第三節(jié) 空氣彈簧

1、第三節(jié) 空氣彈簧,1 . 空氣彈簧的特點：1) 由于空氣彈簧的垂直柔度大，可使車體的自振頻率降至ｌ赫以下；2) 空氣彈簧具有非線性特性，能使車體自振頻率幾乎保持不變；3) 空氣彈簧和高度控制閥并用時，能使車體在不同靜載荷下保持地板面高度不變；4) 利用空氣彈簧的橫向彈性可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的搖動臺裝置，從而簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和減輕自重；5) 空氣彈簧具有良好的吸收高頻振動和隔音的性能；6) 在空氣彈簧和附加空氣室之間裝設(shè)適宜的節(jié)流

2、孔，可以代替垂直安裝的液壓減振器； 因此，空氣彈簧在地鐵車輛以及高速客車上得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。,2 . 空氣彈簧的基本原理 為了便于分析和了解空氣彈簧的工作特性，現(xiàn)以最簡單的套筒式空氣彈簧來說明其基本原理。1) 基本結(jié)構(gòu) 圖６—１４是套筒式空氣彈簧的工作原理示意圖，它是由工作缸１、活塞２和附加空氣室3組成的。這種空氣彈簧是利用空氣的可壓縮性來實現(xiàn)其彈性的。,2) 工作過程(1) 活塞

3、緩慢移動 在活塞相當(dāng)緩慢地移動的情況下，壓縮時缸中空氣所增加的熱量和拉伸時所減少的熱量來得及與缸外周圍空氣進行熱交換，所以工作缸內(nèi)的氣體溫度將保持不變，即和周圍空氣的溫度相等，其狀態(tài)變化接近于等溫過程。 在旅客上下車以及車輛通過曲線時，可以認(rèn)為是接近等溫過程的。(2) 活塞快速移動 在車輛振動時，活塞移動比較迅速，因此，在壓縮時所增加的熱量和拉伸時所減少的熱量來不及與周圍空氣進行熱交換，這種狀

4、態(tài)接近于絕熱過程。,(3) 常規(guī)情況 一般情況下，氣體的狀態(tài)變化是一個多變過程。在氣體的多變過程中，根據(jù)氣體狀態(tài)方程,工作缸內(nèi)絕對壓力（p十pa）和容積之間存在下列關(guān)系： （p十pa）Vn=（p0十pa）V0n (6-30)式中n為氣體的多變指數(shù)，它取決于氣體變化過程的流動速度，對于等溫過程即活塞緩慢移動時n=１；對于絕熱過程即活塞移動比較迅速時n=1.4。

5、對于車輛實際運行過程，１＜n＜1.4，通常在計算時取n=1.３～1.38，接近于絕熱過程。,3) 套筒式空氣彈簧的剛度(1) 空氣彈簧的剛度公式推導(dǎo) 當(dāng)活塞由于振動而向下移動ｈ時，工作缸容積減小了ｄＶ（Ｖ=Ｖ0一ｄＶ，ｄV=Ah），根據(jù)氣體狀態(tài)方程有：,又V0＝Ｈ0Ａ, 故可將上式變?yōu)椋?(6-31),,則,振動時，工作缸中的空氣壓力因壓縮和拉伸而變化。振動時活塞上的載荷P和位移ｈ間的關(guān)系為：,（6-32）,顯然，載荷

6、Ｐ和位移ｈ之間是非線性關(guān)系。 套筒式空氣彈簧的剛度可由式（６—３２）對位移 ｈ求導(dǎo)得出：,（6-33）,上式中H少寫下標(biāo)0,(2) 空氣彈簧與鋼彈簧剛度比較 由上式看出，空氣彈簧的剛度隨活塞上載荷增加（位移ｈ增大）而增大，如圖６—１５所示。圖中曲線１的上線為重車，下線為空車時空氣彈簧的特性曲線，曲線２為鋼彈簧空車時的特性曲線．,當(dāng)活塞振動位移不大時，可近似地以靜平衡位置（ｈ=０）時的剛度值來表示，即,于是，車體在空氣彈簧上

7、的自振頻率 f 可按下式計算：,（6-34）,(6-35),(6-36),套筒式空氣彈簧通常采用較高的內(nèi)壓p0,, 則p0,》pa,,(3) 減小空氣彈簧的剛度的原因與措施原因: 由式（6—35）看出，減小空氣彈簧的剛度可以降低車體的自振頻率。 措施: 由式（6—34）看出，減小空氣彈簧的剛度主要應(yīng)增大空氣彈簧的總?cè)莘eV0，但為了結(jié)構(gòu)緊湊，其本體容積V10不宜過大，而應(yīng)增大附加空氣室的容積V2。從理論上

