CN103080595B - 用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于重载车辆车桥/悬架系统的空气弹簧，其包括操作地连接到活塞腔室的波纹管腔室。在波纹管腔室和活塞腔室之间设置有开口，以便允许流体在波纹管腔室和活塞腔室之间连通。开口的横截面面积以及波纹管腔室和活塞腔室的体积被调谐，以优化空气弹簧的阻尼特性。

Description

用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2010年9月10日提交的系列号为No.61/381,477的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明整体涉及用于重载车辆的车桥/悬架系统的领域。更具体地，本发明涉及用于重载车辆的空气悬挂式车桥/悬架系统，其采用空气弹簧以缓冲车辆的行驶。更具体地，本发明涉及重载车辆的空气悬挂式车桥/悬架系统的空气弹簧，其中空气弹簧被优化，以便根据空气弹簧的波纹管腔室的体积、空气弹簧的活塞腔室的体积以及一个或多个开口的尺寸，使得空气弹簧具有阻尼特性，继而使得车桥/悬架系统具有阻尼特性，该一个或多个开口在波纹管腔室和活塞腔室之间形成在空气弹簧中并且与波纹管腔室和活塞腔室连通。更具体地，活塞腔室和波纹管腔室之间的空气流通过位于空气弹簧的活塞腔室和波纹管腔室之间的开口为空气弹簧提供粘性阻尼。
背景技术
使用空气悬挂式尾随和引导臂刚性梁型车桥/悬架系统多年来在重载卡车和牵引车-拖车工业中倍受欢迎。尽管这样的车桥/悬架系统可能在结构形式上广为变化，但是通常他们的结构的类似之处在于，每个系统通常都包括一对悬架组件。在某些重载车辆中，悬架组件直接连接到车辆的初级框架。在其它重载车辆中，车辆的初级框架支撑子框架，并且悬架组件直接连接到子框架。对于支撑子框架的那些重载车辆，子框架可以是不可动的或者可以是可动的，可动的子框架常常被称为滑动器箱、滑动器子框架、滑动器底架或次级滑动器框架。为了方便和清楚的目的，本文将以主构件为基准，应当理解，这样的基准是以举例的方式，并且本发明应用于从主构件悬挂的重载车辆的车桥/悬架系统：初级框架、可动子框架和不可动子框架。
具体地，车桥/悬架系统的每个悬架组件都包括纵向延伸的长形梁。每个梁通常都定位成与形成车辆的框架的一对间隔开的纵向延伸的主构件和一个或多个横向构件中的相应一个相邻并且处于该相应一个的下方。更具体地，每个梁都在其一个端部处枢转地连接到吊架，继而附接到车辆的主构件中的相应一个且从该相应一个悬挂。轴在一对悬架组件的梁之间横向地延伸，并且通常通过某些手段在从每个梁的大致中点到梁的与其枢转连接端部相对的端部所选择的位置处连接到该对悬架组件的梁。与枢转连接端部相对的梁端部也连接到空气弹簧，或其等同形式，继而连接到主构件中相应的一个。高度控制阀安装在主构件或其它支撑结构上，并且操作地连接到梁和空气弹簧，以便维持车辆的行驶高度。制动系统和用于为车辆的车桥/悬架系统提供阻尼的一个或多个吸震器也安装在车桥/悬架系统上。梁可以相对于车辆的前方从枢转连接部向后或向前延伸，从而限定通常被分别称为尾随臂或引导臂车桥/悬架系统的结构。然而，为了本文中所含的说明的目的，应当理解，术语“尾随臂”将涵盖相对于车辆的前端向后或向前延伸的梁。
重载车辆的车桥/悬架系统用来缓冲行驶、衰减振动、以及稳定车辆。更具体地，当车辆在道路上行进时，其车轮所遇到的道路条件向安装车轮的相应轴施加各种力、载荷和/或应力（在本文中统称为力），继而向与轴连接且支撑轴的悬架组件施加各种力、载荷和/或应力。为了最小化这些力在车辆操作时对车轮的不利影响，车桥/悬架系统设计成反应和/或吸收这些力中的至少一些。
