膜式空气弹簧静特性试验研究

詹长书，李明亮

(东北林业大学 交通学院， 哈尔滨 150040)

空气弹簧悬架能显著提高汽车的行驶平顺性以及操纵稳定性等使用性能，减小轮胎动载荷,从而减轻重型车辆对道路的破坏[1-7]，空气弹簧是空气弹簧悬架的核心元件。空气弹簧的弹性特性相比普通钢制弹簧十分优良，具有理想的弹性特性曲线，其刚度具有非线性特性，因此空气弹簧的应用范围也十分广泛[8]。空气弹簧是在柔性密闭橡胶气囊中充入压缩空气，利用空气的可压缩性来实现弹性作用的一种非金属弹簧。空气弹簧从结构上分为膜式空气弹簧和囊式空气弹簧，膜式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形，而囊式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的挠曲获得弹性变形。膜式空气弹簧拥有刚度、外形尺寸比较小的特点，弹性特性相比囊式空气弹簧更加理想，常用在轿车上。王家胜等[9]建立了断开气源空气弹簧静特性试验系统，得到了断开气源时空气弹簧的变形量与载荷、变形量与有效面积的静特性曲线，发现在断开气源压缩试验中空气弹簧静刚度随气囊内气压的增大而线性增大，空气弹簧在平衡中心附近范围内振动时有效面积基本保持不变。

1 试验系统与试验方案

1.1 建立试验系统

空气弹簧静特性测试系统工作原理如图1所示，测试系统由膜式空气弹簧、MTS拉伸试验机、供气系统、计算机系统等组成。采用青岛欧美亚橡胶工业有限公司的膜式空气弹簧作为试验对象，空气弹簧极限载荷为20 kN，工作压力为0.2～0.6 MPa。将MTS拉伸试验机作为试验平台，可以控制加载速度、加载位移，在进行试验时力臂缓慢加载以确保系统的稳定。供气系统由空气压缩机、电磁阀、气管组成。计算机系统由计算机、采集卡、电磁阀驱动模块、力传感器、位移传感器和气体压力传感器组成，试验时采集卡采集空气弹簧出力信号、空气弹簧位移信号、空气弹簧内部气体压力信号，储存在计算机中用于后期试验分析。

图1 空气弹簧静特性测试系统工作原理

1.2 设计试验方案

最新空气弹簧性能试验标准GB/T13061—2017《商用车空气悬架用空气弹簧技术规范》于2018年5月1日实施，标准规定了商用车空气悬架用空气弹簧试验方案[10]。最新标准替代了原有标准GB/T13061—1991《汽车悬架用空气弹簧橡胶气囊》，在原有标准基础上进行了一些修改[11]。本文选取商用车空气弹簧为试验对象，参照标准GB/T13061—2017《商用车空气悬架用空气弹簧技术规范》中的弹性特性试验方法开展研究。标准中规定了空气弹簧弹性特性试验可分为动弹性特性试验和静弹性特性试验，静弹性特性试验又可分为等温变压特性试验和等温等压特性试验，其中动弹性特性试验和等温变压特性试验都是将空气弹簧充气后断开气源，这样空气弹簧内的压缩空气质量是一定的，而等温等压特性试验的特点是将空气弹簧充气后保留气源以保证试验所需各压力稳定。

空气悬架在实际工作中对空气弹簧的气压不断调整，达到了空气悬架变刚度的目的。本文在参考其他专家断开气源试验的基础上选择保留气源的等温等压特性试验。参考最新《商用车空气悬架用空气弹簧技术规范》设计等温等压特性试验具体方案，将空气弹簧调至标准高度，按照最大工作压力调到0.3 MPa、其间以减量为0.1 MPa的方式充入压缩空气，保留气源以保证试验所需各压力稳定。空气弹簧压缩到最大压缩状态并停留5 min，然后以120 mm/min的速率将空气弹簧伸长到最大拉伸状态，连续记录拉伸过程中的弹簧出力-弹簧变形曲线，将这个曲线称为等温等压特性曲线，相当于空气弹簧容积无穷大时的弹性特性。在进行数据处理时将压缩过程和拉伸过程分开处理，绘制空气弹簧出力-空气弹簧位移、空气弹簧静刚度-空气弹簧位移、有效面积-空气弹簧位移曲线。

2 试验结果分析

2.1 空气弹簧出力-空气弹簧位移静特性曲线

图2描绘了等温等压压缩试验过程中不同工作气压时弹簧出力与弹簧位移关系曲线。图3描绘了等温等压拉伸试验过程中不同工作气压时弹簧出力与弹簧位移关系曲线，曲线的斜率是空气弹簧静刚度。