8、講，只要它的容積足夠大，就可獲得低的車體自振頻率。此外，若采用較高的空氣壓力Ｐ0與較小的活塞面積Ａ，即使在不很大的V0情況下，也能得到足夠低的剛度。,(4) 空重車自振頻率基本不變 為了更清楚地看出剛度隨載荷變化的情況，設(shè)靜載荷Pst變P1，容積變?yōu)椋?，內(nèi)壓力變?yōu)閜1，則剛度Ｋ1變?yōu)椋?(

9、6-37)自振頻率為： (6-38)于是，靜載荷變化前后的剛度比為： (6-39)因為空氣彈簧懸掛裝置通常都裝有高度控制閥，所以，當(dāng)靜載荷變化時，工作缸內(nèi)的容積

10、不變（V1=Ｖ0），于是靜載荷變化前后的剛度比為： (6-40) 由式（６—３５）、（６—３８）和（６—４０）可知，靜載荷變化前后的自振頻率比為：

11、 (6-41)由此可見，在采用高度控制閥的情況下，空重車的自振頻率基本上保持不變。,(5) 空氣彈簧的當(dāng)量靜撓度 通常把簧上載荷P與相應(yīng)狀態(tài)下的空氣彈簧剛度Ｋ之比P/K=fdst 稱為空氣彈簧的當(dāng)量靜撓度。,3 . 鐵道車輛空氣彈簧特點 鐵道車輛上采用橡膠簾線式

12、（簡稱橡膠式）空氣彈簧, 它也具有上述套筒式空氣彈簧的基本特性，但又有其特點。 橡膠式空氣彈簧的承壓面積Ａ1不是常數(shù)，而是隨載荷變化的。 因為當(dāng)載荷Ｐ變化時，橡膠囊的形狀也隨著改變，因而承壓面積Ａ1和半徑也隨之改變。,圖６—１６表明橡膠式空氣彈簧的工作原理，通常將任意狀態(tài)下外載荷Ｐ和囊內(nèi)壓力p之比P/p=A1稱為有效承壓面積，與之相應(yīng)的橡膠囊半徑Ｒ稱為有效半徑。,1) 載荷Ｐ和內(nèi)壓力p的關(guān)系

13、為了求出載荷Ｐ和內(nèi)壓力p的關(guān)系，作一平面Ａ一Ａ切于橡膠空氣囊的表面且垂直于氣囊的軸線，如圖6—16 (ａ)所示。由于膠囊是柔軟的橡膠薄膜，根據(jù)薄膜理論，這種氣囊不能傳遞彎矩和橫向力，因此，在通過氣囊切點處只傳遞平面Ａ—Ａ上的力。 由力的平衡條件得： （６—４２）式中Ａ1和Ｒ分別為橡膠空氣囊的有效承壓面積和有效半徑

14、。,由圖６—16 (b) 可看出，當(dāng)載荷Ｐ減小時，空氣囊的有效半徑隨之減小，最后等于蓋板的半徑R3, 這時空氣囊的有效承壓面積A1等于蓋板的面積。,2) 空氣彈簧的特性方程(1) 特性方程 任意狀態(tài)下的載荷Ｐ必與囊內(nèi)氣體向上的總壓力相平衡，故該型空氣彈簧的特性方程——載荷和位移間的關(guān)系為：

15、 (6-43),(2) 靜平衡位置時的剛度① 剛度公式 將上式對位移ｈ求導(dǎo)并經(jīng)過適當(dāng)變換后可得靜平衡位置時的剛度公式： (6-44)式中Ａ0為橡膠式空氣彈簧在靜平衡位置的有效承壓面積，通常采用的空氣壓力p0為３～５巴。 ② 公式分析 由式（6—44）看出

16、，橡膠式空氣彈簧的剛度是由兩項組成的，第一項和套筒式空氣彈簧的剛度計算式（6—34）一樣，但活塞面積Ａ用有效承壓面積Ａ0代替了；而第二項是有效承壓面積變化率dA1/dh， dA1/dh越大的橡膠囊的剛度越大， dA1/dh越小剛度也越小。另外，空氣彈簧總?cè)莘eV0越大．其剛度越小，但V0僅影響剛度計算式的第一項，而與第二項無關(guān)。,4.自由膜式空氣彈簧 為了計算空氣彈簧的剛度必須知道其有效承壓面積變化率dA1/dh ，而dA

