商用车空气弹簧的结构特点及缺陷分析

陈皓云,董福龙

（安徽科技学院 机电与车辆工程学院，安徽 凤阳233100）

空气弹簧在国外商用车上得到普遍的应用，其中在高级大客车上的使用率已达100%，在中、重型货车上也超过了85%.在我国由于受整车生产技术的影响，商用车上装备空气弹簧的普及率还不高.随着我国高速公路的迅速发展，客货公路运输量的增加以及对高性能商用车的需求，我国汽车行业“十一五规划”要求重点发展适应高速公路需要的大中型客车，载货汽车重点发展重型载货汽车.2002年交通部颁布实施了《营运客车类型划分及等级评定》（JT/T325-2002）行业标准，标准规定高级大中型客车必须采用空气悬架.近年来我国加强了对车辆与道路相互作用机理的研究，政府对高速公路的养护及超载治理日益重视，对重型货车道路友好悬架的认识进一步深入，空气弹簧在商用车上应用的推广已具备了良好的外部环境.

加强空气弹簧特点及其故障现象的认识，减小空气弹簧因人为因素而产生的破坏，对保证空气弹簧的高寿命，提高空气弹簧的运行安全，降低装用空气悬架商用车的成本，促进空气弹簧在商用车上的推广应用有积极的意义.本文介绍了空气弹簧的特点，并依据其特点对空气弹簧在使用中出现的故障及防范措施进行了分析.

1 空气弹簧的结构

空气弹簧是由橡胶气囊和其他部件组成，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，一般由内橡胶层、外橡胶层、帘线层和成型钢丝圈硫化（交联）而成.根据橡胶气囊工作时的变形方式，商用车空气弹簧的结构形式主要分为囊式和膜式两大类，如图1、2所示.

囊式空气弹簧是灯笼形结构，其曲囊可以由一段或数段串联而成，分别称为单曲、双曲或多曲囊式空气弹簧.囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的挠曲获得弹性变形，它由橡胶气囊、辅助气室、上盖板、夹紧环、缓冲等组成.

胶气囊、上盖板、缓冲块、活塞底座组成，有时活塞底座空心内腔还起辅助气室的作用.

根据橡胶气囊止口与接口的连接方式，膜式空气弹簧又分为约束膜式和自由膜式.约束膜式

空气弹簧的密封一般用螺栓夹紧密封，自由膜式空气弹簧则是采用橡胶气囊内的压力自封.

图1 囊式空气弹簧

图2 膜式空气弹簧

2 空气弹簧刚度特性

空气弹簧的支承和弹性作用主要取决于弹簧内的压缩气体.空气弹簧的承载力F可表示为：

式中pi为空气弹簧内气体工作压力；Ae为空气弹簧有效承压面积.

通过承载力F对弹簧行程s求导可得空气弹簧刚度k.

空气弹簧工作时其内部气体满足气体状态方程，即

式中p为空气压力；po为大气压力；V为空气体积；C为常数；n为气体的多变指数.多变指数n的选择取决于空气弹簧变形的速度，变形慢时可视为等温过程，n≈1；变形快时为绝热过程，n≈1.3~1.4.

将式（3）两边对弹簧行程s求导，得

在实际工程中，空气弹簧刚度是用试验的方法来测定的.在空气弹簧刚度试验机上，测定在不同工作压力下空气弹簧的承载力F和弹簧行程s的关系，得出一组空气弹簧刚度特性曲线，该曲线横坐标为空气弹簧行程，纵坐标为承载力，曲线的斜率即为空气弹簧的刚度.图3膜式空气弹簧的刚度特性曲线.

3 空气弹簧的缺陷分析

3.1 使用的注意事项

3.1.1 工作气压

为避免空气弹簧由于气压过低或过高造成早期损坏，空气弹簧的工作气压应在一个严格的范围内.空气弹簧采用箍环密封时，一般充气压力不低于0.07MPa，若采用轮缘夹紧或压力自密封时，充气压力不低于0.1MPa.一般空气弹簧的设计使用压力为爆破压力的三分之一，对于工作环境较好的场合，空气弹簧的设计使用压力可达到爆破压力的二分之一.

图3 膜式空气弹簧刚度特性曲线

3.1.2 工作行程

每一种空气弹簧的性能数据表中都列有该空气弹簧的许用行程，为保证空气弹簧的使用寿命，空气弹簧在使用过程中不允许超出空气弹簧的许用行程.

3.1.3 安装条件

空气弹簧在安装时应尽量保证上盖板与下盖板或底座具有相同的中心线，尽量减空气弹簧中心线的偏移和倾斜.同时还应保证具有足够的安装空间，空气弹簧不得与任何部件产生摩擦，在使用过程中不能与任何部件产生运动干涉，并要防止坚硬物体的冲击.

3.1.4 运输与贮存

橡胶空气弹簧在运输与贮存过程中，应尽量保持干燥、阴凉和通风.应避免暴晒，禁止与酸、碱、油和其它有机溶剂接触，并远离热源.

