气囊减振器的设计.docx

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气囊减振器的设计

毕业设计开题报告

机械设计制造及其自动化

气囊减振器的设计

一、前言

“减振器”一词是汽车底盘行业内通用术语，汽车减振器实际上是一个振动阻尼器。

减振器在汽车中主要运用在悬挂上，在其它的位置也有所应用。

例如用于车座、方向盘，车门等地方，也可作为缓冲器用在车辆保险杠上。

减振器作为一种缓冲及保护装置，在我们生活中的运用十分广泛。

比如轮胎就是一个很常见的例子，平时货运时货物外面的保护套、纸盒、泡沫等都是一些简易的减振器。

商用的减振器运用更是广泛，比如公路、桥梁、铁路车辆，各大中型造纸机械、造纸行业、矿山机械、污水处理、医疗机械、环保洗涤器械等。

第一个有记载的比较简单的减振器是1897年由两个姓吉明的人发明的。

他们把橡胶块与叶片弹簧的端部相连，组成了橡胶弹簧减振器。

由于其刚度很大，而且弹簧和少量橡胶的耗能作用几乎为零，其动态性能较差，只有缓冲作用而无太大的消震作用。

此后减振器的结构发展经历了以下几种形式[1]：

1．平衡弹簧式减振器：

这是加到叶片弹簧上的一种辅助螺旋弹簧。

由于每一个弹簧都有不同的谐振频率，它们趋向于抵消各自的振颤，但是这种结构致使悬架的刚性增加，所以很快就被淘汰了。

2．空气弹簧振震器：

空气弹簧是在柔性橡胶囊中充入压缩空气，利用空气的可压缩性实现减振、隔振作用。

现在这种减振器被运用于众多的高端汽车上，铁道车辆也有广泛运用[7]。

它具有以下特点[20]：

1具有非线性特性，其刚度随载荷而变，因此在任何载荷下自振频率几乎不变，使弹簧装置具有几乎不变的特性；

2空气弹簧能同时承受轴向和径向载荷，也能传递扭矩，通过内压力的调整，可以得到不同的承载能力；

3阻尼性能好，隔离高频振动及隔声效果极佳。

3．液压减振器：

汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。

其原理是，当车架与车桥做往复相对运动儿活塞在减振器的缸筒内往复移动时，减振器壳体内的油液便反复地从内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。