这些力包括：竖向力，其在车轮遇到某些道路条件时由车轮的竖向运动引起；纵向力，其由车辆的加速和减速引起；以及侧向载荷和扭转力，其与车辆横向运动相关，例如车辆的转动和变道操纵。为了应对这样完全不同的力，车桥/悬架系统具有不同的结构需求。更具体地，期望车桥/悬架系统相当刚性，以最小化车辆所经历的摇摆量，从而提供本领域中所谓的侧倾稳定性。然而，还期望的是，车桥/悬架系统相对柔性，以帮助缓冲车辆以使其免于竖向冲击，并且提供柔性而使得车桥/悬架系统的各部件抵抗失效，从而增加车桥/悬架系统的耐久性。还期望衰减由这些力导致的振动或震荡。缓冲车辆的行驶以使其免于竖向冲击的车桥/悬架系统的关键部件是空气弹簧，同时吸震器通常为车桥/悬架系统提供阻尼特性。
用于重载空气悬挂式车桥/悬架系统的典型空气弹簧包括三个主部件：柔性波纹管、活塞和波纹管顶部板。波纹管通常由橡胶或其它柔性材料形成，并且操作地安装在活塞的顶部上。活塞通常由钢、铝、纤维强化塑料或其它刚性材料形成，并且通过紧固件安装在悬架组件的梁的顶部板的后端部上。容纳在空气弹簧中的增压空气的体积或“空气体积”是确定空气弹簧的弹簧刚度的主要因素。更具体地，该空气体积容纳在波纹管内，并且在某些情况下容纳在空气弹簧的活塞中。空气弹簧的空气体积越大，则空气弹簧的弹簧刚度越低。在重载车辆工业中，较低的弹簧刚度通常是更加期望的，原因是其为车辆在操作期间提供较软的行驶。通常，活塞包含中空腔体，该中空腔体与波纹管连通，并且通过允许活塞和波纹管体积之间的不受限制的空气连通而增加空气弹簧的空气体积，或者活塞具有大致中空的圆柱形形状且不与波纹管体积连通，从而活塞无助于空气弹簧的空气体积。空气弹簧的空气体积与空气源（例如空气供应罐）流体连通，并且还与车辆的高度控制阀流体连通。通过将空气流引入和引出车桥/悬架系统的空气弹簧，高度控制阀帮助维持车辆的期望行驶高度。
现有技术的空气弹簧（例如上述空气弹簧）在车辆操作期间为车辆货物和乘客提供缓冲的同时为车桥/悬架系统提供很少（如果有的话）的阻尼特性。相反，这样的阻尼特性通常由一对液压吸震器提供，但是单个吸震器也已经得到使用并且是本领域中众所周知的。吸震器中的每一个都安装在车桥/悬架系统的悬架组件中相应一个的梁与车辆的主构件中相应一个上并且在车桥/悬架系统的悬架组件中相应一个的梁与车辆的主构件中相应一个之间延伸。这些吸震器增加了车桥/悬架系统的复杂度和重量。此外，因为吸震器为车桥/悬架系统的保养项目，其需要不时进行维护和/或更换，所以它们也增加了车桥/悬架系统的额外维护和/或更换成本。
车辆可以承载的货物的量受地方、州和/或国家道路和桥梁法律的监管。大多数道路和桥梁法律之后的基本原则是限制车辆能够承载的最大载荷，并且限制各个轴能够支撑的最大载荷。因为吸震器较重，所以这些部件增加了车桥/悬架系统的不期望的重量，并且因此降低了重载车辆能够承载的货物的量。根据所采用的吸震器，它们还增加了车桥/悬架系统的变化复杂程度，这也是不期望的。
某些现有技术的空气弹簧已经尝试通过在空气弹簧的波纹管和活塞腔室之间设置阀来为空气弹簧提供阻尼特性。其它现有技术的空气弹簧已经尝试通过在空气弹簧的波纹管和活塞腔室之间形成开口来为空气弹簧提供阻尼特性，该开口被与该开口相邻地安装的橡胶舌片部分地覆盖，以便为空气弹簧提供阻尼特性。其它现有技术的空气弹簧已经包括波纹管和活塞之间的大开口，以允许两个体积之间的完全的不受限制的空气连通，从而增大空气体积，并且因此减小空气弹簧的弹簧刚度，在操作期间为车辆提供较软的行驶。然而，包括阀的现有技术的空气弹簧是复杂的，并且需要可能随时间而损坏的阀部件，这需要进行更换的费用和时间。包括具有橡胶舌片的开口的现有技术的空气弹簧通常限制某些空气沿一个方向运动，但是允许空气沿相反方向自由流动。此外，这些橡胶舌片与阀一样，是空气弹簧内的额外部件，可能会磨损，从而需要昂贵的修复和/或维护。此外，这些在波纹管和活塞之间包括开口的现有技术的空气弹簧没有考虑波纹管腔室的体积、活塞腔室的体积或者在波纹管腔室和活塞腔室之间形成的与波纹管腔室和活塞腔室连通的开口的尺寸和/或数量，来为空气弹簧提供改进的阻尼特性。
