空气弹簧的分类及特点

空气弹簧的分类和特性近年来，非线性学科一直是各学科的研究前沿，隔振也不例外。随着隔振设计对隔振系统各项性能指标要求的提高，人们不得不不断探索新的隔振器。非线性隔振器由于能自动避免共振、有效抑制振幅和隔离冲击而受到广泛关注。线性隔振器不能自动避免共振。非线性隔振器的刚度随着隔振器的变形而变化，因此由非线性隔振器组成的隔振系统的固有频率与振幅有关。如果隔振器是非线性和刚性的，固有频率将随着振幅的增加而增加。如果隔振器是非线性的和柔软的，固有频率将随着振幅的增加而降低。当设备在启动过程中经过共振点时，被隔离设备的振幅将有一个峰值，该峰值比静态位移高许多倍。随着振幅的快速增加，由非线性隔振器组成的隔振系统的固有频率会上升或下降，从而避免共振频率。对于线性隔振器，刚度值是恒定的，共振振幅只能通过阻尼来控制。然而，在通过共振点之后，隔振器的隔振效率由于阻尼效应而降低。此外，非线性隔振器可以有效防止冲击。对于具有非线性硬特性的隔振器，刚度随着变形的增加而增加。遇到冲击时，弹簧载荷的加速度随着变形的增加而增加，因此在小变形下冲击速度迅速降低。对于具有非线性软特性的隔振器，其刚度随着变形的增加而减小，从而起到缓冲作用，但隔振器的变形相对较大。在许多情况下，不允许有太大的变形，因此应选择非线性刚性隔振器，以防止冲击。根据以上分析，空气弹簧是一种理想的隔振元件。空气弹簧是一种非金属弹簧，它将压缩空气加入柔性气密容器中，利用空气压缩的非线性回复力来实现隔振和缓冲。它具有优良的非线性硬特性，因此能有效限制振幅，避免共振，防止冲击。空气弹簧隔振系统的固有频率可以设计得非常低，甚至低于1Hz，而橡胶隔振器的固有频率通常为5-7 Hz。因此，空气弹簧的隔振效率远远高于其他隔振元件，可以隔离低频振动。特别是空气弹簧隔振系统易于实现主动控制，作为一种具有可调非线性静、动刚度和阻尼特性的隔振元件，空气弹簧的应用越来越广泛。1.2空气弹簧的分类和特性1.2.1空气弹簧的分类目前，国内外对空气弹簧的分类方法不统一，大致有以下几种：(一)按胶袋数量分类空气弹簧分为单(1)曲线、双(2)曲线、三(3)曲线、n曲线根据橡胶囊的曲线数量，如图1-3和1-4所示。随着曲线数量的增加，刚度降低，空气弹簧隔振系统的固有频率相应降低。然而，这不仅给制造带来麻烦，而且导致橡胶囊的弹性不稳定，因此通常仅使用4条曲线。(2)按结构类型分类1.日本分类空气弹簧:胶囊空气弹簧：轮胎类型图1-3 (c)板式图1-3 (a)、(b)耳垂型图1-4 (b)2.中国分类：空气弹簧：气囊空气弹簧图1-2和1-3约束薄膜空气弹簧图1-4 (a)自由膜空气弹簧图1-4 (b)其他的气囊式空气弹簧气囊式空气弹簧是一种由橡胶薄膜制成的灯笼状结构，可由一段或几段串联而成。分别称为单曲面、双曲面或多曲面气囊式空气弹簧。每个部分之间插入一个金属边缘薄膜空气弹簧薄膜空气弹簧的结构是在金属外筒和内筒之间，或在筒和活塞之间放置一层橡胶薄膜，通过薄膜变形实现整体膨胀和收缩。在外筒的内壁和内筒的外壁上预先给定适当的倾斜度或曲面，使得橡胶膜在膨胀和收缩时能够沿着壁面变形，并且压缩面积随着变形而变化。这使得有可能获得在额定高度非常软但在大位移时变硬的特性，即合适的非线性弹性特性。薄膜空气弹簧分为约束薄膜型和自由薄膜型。