此时，液体与内壁的摩擦及液体分子的内摩擦便形成对振动的阻尼力。

4．麦弗逊支柱式减振器：

上世纪60年代通用公司麦弗逊工程师麦弗逊一改当时盛行的板簧与扭杆弹簧的前悬挂方式，创造性地将减振器和螺旋弹簧组合在一起，装在前轴上。

5．电子控制减振器：

能根据道路状况、车速和驱动形式自动调节悬架软、中、硬3种刚度。

该减振器通过在汽车保险杠下方装有一个带声纳的测量部件监测路面状况，把测得的数据输入处理单元，然后调节减振器中的按键，以改变液流通道的尺寸。

由于汽车业的飞速发展，促使了减振器的制造技术逐渐趋于成熟。

目前大部分商用的减振器都已经趋于标准化，汽车减振器主要有以下几种分类[2][3][4][19]：

1.按减振器减震材料分：

金属橡胶减振器，金属弹簧减振器，空气弹簧减振器，液压减振器，金属丝网减振器，海棉减振器

2.按其固定部件是否做旋转运动来分：

固定式（机座减振器），旋转式（转子、轴承减振器）

3.按减振原理分：

弹性式减振器，磨擦减振器，电磁减振器，水力减振器

4.按减振器介质受力的不同分：

压缩型减振器，拉伸型减振器，剪切型减振器。

目前汽车上运用最多的主要的也是最成熟的要属液压减振器、空气弹簧减振器和金属弹簧减振器。

其中气囊减振器也就是空气弹簧减振器中的一种。

空气弹簧减振器从一开始的研制到如今的广泛运用，特别是在国外的高端的商用客车上，其市使用率几乎达到100%[7]。

悬挂系统就是指由车身与轮胎间的弹簧和避震器组成整个支持系统。

气囊式减振器无非是由液压或者是其他的筒式减振器外加一个空气弹簧[20]，所以针对他的研究就围绕传统减振器或者是外加的空气弹簧的了。

由于传统的筒式减振器的技术已经比较成熟了，所以目前对他的研究主要是围绕空气弹簧的研究。

主要包括对其可变刚度的研究，外帘层参数材料形状对空气弹簧性能影响的研究，空气弹簧高度与刚度之间的关系，空气弹簧不同刚度和高度对汽车平顺性的影响规律的，空气弹簧有效面积初始压力设定等各方面[6][7][14][15][16][17][18]。

何锋等人2009年在《基于ABAQUS的帘线参数对膜式空气弹簧横向特性影响研究》一文中，阐述了空气弹簧外帘层的帘线参数对空气弹簧性能的影响。

他们采用了非线性有限元技术，通过非线性有限元软件ABAQUS，建立有效的有限元模型,可方便改变帘线角、帘线层间距、帘线密度、帘线层数等参数，迅速得到其对空气弹簧横向刚度特性的影响，可缩短时间，节约成本，为空气弹簧的数字设计提供参考[17]。

次年，和锋又同蔡永周等人采用非线性有限元技术，通过非线性有限元软件MARC，建立有效的有限元模型，模拟不同帘线角、帘线间距、帘线密度、帘线层数对空气弹簧垂向特性的影响[21]。

同时另外一些关于改变外帘层形状对空气弹簧特性的研究也在开展。

单红艳在其论文中对空气弹簧的弹性特性进行了分析，阐述了囊式和膜式空气弹簧的特性区别。

研究表明，膜式空气弹簧可得到比囊式空气弹簧更为理想的弹性特性[22]。

此外，赵建文等人针对空气弹簧工作压力、附加气室体积与空气弹簧刚度与的函数关系，分析了阻尼隔振传递率的影响，仿真说明了空气弹簧的隔振效果。

从而从另一方面对空气弹簧的结构设计做出了指导。

支李峰等人对空气弹簧进行了改进，增加了辅助装置。

他们设计的空气室主要由橡胶体及外铁件包围而成。

这样的改进后即使空气弹簧的密封性能不理想发生漏气时，空气弹簧仍可通过橡胶体支撑设备，大大提高隔振器的安全系数。

工作过程中,当空气弹簧受力下移时，橡胶体产生变形,空气室内腔容积变小，引起空气压力的升高。

通过调整橡胶的材料与硬度、空气室的结构及充气压力，可以改变空气弹簧的性能参数使之达到设计要求，该理论能指导空气弹簧的生产与试制，大大缩短空气弹簧的研制周期，具有比较高的实际意义。

目前对于空气弹簧的研究，主要是采用有限元分析的方法，通过对其载荷以及激励源的控制实现设计的参数化。

以往通过实验的方法，设计空气弹簧必将耗费大量的人力物力。

而采用经验公式，又存在较大困难。

因此采用有限元方法，解决空气弹簧隔振器设计必须考虑的气固耦合、非线性等关键技术，进行空气弹簧隔振器结构的静态应力、变形及隔振系统的振动特性分析，优化空气弹簧隔振器的设计流程。

二、主题

国内的汽车悬架，广泛采用的是筒式液压减振器，减振器内的工作介质是某种油液，这是迄今为止在技术上颇为成熟的一种减振器。

从阻力和吸收能量方面作比较，它重量轻、外形小，能获得比较稳定的阻力，并且可以按需要决定工作速度与阻力的函数关系[8]。

根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。

虽然摇臂式减振器能够在比

较大的工作压力条件下工作，但由于它的工作特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大而遭淘汰。

筒式减振器工作压力虽然低，但是因为工作性能稳定而在现代汽车上得到广泛应用。

筒式减振器又分为单筒充气减振器、双筒纯油式减振器和双筒充气减振器三种[9]0

其中充气式的又分油气混合和油气分开两种。

油气分开的需要专门设计一个气室

或一个气囊来保持被压，这种设计加工比较复杂，对材料的要求较高，成本昂贵，一般很少采用。

目前大多数使用的是油气混合式的减振器。

下面分别是单筒油气混合减振器、双筒纯油式减振器和双筒油气混合减振器的结构图[10]:

