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空 簧-雙層橡膠空 簧氣囊

重型載貨車駕駛室用空 簧減振器的設計

圖1 空 簧減振器工作狀態示意圖

隨著汽車工業的飛速發展，公路運輸業得以大幅提升，貨運駕駛員對駕乘舒適性提出了 的要求，原來采用螺旋彈簧減振器支撐駕駛室的機構已不能滿足這一要求。從另一方面講，提高駕乘舒適性，對提高行駛的安全性也至關重要。因此，空 簧減振器在重卡駕駛室上的應用也成為行業發展的必然趨勢。

空 簧減振器系統的組成及工作原理

如圖1所示，空 簧減振器系統由空 簧、筒式液壓減振器、高度控制閥、連接桿和空氣管路等組成，其工作原理如圖2所示。

高度控制閥實質上是一個機械可變行程控制式的三位三通換向閥與一個并聯組合單向閥而合成的一個氣路控制單元。駕駛室安裝完畢后，在重力作用下，駕駛室會下移，帶動連接桿使高度控制閥的閥芯向下移動，進氣通路接通，壓縮空氣克服單向閥Ⅰ的阻力，向空 簧內充氣，內壓升高，空 簧的剛度增加，使駕駛室舉升，同時也帶動連接桿使高度控制閥的閥芯向上移動，直到空 簧的舉升力等于駕駛室的重力為止。此時，高度控制閥閥芯處于中間位置，關閉進氣通路，駕駛室的重力與空 簧的舉升力達到平衡，駕駛室處于相對靜止狀態。

駕駛室在外力的作用下迅速向下移動時，連接桿帶動高度控制閥的閥芯向下移動接通進氣通路，壓縮空氣克服單向閥Ⅰ的阻力向空 簧內充氣，橡膠囊下端也向下滾動，空 簧剛度增加，與筒式液壓減振器一起阻止駕駛室快速向下移動。

駕駛室在外力的作用下快速向上移動時，連接桿帶動高度控制閥的閥芯向上移動，接通排氣通路，空 簧內的氣體克服單向閥Ⅱ的阻力排入大氣，橡膠囊的下端向上滾動，空 簧的剛度減小，與筒式液壓減振器一起阻止駕駛室快速向上移動。

圖2 空 簧減振器系統的工作原理

在不斷變化的空 簧舉升力和筒式液壓減振器阻尼力作用下，駕駛室便以一個較小的振幅和較慢的速度上下移動，因而提高了駕乘舒適性。

空 簧的組成及功能

空 簧由上蓋、橡膠囊、上箍環、下箍環、空 簧活塞、O形橡膠密封圈和緩沖塊等組成（如圖3所示）。

上蓋與橡膠囊的一端連接，用上箍環把橡膠囊緊緊地扣壓在上蓋的外圓周上，上蓋的內孔有環形槽，裝有O形橡膠密封圈，與筒式液壓減振器的活塞桿配合，起到密封作用。上蓋端面裝有緩沖塊，當駕駛室突然大幅度下降時，緩沖塊與筒式液壓減振器的上端接觸，起到緩沖作用，以保證筒式液壓減振器不被撞壞。空 簧活塞與橡膠囊的另一端連接，用下箍環將橡膠囊緊緊地扣壓在活塞上端的外圓周上，活塞內孔有環槽，內裝有O形橡膠密封圈，與筒式液壓減振器外筒配合，起到密封作用。空 簧活塞上有通氣孔，裝有空氣接頭，以便充、放氣。這樣，上蓋、橡膠囊、空 簧活塞與筒式液壓減振器一起便形成一個密閉的空間。通過充、放氣，上蓋上下移動，橡膠囊在空 簧活塞外圓上上下滾動，從而使空 簧的剛度不斷的發生變化，以適應駕駛室在外力作用下運動力的不斷變化。

空 簧的設計與制造

1．上蓋的設計

上蓋與橡膠囊接觸帶的總抗拉強度應大于上箍。環與橡膠囊接觸帶的總抗拉強度，在扣壓后，橡膠囊和上箍環在接觸帶產生塑性變形，而上蓋的接觸部位仍在彈性變形區域，從而保證了扣壓以后的緊固性、密封性，且不易松動拉脫。

在上蓋與橡膠囊的接觸部位，設計多道小環形槽，與橡膠囊形成迷宮形密封，在扣壓后，保證密封性與緊固性，增大摩擦力，防止橡膠囊被拉脫。上蓋內凸起的外圓周上設計凹環槽，緩沖塊倒掛其上，防止緩沖塊與減振器上端撞擊時脫落。上蓋的內孔設計兩道環槽，安裝O形橡膠密封圈，以增加其密封效果。

2．空 簧活塞的設計

活塞與橡膠囊接觸部位的設計與上蓋的設計相同，且空 簧活塞的材料 與上蓋相同且導熱性能良好。同樣，在活塞的內孔加工出兩道環槽，安裝O形橡膠密封圈，保證密封可靠。在活塞內圓周上設計多道加強筋，增加強度，提高抵抗扣壓時的變形能力，同時增加與氣體的接觸面積，提高導熱性。