(三)根据角度是否变化分类1.内角只改变而外角不改变的空气弹簧称为内角修正空气弹簧。2.外角只改变而内角不改变的空气弹簧称为外角修正空气弹簧。3.内角和外角变化的空气弹簧称为双变角空气弹簧。4.内角和外角不变的空气弹簧称为等角空气弹簧。(a) (b)(c)图1-3气囊式空气弹簧橡胶气囊模型(a)双曲线(b)三部曲(c)单曲(a) (b)图1-4薄膜空气弹簧的橡胶囊模型(a)结合膜类型(b)游离膜类型1.2.2空气弹簧的特性由于其特殊的材料和独特的结构，空气弹簧具有金属弹簧和橡胶弹簧所没有的特性：1)空气弹簧具有优良的非线性硬特性，能有效限制振幅，避免共振，防止冲击。空气弹簧的非线性特性曲线可以根据实际需要进行理想的设计，使其在额定载荷附近具有较低的刚度值。2)由于空气弹簧使用的介质主要是空气，因此易于实施主动控制。3)空气弹簧的刚度随着载荷的变化而变化，因此其隔振系统的固有频率几乎相同，在不同载荷下隔振效果也几乎相同。螺旋钢弹簧的载荷-挠度特性曲线如图1-5所示。它是一条直线，即刚度不变。在不同载荷下，螺旋钢弹簧质量系统的固有频率变化很大，其固有频率计算公式如下：(1-3)其中：是系统的固有频率(赫兹)；这是螺旋钢弹簧的垂直刚度。对于弹簧载荷；重力加速度。负载频率曲线如图1-6所示。可以看出，系统的固有频率随着负载的增加而降低。也就是说，系统的固有频率在重负载下较低，在轻负载下较高。换句话说，如果在重载荷下隔振性能好，那么在轻载荷下隔振性能差，并且两者都不能考虑。空气弹簧的载荷-挠度特性曲线如图1-7所示。它是非线性的，即竖向刚度变化，竖向刚度随着荷载的增加而增加。理论和实践证明，当空气弹簧的工作高度不变时，无论轻载还是重载，其固有频率几乎相同。空气弹簧的固有频率计算公式为：(1-4)式中：空气弹簧的垂直刚度。从方程(1-2)可知，当载荷增加时，载荷也增加，而固有频率值基本不变，如图1-8所示。因此，重载荷和轻载荷都能保证良好的隔振效果。4)空气弹簧的刚度是可调的，系统的刚度可以通过改变气室的容积或内腔的压力来改变。无论负载有多大，气压都可以根据需要改变，以调节空气弹簧的刚度，或者通过增加辅助气室来降低刚度，从而增加空气弹簧的内部容积。5)对于相同尺寸的空气弹簧，当内部压力变化时，可以获得不同的承载能力。这使得相同的空气弹簧能够满足各种负载的要求，因此具有良好的经济性。空气弹簧在承受垂直载荷的同时，还能承受一定的横向载荷和传递扭矩。6)增加空气弹簧的总体积可以降低隔振系统的固有频率，这是空气弹簧的独特优势。空气弹簧体的体积不能太大，因为结构空间的尺寸在一定程度上受到限制。为了降低隔振系统的固有频率，可以在远离空气弹簧的地方设置辅助气室。辅助气室的容积增加，即空气弹簧的总容积增加，空气弹簧隔振系统的固有频率降低。7)空气弹簧可以利用高度控制阀系统来保持空气弹簧在不同载荷下的工作高度基本不变。同样，空气弹簧在一定载荷下，通过高度控制阀的作用，可以有不同的高度，能够满足各种结构要求。8)空气弹簧能吸收高频振动，隔音性能优异。空气弹簧主要由橡胶囊和空气组成。在振动过程中，橡胶囊由于膨胀和翘曲而产生的内耗很小，因此很难传递高频振动。空气和橡胶不易传播声音，因此它们具有良好的隔音性能。钢弹簧易于传递高频振动和声音。9)如果在空气弹簧的主气室