图2-2双筒纯油式减振器

图2-1单筒高压油气混合减振器

图2-3双筒油气混合式减振器

筒式液压减振器的工作原理：

当车架与车桥作往复相对运动，活塞在缸筒内作往复运动，油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔，此时，孔壁与

油液间摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，把车身与车架振动的能量转化

为热能，并由减振器内油液吸收，进而通过减振器壳体然后散发到大气中达到迅速衰减振动的目的。

如果能量的耗散仅仅是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称之为单向作用式减振器，反之称之为双向作用式减振器。

后者因减振作用比前者好而得到广泛应用⑹⑶

图2-4拉伸过程液压油流向

图2-5压缩过程液压油流向

在筒式液压减振器的生产中，一般是通过改变各个阀的阀片数目以及阀的弹簧刚

度来实现不同阻尼值的减振器生产。

实际上，由于阀片的厚度一般固定，而且弹簧的

ii拉伸（复原）

==>5匚二芷压缩阀

常通孔

V上减vV下增

压缩

复原阀

流通阀

常通孔

压缩阀

补偿阀

规格也一般确定，所以改变阀片数和弹簧刚度来控制阻尼力的大小效果并不好。

这是传统减振器在可控性上的不足之处。

液压减振器密封性主要靠液压油封来实现，当减振器使用过于频繁时，容易导致油封破坏而漏油失效。

所以液压减振器对活塞杆的光洁度，液压油的清洁度，油封耐磨性以及安装时活塞杆与作用缸的同轴度有较高要求，不然容易导致漏油失效。

气囊减振器由于其外形多变以及阻尼力可以调节等优点，现在越来越多的运用到

各种仪器设备上，最典型的就是现在汽车的空气悬架系统。

一些常用的减振器如：

橡胶减振器、螺旋弹簧减振器、柔性悬臂梁减振器等，有着广泛的应用，特别适合于中频、高频竖向确定性激励的主动隔振和被动隔振，减振理论的计算与减振技术的实施解决许多工程振动问题是不困难的。

如果竖向激励的随机成份较多，而确定性激励的比重又较少，则宜进行阻尼搭配技术来控制振动。

如果激励的频率成份偏低，又随机性较强，这种情况采用气囊减振器是方便易行的、效果亦佳，当然减振效果与囊中气体压力等有关[11]。

目前气囊减振器在轿车、客车、轨道列车以及一些货运车辆都有广泛的运用。

下

面是一些目前在使用的各种不同用途的气囊减振器[6][7][12][14]:

图2-6带电控单元的空气悬架系统示意图

1•车身高度传感器；2•空气弹簧；3•空气压缩机;

4.电控单元；5.四路进排气阀；6.车况输入。

图2-7囊式空气弹簧结构

1.上盖板；2.压环；3.橡胶囊；4.腰环；5.橡胶垫；6.下盖板。

图2-8双层客车用空气弹簧

1•橡胶囊；2•下承梁；3•螺旋弹簧；4•摇枕；5•内导筒；6•橡胶垫。

如图2-9、

目前，空气弹簧按气囊结构形式一般划分为囊式、膜式和复合式三大类,

2-10、2-11所示：

图2-9囊式空气弹簧

图2-10膜式空气弹

图2-11复合式空气弹簧

空气弹簧的组成：

空气弹簧是利用夹有帘线的橡胶气囊内压缩空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件。

它由橡胶气囊、上盖板、底座等部件组成，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，其橡胶气囊由内外覆层（内橡胶层、