通过提供波纹管腔室、活塞腔室以及在波纹管腔室和活塞腔室之间形成的与波纹管腔室和活塞腔室连通的开口之间的某些结构关系，本发明的用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧克服了与现有技术的空气弹簧相关的问题，优化了空气弹簧的阻尼特性，同时比采用阀、橡胶舌片和类似物的现有技术的空气弹簧整体上使用较少的部件。用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧包括调谐空气弹簧的某些结构部件，以便对于指定的应用，根据活塞腔室体积、波纹管腔室体积以及在空气弹簧的波纹管腔室和活塞腔室之间形成的与波纹管腔室和活塞腔室连通的开口的尺寸、形状、长度和/或数量，优化或找到空气弹簧的阻尼特性的“最有效点”。通过提供具有优化阻尼特性的用于重载车辆的空气弹簧，可以消除车桥/悬架系统的吸震器，或者其尺寸可以减小，降低复杂度、节省重量和成本，并且允许重载车辆拖运更多的货物。此外，吸震器、阀和/或橡胶舌片的消除可能消除与这些较为复杂的系统相关的昂贵的修复和/或维护成本。
发明内容
本发明的目的包括提供一种空气弹簧，其具有优化的阻尼特性。
本发明的另一个目的是消除吸震器或减小吸震器的尺寸，从而降低复杂度，节省重量和成本，并且允许重载车辆拖运更多的货物。
本发明的另一个目的是提供一种具有优化的阻尼特性的空气弹簧，其较为简单，并且消除或降低了昂贵的修复和/或维护成本。
这些目的和优点是通过本发明的空气弹簧获得，该空气弹簧包括操作地连接到活塞腔室的波纹管腔室。波纹管腔室和活塞腔室之间设置有至少一个开口。该至少一个开口允许流体在波纹管腔室和活塞腔室之间连通，从而以平方英寸表示的至少一个开口的横截面面积与以立方英寸表示的活塞腔室的体积、与以立方英寸表示的波纹管腔室的体积的比为从大约1:600:1200至大约1:14100:23500。
附图说明
本发明的优选实施例，申请人已经想到的应用该原理的最佳模式的展示，在以下的说明书中陈述，在附图中示出，并且在所附权利要求中具体地且清楚地指出和陈述。
图1为结合有一对现有技术的空气弹簧的车桥/悬架系统的俯视后部透视图，并且示出了一对吸震器，该对吸震器中每一个都安装在车桥/悬架系统的悬架组件中相应一个上；
图2为本发明的第一优选实施例的空气弹簧的剖视透视图，示出了在活塞顶部板中形成的开口，这些开口处于活塞腔室和波纹管腔室之间且与活塞腔室和波纹管腔室连通，并且还示出了附接到活塞的顶部板上的缓冲器；
图3为本发明的第二优选实施例的空气弹簧的剖视透视图，示出了在缓冲器安装板和活塞顶部板中形成的开口以及相邻的活门，这些开口处于活塞腔室和波纹管腔室之间且与活塞腔室和波纹管腔室连通，并且还示出了附接到活塞的顶部板的顶部表面上的缓冲器；
图4为本发明的第二优选实施例的空气弹簧的多倍放大局部剖视透视图，示出了设置在活塞顶部板和缓冲器安装板之间的活门，并且示出了当空气从活塞腔室流入波纹管腔室时靠着缓冲器安装板被向上推压的活门；
图5为与图4类似的视图，但是示出了当空气从波纹管腔室流入活塞腔室时靠着活塞顶部板被向下推压的活门；以及
图6为曲线图，其大致示出了在频率范围内当以恒定振幅循环测试空气弹簧时本发明的空气弹簧的不同变型所能够获得的相对阻尼水平。
在整个附图中，类似的附图标号涉及类似的部分。
具体实施方式
为了更好地理解采用本发明的用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧的环境，图1中示出了结合有现有技术的空气弹簧24的尾随臂悬吊梁型空气悬挂式车桥/悬架系统，其整体上用10表示，并且将在以下详细描述。
应该指出的是，车桥/悬架系统10通常安装在重载车辆的一对纵向延伸的间隔开的主构件（未示出）上，该主构件通常代表用于重载车辆的各种类型的框架，包括不支撑子框架的初级框架以及支撑子框架的初级框架和/或地板结构。对于支撑子框架的初级框架和/或地板结构，子框架可以是不可动的或者可以是可动的，可动的子框架常常被称为滑动器箱。因为车桥/悬架系统10总体上包括相同的一对悬架组件14，所以为了清楚起见，以下将仅仅描述一个悬架组件。