3.1.5 更换或替换

更换空气弹簧时应按其型号规格进行更换，若无法得到相同型号规格的空气弹簧时，应选用具有相同性能的空气弹簧进行更换.

3.2 缺陷分析

3.2.1 胶囊缺陷

3.2.1.1 橡胶气囊表面磨损.空气弹簧与周围零部件的间隙不够，工作时与空气悬架的其他零部件摩擦而产生磨损；当膜式空气弹簧的活塞底座外粘有砂石或泥土等硬物时，橡胶气囊的往复运动将与硬物摩擦产生磨损.磨损严重时橡胶气囊会产生破洞.若减振器损坏、空气管路或制动系管路松动等造成与橡胶气囊干涉而产生摩擦，也会使橡胶气囊表面磨损.

3.2.1.2 橡胶气囊表面出现化学侵蚀的孔洞.当橡胶气囊粘上润滑脂、润滑油或汽油等时，若不及时清洗，润滑脂等将侵蚀橡胶气囊的表面，并会出现化学侵蚀孔洞.

3.2.1.3 橡胶气囊疲劳老化，出现皱裂.橡胶气囊由于沾上了油脂等而导致过早老化，也有可能是正常老化.

3.2.1.4 橡胶气囊瘪陷，无法承受载荷.空气控制管路泄漏或堵塞；高度控制阀失效；储气罐内气压太低，不能打开压力保护开关.

3.2.2 上盖板缺陷

3.2.2.1 上盖板凹陷.空气悬架高度过低，空气弹簧长期在较低气压下工作；高度控制阀失效；橡胶气囊内气压太低，同时车辆超载严重；使用的空气弹簧型号不对.

3.2.2.2 上盖板凸起.空气悬架高度过高，空气弹簧长期在超正常气压下工作；高度控制阀失效；减振器损坏或型号不对；使用的空气弹簧型号不对.

3.2.2.3 上盖板螺钉松动、脱扣.对于螺钉紧固密封方式的空气弹簧，由于组装时上盖圆周各螺钉紧固力大小不一，螺钉受力不均.在运行过程中会慢慢松动、脱扣.

3.2.3 节流阀缺陷

节流阀脱落.对于采用螺钉紧固来保证阀座与阀套间的相对位置的节流阀，在振动过程中螺钉容易松动，导致阀座与阀套松动脱开.

3.2.4 漏气故障

橡胶气囊与上盖板或活塞底座结合处开裂、漏气，或螺栓根部漏气.空气弹簧长期在超出伸张许用行程的范围内工作；橡胶气囊内气压过高，超载严重；空气悬架减振器损坏或型号不对；缓冲块偏心接触，导致橡胶气囊与上盖板边缘或活塞底座结合处局部磨损.冬季气温过低且温差较大，导致胶囊外表面破裂.

3.3 解决措施

（1）空气悬架装配时，严格按照技术指标选用合理型号的空气弹簧，防止空气弹簧在过低或过高的气压下工作.

（2）安装过程中确保空气弹簧与周围的零部件的间隙合理，保证其与其他部件不产生摩擦.

（3）橡胶囊外层选有高强度的橡胶材料，提高空气弹簧胶囊外层橡胶的强度.

（4）加强橡胶配方的工艺研究和质量管理，进一步提高橡胶材料的耐疲劳、耐老化和耐低温的性能，保证空气弹簧在低温下的密封可靠性.

（5）避免化学及油类物质接触空气弹簧橡胶气囊表面.

（6）对于螺钉紧固密封式的空气弹簧，上盖螺钉松动、脱扣时，螺钉加螺钉紧固胶拧紧，螺钉断裂时应更换质量可靠的螺钉.

4 结束语

空气弹簧具有非常突出的优点.装备空气悬架的商用车具有良好的行驶特性，可实现车身高度的调节，对高速行驶的重型货车，还能减小对对高速公路路面的破坏.但是为了保证空气弹簧的使用寿命，还必须特别注意保持正确的空气弹簧工作气压和工作行程，加强对空气悬架的维护和保养，严防高度控制阀失效，防止其他零部件与橡胶气囊的干涉摩擦，同时还应加强空气弹簧的清洁处理，减小橡胶气囊表面的损伤.只有这样才能充分发挥空气弹簧的优势，实现其经济、技术价值.

〔1〕朱德库．空气弹簧及其控制系统[M]．济南：山东科学技术出版社，1989．

〔2〕张英会．弹簧手册[S]．北京：机械工业出版社，1997．

〔3〕王黎明，杜尚．25K（T）型客车用空气弹簧的结构与检修[J]．青岛：铁道车辆，2004.

〔4〕何锋，刘兴涛．商用车空气弹簧的研究现状及关键技术[J]．北京：橡胶工业，2005.

〔5〕姚小强．空气弹簧的运用检修及故障分析[J]．青岛：铁道车辆，2003.

〔6〕ContiTech Holding GmbH.ContiTech air springs for commercial vehicles〔R〕.Hannover:ContiTech Holding GmbH.2000(5).

〔7〕WABCO.Air Springs for Commercial Vehicles.3.Edition.WABCO 2002.