橡膠空氣彈簧隔振設計及性能分析

劉業剛

(青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042)

橡膠空氣彈簧是橡膠和簾線制成的彎曲氣囊。膠囊的雙側可以用兩塊鋼板連起來，形成封閉，構成壓縮空氣室。橡膠和簾線自身沒有承重能力，通過填充在膠囊中的壓縮空氣進行支承。它是依靠改變其中的壓縮空氣的壓力來獲得所需的剛性。目前，對于橡膠空氣彈簧的運用在中國已經十分成熟，尤其是在高精度儀器和工業設備以及車輛等方面的運用。

1 橡膠空氣彈簧的工作原理

橡膠空氣彈簧是一種氣壓振動隔離儀。在實現作用時間間隔內，位移變化不隨環境載荷的添加而變動，即具備零壓縮的特征。橡膠空氣彈簧作用時，里面充滿高壓氣體(內部壓力小于0.7 MPa)，出現一系列高壓下形成的氣體柱。負載能力增大，從而使彈簧的縮短，內部的體積縮小，彈簧的剛性增大，里面的氣體柱的有效承載面積增加。當負載能力降低時，彈簧的長度會增大，內部空腔的體積會增加，彈簧的剛度將減弱，氣柱在腔室中的有效承載面積將減小，彈簧的承重載荷能力將降低。在空氣彈簧的有效沖擊下，空腔的高度，空腔的體積和空氣彈簧的承載強度將正常而靈活的傳遞。這是一種十分方便的隔振器[1]。

2 橡膠空氣彈簧的設計與應用

2.1 橡膠空氣彈簧的設計

（1）空氣彈簧張力的大小多數取決于內部結構的形狀和材料的不同。在選擇不同成分的橡膠時，我們需要考慮的東西有很多，首先要了解清楚其中主要材料的性能，還有是從一般的變形結構開始，要對橡膠的機械性能有要求，以承受各種零件的應力變形和壓縮所產生的剪切應力。

（2）橡膠復合材料的連續伸長應力主要表示橡膠空氣彈簧阻尼器的應力和應變能力特性。因而，伸長應力通常用作橡膠組合物的機械功能指標。炭黑用作橡膠空氣彈簧的增強成分，它夠能加強橡膠材料的恒拉應力，以及縮小橡膠材料在恒定載荷下的動態變形和壓縮變形，至使熱量的產生大大降低。盡管所用生橡膠的類型不一樣，但必須合理分配每個組件橡膠層上的拉伸應力。

（3）橡膠隔振系統擁有的最初隔振功能是將中高段頻率的振動下降至設想值之下。在低等頻率振動下，能夠通過對阻尼的運用來進行試驗，將它調整到低振動的設想值下。因為本身自帶的很多不足，對很多低振幅和一些超低振幅沒有辦法下降太多，這些是沒有辦法改變的，是其本身的特性帶來的。

（4）橡膠空氣彈簧在不同的設備或是車輛中的設計是不同的。例如要減少大型貨車的振動，提高貨車司機的舒適性，研究人員就對貨車橡膠空氣彈簧開展過單獨的設計，通過獲得的試驗數據分析，最終采用相匹配的電磁裝置，這個裝置能夠把橡膠空氣彈簧原有的振動幅度削弱到最輕。而且，在其設計中，采用獨特的排序措施，振動幅度可以通過這樣的設計而被吸收。建議運用橡膠簾布膠囊為根基零件，設計為上部減振元件[2]。

2.2 橡膠空氣彈簧的應用

（1）磁懸浮列車是一種新型的非地面接觸車輛，具備速度高、聲音小、節約能源等優點，備受關注。在這里面，橡膠空氣彈簧的運用是相當重要的。車輛研究所已經為SYS130A以及SYS130B磁懸浮列車的轉向系統支架研發出膜式和囊式橡膠空氣彈簧。將此幾類橡膠空氣彈簧應用于磁懸浮列車的中央懸掛，可以提高磁懸浮列車的乘坐穩定性，促進了我國磁懸浮列車的運用與研發。我國八達嶺旅行發展線路的列車使用NEWAY公司制造的空氣彈簧，此橡膠空氣彈簧使用的是液體減振器，并且沒有多余的氣室，以減少其體積和重量。橡膠空氣彈簧的使用使車輛輔助懸架質量得到提高，增加了其平穩性和耐用性。