外橡胶层）、帘线层和钢丝圈硫化而成。

空气弹簧结构组成示意图如下图2-12⑺：

图2-12空气弹簧结构组成示意图

一

内橡胶层主要用于密封，因此采用气密性和耐油性较好的橡胶。

外橡胶层除了密封外，还起保护作用，因此还应考虑能抗太阳辐射和臭氧的侵蚀，一般采用氯丁橡胶。

除此之外，内外橡胶层还应具有较好的动力学特性。

帘布层也是空气弹簧的受力骨架，由偶数层构成，一般的有两层交错组成，在列车中，为了加强其承载能力，也有用4

层或6层的。

帘线的材质是空气弹簧的耐压性和耐久性的决定性因素，因此一般选用耐压性、耐屈挠性好以及与橡胶的附着强度高的聚酷和尼龙等涂胶帘线。

这些帘线特别耐弯曲，通过优化设计角度，抗破裂性能好、强度大。

钢丝圈起固定整个气囊的作

用，从而达到密封的作用。

气囊式减振器结合电控单元的控制就能实现控制车身高度，当载荷变化时，安装在车身下的高度传感器便向电控单元发出信号，电控单元再通过控制气囊气压来调节空气弹簧的伸缩以达到车身高度调节。

载荷变大时，其刚度变大，弹簧变“硬”以阻止车身下降。

对于空气弹簧，其刚度随着载荷的变化而变化，因而在任何载荷下自振频率几乎不变。

而金属弹簧的刚度不变，所以其自振频率范围较。

当载荷变化时，气囊式减振器隔振效果也几乎不变，从而有效地改善车辆的行驶特性，并可减小车辆对高速公路路面的破坏。

所以整车的舒适度较使用金属弹簧来说有了更高的舒适度[13]

另外气囊式减振器还另外配有储气室或储气囊，这同时也提高了减振器在载荷变化时的快速响应性，并且可以获得低的振动频率。

通过电控单元的控制，能够得到较好的舒适度以及可靠度。

气囊式减振器除了以上一些优点以外还具备以下优点：

1．空气弹簧因为很大一部分构件都是橡胶，所以其重量较轻。

对于车辆来说，降低车身上部的质量会对汽车运行的平顺性得到很大的改善。

2．经济和适用性好。

由于空气弹簧可以通过改变其气压来改变刚度，所以它的适用性比较广，只要改变气压就可以运用到不同车型上满足不同载荷的需求。

3．可靠度高。

传统的金属弹簧一旦发生断裂，则车辆就无法正常运行，极易发生事故，而采用空气弹簧，由于其有辅助气室，但气控装置失效时仍然可以维持运行一段时间。

而且它设有安全阀，提高看对气囊气压的控制能力。

4．低噪音。

气囊以空气为工作介质，在伸缩式的噪音很小，且有较好的吸震作用。

5．寿命长。

三、结论气囊式减振器由于其能通过气囊来调节刚度而具有很好的适用性，并且因为其刚度可变，使得车辆在不同载荷和路况下，都能保持较好的矩阵隔震作用，提高了车辆的舒适度。

而且因为其减震隔震性能的提高，也降低了车辆因为震动而导致的损害程度，这不仅多车辆还是路面都有更好的保护作用。

目前空气弹簧的研究大多是运用非线性有限元分析方法,研究由多层复合材料组成的空气弹簧的垂向和横向刚度特性分析大变形的几何非线性、空腔内空气的状态非线性和胶囊与金属导向形成的接触非线性,模拟不同载荷和变形下空气弹簧的力学特性,并讨研究橡胶囊各参数对空气弹簧垂向和横向特性的影响。

针对其结构，要提高其性能、寿命及可靠度，应该要从其加工的橡胶材料进行改进，还有改变气囊的结构也可以提高其性能。

随着高分子材料研究的进行，今后的气囊会有更好的物理特性和化学特性，这对提高气囊减振器有很重要的意义[15]。

我国高速公路的迅速发展和运输量的增加以及对高性能客车的需求，都对汽车的操纵稳定性、平顺性和安全性提出了更高的要求，空气弹簧悬架在客车和重型工程车上将逐渐得到广泛的应用。

另外，汽车对路面破坏机理的研究和认识的进一步加深，以及为了建设我国优质高速道路网络，空气弹簧在重型车市场的应用也将进一步增加。

汽车控制系统的智能化程度越来越高，电控式空气弹簧将成为未来发展的必然趋势。

空气悬架的需求将越来越大，未来巨大的市场空间不言而喻。

四、参考文献

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