图2 等温等压压缩过程空气弹簧出力-空气弹簧位移静特性曲线

图3 等温等压伸张过程空气弹簧出力-空气弹簧位移静特性曲线

从图2可以看出：等温等压压缩过程弹簧出力特点不同，但气压曲线的变化趋势是相同的，在压缩过程前100 mm位移内，弹簧出力和弹簧位移基本呈线性增加；但在压缩过程100～300 mm位移内，弹簧出力不再持续增加，基本保持不变。从图3可以看出，等温等压拉伸过程中弹簧出力特点包括：0～20 mm位移内，弹簧出力近似线性增大；20～50 mm位移内，弹簧出力不断减小；50～230 mm位移内，多数气压曲线的出力保持不变；230～300 mm位移内，弹簧出力又近似线性增大。这样的弹簧出力与断开气源试验是不同的，保留气源试验在试验过程中气压保持恒定这相当于空气弹簧容积无穷大时的弹性特性。

图4描绘了等温等压压缩过程中不同气压曲线的静刚度。在压缩过程前150 mm弹簧位移内，曲线静刚度持续减小，到达空气弹簧平衡高度150 mm时，静刚度开始变为恒定值，150～300 mm位移内，弹簧静刚度保持不变。图5描绘了等温等压拉伸过程不同气压曲线的静刚度。在0～70 mm位移内弹簧静刚度逐渐减小，70～200 mm位移内弹簧静刚度出现一次波动，200～300 mm位移内弹簧静刚度近似线性逐渐增加。空气弹簧的静刚度有很强的非线性特性，静刚度随气囊的内压和弹簧变形的改变而变化。空气弹簧在位移平衡高度附近的静刚度较低，在两端位置，静刚度随位移的增大而增大。当汽车行驶状态处于空气弹簧平衡位置附近时空气弹簧静刚度较低，在不良路面时空气悬架可迅速缓冲来自路面的冲击，以提高乘员舒适性。当汽车行驶状态处于空气弹簧两端位置时空气弹簧静刚度较大，限制了空气悬架自振动频率。实际情况是，在汽车行驶时要不断改变空气弹簧内部气体压力以实时改变空气弹簧刚度，从而提高乘员舒适性、汽车行驶平顺性以及操纵稳定性等使用性能，同时减小轮胎动载荷，以减轻重型车辆对道路的破坏程度。

图4 压缩过程空气弹簧静刚度-空气弹簧位移静特性曲线

图5 拉伸过程空气弹簧静刚度-空气弹簧位移静特性曲线

2.2 空气弹簧有效面积-空气弹簧位移静特性曲线

GB/T13061—2017《商用车空气悬架用空气弹簧技术规范》中空气弹簧有效面积定义是指空气弹簧负载与空气弹簧内压(相对气压)的比值，弹簧有效面积是弹簧承受载荷的重要因素。图6描绘了等温等压压缩过程中不同气压曲线的有效面积。从图6可以看出：在弹簧前100 mm位移内有效面积不断增大，在100～300 mm位移内有效面积基本不变，4条曲线变化趋势相同，大体重合，反映出内压对空气弹簧有效面积影响不大。弹簧的变形量是有效面积的主要影响因素。图7描绘了等温等压拉伸过程中不同气压曲线的有效面积。

图6 压缩过程空气弹簧有效面积-空气弹簧位移静特性曲线

图7 伸张过程空气弹簧有效面积-空气弹簧位移静特性曲线

从图7可以看出：在弹簧前15 mm位移内弹簧有效面积不断增大，在15～25 mm位移内有效面积逐渐减小，在50～200 mm位移内有效面积保持不变，在220～300 mm位移内有效面积近似线性增大。有效面积与弹簧位移表现出非线性变化。有效面积变化规律与空气弹簧本身结构有很大关系，不同结构的空气弹簧有效面积的变化规律有很大不同。有效面积不断变化是影响空气弹簧变刚度特性的重要因素。

3 结论

1) 等温等压压缩试验和拉伸试验弹簧出力曲线与断开气源试验不同。在压缩试验中前100 mm弹簧位移内弹簧出力线性增大，到100 mm位移时弹簧出力到达最大值，后200 mm弹簧位移内弹簧出力保持最大值不变。在拉伸试验中弹簧出力先增大然后保持不变后继续增大。弹簧出力特点与断开气源试验是不同的。弹簧在保留气源试验中气压保持恒定相当于空气弹簧容积无穷大。

2) 等温等压试验中空气弹簧静刚度变化特点和断开气源试验时有很大不同，断开气源试验时弹簧静刚度随弹簧内部气压的增大而增大。等温等压压缩试验弹簧静刚度变化特点是随着弹簧被压缩静刚度逐渐减小，后200 mm行程内静刚度保持不变。拉伸试验时静刚度波动一段后增大。

3) 压缩过程空气弹簧有效面积大致线性增加到最大值然后基本保持不变，继续压缩弹簧有效面积也不再继续增大。4条不同气压曲线的有效面积曲线大致重合，说明弹簧内压对有效面积影响不大。拉伸阶段有效面积先增大再减小，然后保持不变，最后随着弹簧被拉伸又迅速增大。3条有效面积曲线大致重合，说明弹簧内压对有效面积影响不大，有效面积变化规律与空气弹簧本身结构有很大关系。