悬架组件14经由尾随臂悬吊梁18枢转地连接到吊架16。更具体地，梁18形成为大致颠倒的一体形成的U形，具有顶部板65和一对侧壁66，其中梁的敞开部分大致面向下。底部板63在侧壁66的最下侧端部之间延伸，并且通过任何合适的手段（例如焊接）附接到侧壁66的最下侧端部，以完成梁18的结构。尾随臂悬吊梁18包括前端部20，该前端部20具有衬套组件22，该衬套组件22包括本领域中众所周知的衬套、枢转螺栓和垫圈，以方便梁到吊架16的枢转连接。梁18还包括后端部26，该后端部26焊接到或以其它方式刚性附接到横向延伸的轴32。
悬架组件14还包括空气弹簧24，空气弹簧24安装在梁后端部26和主构件（未示出）上，并且在梁后端部26和主构件之间延伸。空气弹簧24包括波纹管41和活塞42。波纹管41的顶部部分与波纹管顶部板43密封地接合。空气弹簧安装板44通过紧固件45安装在顶部板43上，该紧固件45也用来将空气弹簧24的顶部部分安装到车辆主构件（未示出）。活塞42通常为圆柱形，并且具有大致平的底部板和顶部板（未示出）。波纹管41的底部部分与活塞顶部板（未示出）密封地接合。活塞底部板在梁后端部26处靠在梁顶部板65上，并且以本领域技术人员众所周知的方式（例如通过紧固件或螺栓（未示出））附接到梁顶部板65。活塞顶部板形成为不具有开口，从而活塞42和波纹管41之间没有流体连通。因此，活塞42通常不向空气弹簧24提供任何可测量的体积。吸震器40的顶端部经由安装托架19和紧固件15以本领域技术人员众所周知的方式安装在吊架16的向内延伸的翼部17上。吸震器40的底端部以本领域技术人员众所周知的方式安装到梁18（该安装未示出）。为了相对完整起见，包括制动腔室30的制动系统28示出为安装在现有技术的悬架组件14上。
如上所述，车桥/悬架系统10设计成在车辆操作时吸收作用在车辆上的力。更具体地，期望车桥/悬架系统10是刚性的或刚硬的，以便抵抗侧倾力，从而为车辆提供侧倾稳定性。这通常是通过利用梁18而实现的，梁18是刚性的，并且还刚性地附接到轴32。然而，还期望的是，车桥/悬架系统10是柔性的，以帮助缓冲车辆（未示出）而使车辆免于竖向冲击，并且提供柔性而使得车桥/悬架系统抵抗失效。这样的柔性通常是通过利用衬套组件22将梁18枢转地连接到吊架16而实现的。空气弹簧24和吸震器40还帮助对于货物和乘客缓冲行驶。
上述现有技术的空气弹簧24具有非常有限的阻尼能力或者不具有阻尼能力，原因是如上所述其结构不提供阻尼能力。相反，现有技术的空气弹簧24依靠吸震器40来为车桥/悬架系统10提供阻尼。因为吸震器40较重，所以这增加了车桥/悬架系统10的重量，并且因此降低了重载车辆能够承载的货物的量。吸震器40还增加了车桥/悬架系统10的复杂度。此外，因为吸震器40为车桥/悬架系统10的保养项目，其需要不时进行维护和/或更换，所以它们也增加了车桥/悬架系统的额外维护和/或更换成本。本发明的用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧克服了与现有技术的空气弹簧相关的问题，包括那些具有开口、阀、舌片和类似物的空气弹簧，以及缺乏上述这些额外部件的典型现有技术的空气弹簧，以下将详细描述本发明的空气弹簧。