17、1/dh 僅與空氣彈簧的幾何形狀有關(guān)。下面介紹常用的自由膜式空氣彈簧垂直和橫向剛度以及有效面積變化率的計算公式，作為初步設(shè)計計算時的參考。1) 自由膜式空氣彈簧結(jié)構(gòu) 圖６—17所示為自由膜式空氣彈簧。其幾何參數(shù)為R、ｒ、θ和φ（ φ是橡膠囊圓弧部分的回轉(zhuǎn)軸與空氣彈簧中心線的夾角，該回轉(zhuǎn)軸是指圓弧中點與該弧圓心的連線）。,2) 自由膜式空氣彈簧剛度(1) 垂直剛度 自由模式空氣彈簧的垂直剛度和有效面積變化

18、率的計算式如下： 式中a——空氣彈簧的形狀系數(shù)．其值為： 其他符號同前。 由式（6一45）可見，通過選擇合適的R、ｒ、θ值，即可得到要求的彈簧剛度Ｋ值。,自由膜式空氣彈簧垂直靜剛度試驗結(jié)果示于圖6—18上。由圖看出，理論計算值和試驗結(jié)果是一致的。,(2) 橫向剛度 ① 橫向剛度不僅和空氣彈簧的幾何形狀有關(guān)，而且受材質(zhì) 影響較大，這種影響要通過試驗來確定。② 空氣彈簧不僅垂直

19、方向柔性大，而且通過改變簾線角（簾線相對空氣彈簧橡膠囊經(jīng)線的傾斜角度）和材質(zhì)等也可得到較大的橫向柔性。因此，利用空氣彈簧的橫向柔性就可以取消傳統(tǒng)的搖動臺裝置。,③ 膜式空氣彈簧的橫向彈性作用原理 為了說明膜式空氣彈簧的橫向彈性作用原理，取內(nèi)筒和外筒為圓柱形表面的空氣彈簧為例，并認(rèn)為橡膠囊斷面弧長保持不變。當(dāng)內(nèi)筒向右移動時，則內(nèi)筒和外筒的相對位移以及橡膠囊的變化示于圖６—19。囊內(nèi)空氣對內(nèi)筒有一個相當(dāng)于pl1的力自右向左作用和

20、一個相當(dāng)于pl2的力自左向右作用。由圖看出，l1＞l2，所以從左右兩側(cè)作用在內(nèi)筒上的力是不平衡的，于是就產(chǎn)生了與（l1一l2）成正比的橫向彈性復(fù)原力。在橫向位移δ不大時，可以認(rèn)為（l1一l2）和δ成正比。因此，橫向彈性復(fù)原力就和位移成正比。這個彈性力還可以根據(jù)需要，通過改變膜式空氣彈簧上蓋板的包角θ加以控制，如圖６一２０所示。,④ 自由膜式空氣彈簧的橫向剛度Ｋ1的計算式為

21、 Ｋ1＝bpＡ1＋Ｋ1′ （６一４６） 式中ｂ一空氣彈簧形狀系數(shù)，其值為: Ｋ1′ ——橡膠囊本身的橫向剛度，通過試驗決定。在小簾線角時可近似取為５０千牛／米左右。 由上式看出，空氣彈簧的橫向剛度由兩部分組成。第一部分與空氣彈簧的幾何參數(shù)和內(nèi)壓力有關(guān)，對于一定型式的空氣彈簧而言，這一部分橫向

22、剛度是基本的；而后者則主要與橡膠囊本身的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。,自由膜式空氣彈簧的橫向剛度試驗結(jié)果示于圖６—２１,⑤ 若采用熟知的單擺概念，可將空氣彈簧的橫向剛度換算為搖動臺的當(dāng)量吊桿長度Ｌ，則,（6-47）,⑥ 例子 以我國某客車為例，每個空氣彈簧的簧上載荷為：空車時P1=52.5干牛，重車時P2=90千牛，其有效承壓面積Ａ1=1936厘米2，簾線角為450，則相應(yīng)的空氣彈簧內(nèi)壓力p1=2.67巴，p2=4.58巴。由相應(yīng)于該型

23、空氣彈簧的圖6—22可知，其橫向剛度分別為：Ｋ11=370千牛，Ｋ12=530千牛／米。而按式（６—47）計算得當(dāng)量吊桿長度分別為L1=142毫米，Ｌ2=170毫米。其平均值Ｌ=156毫米，顯然，這一當(dāng)量吊桿長度太小。因此，應(yīng)進一步降低空氣彈簧的橫向剛度。試驗表明，空氣彈簧的簾線角對橫向剛度有重要影響（圖６—２２）。簾線角愈小，則橫向剛度愈小。當(dāng)簾線角為零時，空氣彈簧橫向剛度的試驗值與由式（６一46）（不考慮第二項Ｋ1′）求得的計算值基