漸減小，后200 mm行程內靜剛度保持不變。拉伸試驗時靜剛度波動一段后增大。

3) 壓縮過程空氣彈簧有效面積大致線性增加到最大值然后基本保持不變，繼續壓縮彈簧有效面積也不再繼續增大。4條不同氣壓曲線的有效面積曲線大致重合，說明彈簧內壓對有效面積影響不大。拉伸階段有效面積先增大再減小，然后保持不變，最后隨著彈簧被拉伸又迅速增大。3條有效面積曲線大致重合，說明彈簧內壓對有效面積影響不大，有效面積變化規律與空氣彈簧本身結構有很大關系。