本发明的第一优选实施例的空气弹簧在图2中整体上示出为124，与轴额定最大重量（GAWR）为大约20,000磅的车桥/悬架系统的轴结合使用，并且将在以下详细描述。应当理解，以下的说明是以举例的方式而不是限制性的，本发明的优选实施例的空气弹簧124可以根据使用该空气弹簧的车桥/悬架系统的轴的GAWR进行放大或缩小，而不改变本发明的整体概念或操作。类似于现有技术的空气弹簧24，本发明的空气弹簧124结合到车桥/悬架系统10中，或者结合到其它类似的空气悬挂式车桥/悬架系统中。空气弹簧124包括波纹管141和活塞142。波纹管141的顶端部以本领域众所周知的方式与波纹管顶部板143密封地接合。空气弹簧安装板（未示出）通过紧固件（未示出）安装在顶部板143的顶部表面上，该紧固件还用来将空气弹簧124的顶部部分安装到车辆的主构件（未示出）中相应的一个上。或者，波纹管顶部板143也可以直接安装在车辆的主构件（未示出）中相应的一个上。活塞142为大致圆柱形，并且包括连续的大致台阶形的侧壁144，该侧壁144附接到大致平的底部板150且一体地形成有顶部板182。底部板150形成有向上延伸的中心毂152。中心毂152包括底部板154，该底部板154形成有中心开口153。紧固件151穿过开口153设置，以便将活塞142在梁后端部26处附接到梁顶部板65（图1）。
活塞142的顶部板182、侧壁144和底部板150限定了具有内部体积V1的活塞腔室199。活塞142的顶部板182形成有向上延伸的圆形凸起183，该凸起183具有围绕其周边的唇缘180。唇缘180与波纹管141的最下侧端部配合，以在波纹管和唇缘之间形成气密密封，如本领域技术人员众所周知的。波纹管141、顶部板143和活塞顶部板182限定了波纹管腔室198，该波纹管腔室198在标准静态行驶高度下具有内部体积V2。缓冲器181借助本领域中众所周知的方式刚性地附接到缓冲器安装板186。缓冲器安装板186继而通过紧固件184安装在活塞顶部板182上。缓冲器181从缓冲器安装板186的顶部表面向上延伸。缓冲器181用作活塞顶部板182和波纹管顶部板143之间的缓冲垫，以便在车辆操作期间保持这些板彼此不接触，这种接触可能引起板的损坏。
根据本发明的主要特征之一，活塞顶部板182形成有一对开口185，该一对开口允许活塞腔室199的体积V1与波纹管腔室198的体积V2彼此连通。更具体地，在车辆操作期间，开口185允许流体或空气在活塞腔室199和波纹管腔室198之间通过。开口185是圆形的，但是在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，开口可以采用其它形状、尺寸、长度和数量。
可以想到，以平方英寸测量的开口185的横截面面积与以立方英寸测量的活塞腔室199的体积、与以立方英寸测量的波纹管腔室198的体积的比在从大约1:600:1200到大约1:14100:23500的比值范围内。
以举例的方式，用于轴的GAWR为大约20,000磅的重载拖车的车桥/悬架系统10的空气弹簧124采用体积V2等于大约485立方英寸的波纹管腔室198、体积V1为大约240立方英寸的活塞腔室199以及组合横截面面积为大约0.06平方英寸的开口185。如上所述，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的包括上述比值范围的空气弹簧124可以根据采用该空气弹簧的车桥/悬架系统10的轴32的GAWR进行放大或缩小。
现在已经描述了本发明的第一实施例的空气弹簧124的结构，以下将详细描述空气弹簧的阻尼特性的操作。当车桥/悬架系统10的轴32经历颠簸情况时，例如当车辆的车轮遇到道路上的路缘或隆起块时，轴朝向车辆的底盘向上竖直地运动。在这样的颠簸情况中，当车辆在道路上的路缘或隆起块上行进时，波纹管腔室198通过车桥/悬架系统10压缩。空气弹簧波纹管腔室198的压缩使得波纹管腔室的内部压力增大。因此，在波纹管腔室198和活塞腔室199之间形成压差。该压差使得空气从波纹管腔室198通过活塞顶部板开口185流入活塞腔室199。空气从波纹管腔室198通过活塞顶部板开口185进入活塞腔室199的受限流动引发粘性阻尼。空气流过开口185的另一结果是，波纹管腔室198和活塞腔室199之间的压差减小。空气继续流过活塞顶部板开口185，直到活塞腔室199和波纹管腔室198的压力均衡。