空 簧活塞高度的確定是一個重要問題。一是要保證筒式液壓減振器在復原行程極限位置時，橡膠囊的下端與空 簧活塞接觸帶應低于扣壓部位的結合處，以防止橡膠囊滾動時在扣壓部位被劃傷；二是要保證筒式液壓減振器在壓縮行程極限位置時，橡膠囊在滾動時其下端不能超過空 簧活塞的下邊緣，且應有足夠的余量。也就是說，在筒式液壓減振器的全行程內，橡膠囊的滾動范圍，都應該在空 簧活塞設定的工作區域內（如圖4所示），避免橡膠囊的早期磨損。

空 簧活塞外部形狀是一個值得討論的問題，在相同的氣壓條件下，即使橡膠囊相同，如果空 簧活塞的外形不同，則空 簧剛度曲線有很大的差異，對駕駛室的 舉升力及駕乘舒適性有很大的影響，這只能通過試驗來確定。圖5所示為幾種不同外形活塞的空 簧剛度曲線。

3．上、下箍環的設計

箍環與橡膠囊接觸帶的抗拉強度應分別小于活塞與橡膠囊及上蓋與橡膠囊接觸帶的抗拉強度，這樣才能保證空 簧的內壓在達到設定的 破壞力之前，橡膠囊不被拉脫，且箍環也不失效。

上箍環設計為喇叭口形狀，喇叭口部位的 內徑大于橡膠囊滾動范圍內空 簧活塞的最大外徑，即D1max＞D4max最大，以保證橡膠囊在充氣后向空 簧活塞方向翻滾。下箍環的最大外徑在扣壓后與空 簧活塞上端的最大外徑大致相等，即D2max≈D3max，以減少橡膠囊被劃傷（如圖6所示）。

4．緩沖塊的設計

緩沖塊一定要選用抗沖擊性好、彈性好的材料。緩沖塊的下端內孔應大于筒式液壓減振器的油封唇外徑，避免筒式液壓減振器在壓縮極限位置時，緩沖塊撞擊油封唇，使筒式液壓減振器發生漏油失效。緩沖塊的下端制造出放氣槽，防止緩沖塊與筒式液壓減振器接觸時形成瞬時高壓，損害油封，使筒式液壓減振器發生漏油失效。

5．橡膠囊的設計

橡膠囊的設計尤為關鍵，除了能保證空 簧在內壓達到 的破壞性壓力之前不失效外，還應能滿足以下要求：

（1）橡膠囊的長度：保證在筒式液壓減振器行程范圍內，橡膠囊在空 簧活塞設定的工作區域內滾動。

（2）橡膠囊的直徑：既要能滿足駕駛室 舉重力的要求，又要保證在橡膠囊外徑 時與汽車上相鄰零件不能發生干涉。空 簧充氣后，橡膠囊的下部形狀如圖7所示。橡膠囊在與活塞的接觸處形成了兩道相切的圓弧，兩道圓弧的關系約為R2≈2R1，也就是說，R1約占H距離的1/3，這是由于壓縮氣體一方面把橡膠囊向活塞的方向擠壓，另一方面又把橡膠囊向外側擠壓所致。且H的距離也很重要，直接影響到橡膠囊的使用壽命。由試驗得知，當H＜17時，橡膠囊的壽命會大大降低，故設計時，應保證H≥18為好。

空 簧的有效直徑

空 簧的有效直徑是指空 簧在充氣后通過橡膠囊 點的連線，該線段的長度即空 簧的有效直徑D效（如圖7所示）。它是影響空 簧舉升力的重要參數，而且是一個變量，與橡膠囊結構、空 簧活塞的外形及充氣壓力均有關。在整車設計時，駕駛室靜止狀態的 重力，就是空 簧的 舉升力，即：

式中 F1——駕駛室靜止 重力

F2——空 簧的 舉升力

D2——空 簧的有效直徑

P2——空 簧的充氣壓力

P2值可以設定，然而D2值確定就很困難，目前還沒有一種好的方法可以確定，只能通過試驗的方法求得。試驗時我們充入設定壓力的空氣，在剛度試驗機上進行試驗，可以得到空 簧的 舉升力，再用下述公式計算：

由此可對空 簧活塞各處的形狀進行修正，以期得到滿意的空 簧剛度曲線，并與筒式液壓減振器的阻尼力值進行匹配，以提高駕乘舒適性。

空 簧是在柔性密閉容器中沖入壓力空氣，利用氣體的可壓縮性實現彈性作用的一種非金屬彈簧。它與普通鋼制彈簧比較有許多優點，與筒式液壓減振器組合使用，其減振效果 加 。隨著我國汽車工業的飛速發展，它必將廣泛用于汽車工業。