（2）橡膠空氣彈簧普遍運用在工業設備中。因為我國工業技術的突破，許多先進設備和技術的投入運用，橡膠空氣彈簧運用也隨之增多。在大多數機器減振方式中橡膠空氣彈簧很多時候采用兩種構造方式:束縛膜式和自由膜式。橡膠空氣彈簧在工業機械設備安裝中起緩沖吸震、操控擺動或提供壓力技術功能，與別的相同作用的隔振機構比較，橡膠空氣彈簧構造簡易、技術可靠，無需繁瑣的數據分析和復雜的構造系統，無密封泄露風險，材料對環境的污染較小，廢棄處理方便，而且使用時間較長[3]。

（3）橡膠空氣彈簧在車輛領域上得到了普遍的應用。空氣彈簧在一些大客車、重型卡車、高性能商務車上的使用已經占有很高的比重，而且根據我國汽車行業規劃要求，大型車輛的設計要符合對公路有一定保護的要求。現已規定總質量大于等于12 000 kg的危險貨物運輸車的后軸，所有危險貨物運輸半掛車，以及三軸欄板式、倉柵式半掛車應裝備空氣懸架。

3 橡膠空氣彈簧的性能

（1）橡膠空氣彈簧可單獨設計，具有較好的彈簧高度和承載能力設計空間，以及彈簧極軟的特性。

a.彈簧高度。運用承載重量感應閥門，可以方便操控空氣彈簧的高度，并在其承受重量變動的時候維持一定的高度。

b.承受載荷的能力好。橡膠空氣彈簧可以通過改變自身的內部壓力以得到很多的承受重量，此承受載荷的大小大約和構件里面的壓力成比例關系。橡膠空氣彈簧能滿足多種載荷的要求，所以經濟性比較好，橡膠空氣彈簧安裝的位置均可承受45～4 500 kg的負載。

（2）彈簧剛度。在不同的負載條件下，其剛度可以根據內部氣壓的變化來解決。剛度大約與構件里面的壓力是正比例關系，所以我們能夠根據需要選擇任意的剛度。至于一定大小的橡膠空氣彈簧，其剛度也是可以發生變化的，并且隨著重量變化而改變，所以在每一個載荷下，固有頻率大概是穩定的，所以能夠讓支撐系統可以擁有較為穩定的功能。

（3）原有的本身振動頻率相對很低。其零件與一多加的一個氣室相互連接，可以將其設備的原有的振動頻率下降到至0.5～3 Hz。

（4）空氣阻尼作用主要用于在橡膠空氣彈簧和內部可用空間之間可以增加一個開口，當彈簧承載振動時，空氣經過開口，使更多的能量損失，從而減少振動。

（5）可用時間更長，橡膠空氣彈簧的耐磨性比金屬彈簧好。懸架的應力測試表明，鋼板彈簧經過10萬次振動后斷裂，而橡膠空氣彈簧在40 mm振幅和2.7 Hz頻率下經過500萬次以上振動后并未發生破裂，所以其耐用性要比金屬類彈簧要高出很多，降低維修成本，提高了其設備的安全性能。

（6）橡膠空氣彈簧與防振橡膠一樣，在軸向和旋轉方向上具有良好的支撐和抗振動效果。

（7）橡膠空氣彈簧的制作和裝配其所用資金和材料較較少，易于拼裝和改換，而且不需要經常維護。

4 結論

目前，我國這項技術的設計開發程度比較成熟，部件設計技術已經接近國際先進水平，其種類也越來越多，并已得到廣泛的應用。盡管在中國橡膠空氣彈簧在構造上比一般隔振器復雜，但其所需資金和材料很少，設備更換方便，容易檢修，無需頻繁的修理。這些優點使得橡膠空氣彈簧應用于日常的機器或者一些高精度的儀器及車輛時具有更高的可行性。

相信隨著科學技術的發展，功能優于普通隔振器的橡膠空氣彈簧將很有可能在更多產品中獲得廣泛應用。橡膠空氣彈簧在我國很有前景，發展的空間很大，相信隨著相關技術人員的努力，橡膠空氣彈簧的設計將會有質的突破。