反之，当车桥/悬架系统10的轴32经历回弹情况时，例如当车辆的车轮遇到道路上的大洞或凹陷时，轴离开车辆的底盘向下竖直地运动。在这样的回弹情况中，当车辆行进到道路上的大洞或凹陷中时，波纹管腔室198通过车桥/悬架系统10膨胀。空气弹簧波纹管腔室198的膨胀使得波纹管腔室的内部压力减小。因此，在波纹管腔室198和活塞腔室199之间形成压差。该压差使得空气从活塞腔室199通过活塞顶部板开口185流入波纹管腔室198。空气通过活塞顶部板开口185的受限流动引发粘性阻尼。空气流过开口185的另一结果是，波纹管腔室198和活塞腔室199之间的压差减小。空气将继续流过活塞顶部板开口185，直到活塞腔室199和波纹管腔室198的压力均衡。当在若干秒的一段时间内没有或几乎没有发生悬浮运动时，波纹管腔室198和活塞腔室199的压力可以认为是相等的。
额外参考图6，通过调节活塞腔室199的体积V1、波纹管腔室198的体积V2和/或活塞顶部板开口185的相对尺寸，能够调谐所获得的粘性阻尼水平以及粘性阻尼的最高水平出现时的频率。通过在一次循环或震荡内粘性阻尼所损失的能量来测量所获得的阻尼水平。例如，相对较小的波纹管腔室体积V2将产生较高水平的阻尼，原因是对于指定的情况波纹管腔室198内的压力变化将会较高，即较高的压差意味着更多地流过活塞顶部板开口185，从而导致较大的粘性阻尼。通过另一个例子，相对较大的活塞腔室体积V1也将大致产生较高的阻尼水平（图6），原因是活塞腔室199和波纹管腔室198之间的压差通常将持续较长时间来进行均衡，即更多的空气将需要流过活塞顶部板开口185，从而在活塞腔室和波纹管腔室之间导致更大的粘性阻尼。通过另一个例子，改变活塞顶部板开口185的相对横截面尺寸、形状、数量或者甚至长度继而将影响活塞腔室199和波纹管腔室198中的压力均衡所要花费的时间。因此，活塞顶部板开口185的横截面尺寸可以改变，以改变粘性阻尼的水平和出现最高阻尼水平时的频率，大致如图6所示。
如上所述，活塞腔室199的体积V1、波纹管腔室198的体积V2以及开口185的横截面面积全部彼此相关，在标准温度和压力下，在车辆操作期间为空气弹簧124提供特定应用的阻尼特性。更具体地，可以修改活塞腔室199和波纹管腔室198的结构尺寸，以分别增大或减小活塞腔室和波纹管腔室的体积V1和V2，从而针对某些应用调谐空气弹簧124的阻尼特性。更具体地，当活塞腔室199的体积V1增大时，空气弹簧124的阻尼能力也大致增大。当波纹管腔室198的体积V2减小时，空气弹簧124的阻尼能力大致增大。此外，开口185的相对尺寸确定了改进的阻尼将出现的频率，其中增大的开口尺寸提高了最高阻尼水平出现时的频率，减小的开口尺寸降低了最高阻尼水平出现时的频率，大致如图6所示。
本发明的第二优选实施例的空气弹簧在图3中整体上示出为224，并且将在以下详细描述。类似于现有技术的空气弹簧24，本发明的空气弹簧224结合到车桥/悬架系统10中，或者结合到其它类似的空气悬挂式车桥/悬架系统中。空气弹簧224包括波纹管241和活塞242。波纹管241的顶端部以本领域众所周知的方式与波纹管顶部板243密封地接合。空气弹簧安装板（未示出）通过紧固件（未示出）安装在顶部板243的顶部表面上，该紧固件还用来将空气弹簧224的顶部部分安装到车辆的主构件（未示出）中相应的一个上。活塞242为大致圆柱形，并且包括连续的大致台阶形的侧壁244，该侧壁244附接到大致平的底部板250且一体地形成有顶部板282。底部板250形成有向上延伸的中心毂252。中心毂252包括底部板254，该底部板254形成有中心开口253。紧固件251穿过开口253设置，以便将活塞242在梁后端部26处附接到梁顶部板65（图1）。
活塞242的顶部板282、侧壁244和底部板250限定了具有内部体积V1的活塞腔室299。活塞242的顶部板282形成有向上延伸的圆形凸起283，该凸起283具有围绕其周边的唇缘280。唇缘280与波纹管241的最下侧端部配合，以在波纹管和唇缘之间形成气密密封，如本领域技术人员众所周知的。波纹管241、顶部板243和活塞顶部板282限定了波纹管腔室298，该波纹管腔室298在标准静态行驶高度下具有内部体积V2。缓冲器281通过粘合剂或其它类似的安装手段安装在缓冲器安装板286上。缓冲器安装板286通过紧固件284安装在活塞顶部板282上。缓冲器281从缓冲器安装板286的顶部表面向上延伸。缓冲器281用作活塞顶部板282和波纹管顶部板243之间的缓冲垫，以便在车辆操作期间保持这些板彼此不接触，这种接触可能引起板的损坏。
根据本发明的主要特征之一，缓冲器安装板286形成有一对开口285，该一对开口285与在活塞顶部板282中形成的一对开口287连通。由金属形成的活门288设置在缓冲器安装板286和活塞顶部板282之间。活门288也形成有孔口297。活门288允许空气相对自由地从波纹管腔室298流入到活塞腔室299中，但是限制从活塞腔室通过活门孔口297到波纹管腔室中的空气流动。根据空气流动方向（进入活塞腔室或离开活塞腔室），活门288用来改变活塞腔室299和波纹管腔室298之间的空气流动。例如，通过活门孔口297限制从活塞腔室299到波纹管腔室298中的空气流动。更具体地，当空气从活塞腔室299流入到波纹管腔室298中，活门288靠着缓冲器安装板286和缓冲器安装板开口285被向上推压（图4）。因为活门孔口297大致小于缓冲器安装板开口285和活塞顶部板开口287，所以通过活门孔口限制空气流动。通过另一个例子，通过缓冲器安装板开口285限制沿相反方向从波纹管腔室298到活塞腔室299中的空气流动。更具体地，当空气从波纹管腔室298流入到活塞腔室299中时，活门288被向下推压，并且靠在活塞顶部板282上（图5）。这有效地打开缓冲器安装板开口285和活塞顶部板开口287之间的连通。因为缓冲器安装板开口285大致小于活塞顶部板开口287，所以通过缓冲器安装板开口限制空气流动。与没有活门的空气弹簧相比，活门288大致能够增大较高频率下的空气弹簧的相对阻尼水平（图6）。缓冲器安装板开口285是圆形的，但是在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，开口可以采用其它形状、尺寸、长度和数量。可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，活门288可以由具有其它形状和尺寸的不同材料形成。活门孔口297是圆形的，但是在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，开口可以采用其它形状、尺寸、长度和数量。可以想到，缓冲器安装板开口285应当至少与活门孔口297一样大。
还可以想到，以平方英寸测量的活门孔口297的横截面面积与以立方英寸测量的活塞腔室299的体积、与以立方英寸测量的波纹管腔室298的体积的比在从大约1:600:1200到大约1:14100:23500的比值范围内。
以举例的方式，用于轴的GAWR为大约20,000磅的重载拖车的车桥/悬架系统10的空气弹簧224采用体积V2等于大约485立方英寸的波纹管腔室298、体积V1为大约240立方英寸的活塞腔室299、组合横截面面积为大约0.3平方英寸的开口285以及组合横截面面积为大约0.06平方英寸的活门孔口297。如上所述，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的包括上述比值范围的空气弹簧224可以根据采用该空气弹簧的车桥/悬架系统10的轴32的GAWR进行放大或缩小。
现在已经描述了本发明的第二实施例的空气弹簧224的结构，以下将详细描述空气弹簧的阻尼特性的操作。当车桥/悬架系统10的轴32经历颠簸情况时，例如当车辆的车轮遇到道路上的路缘或隆起块时，轴朝向车辆的底盘向上竖直地运动。在这样的颠簸情况中，当车辆在道路上的路缘或隆起块上行进时，波纹管腔室298通过车桥/悬架系统10压缩。空气弹簧波纹管腔室298的压缩使得波纹管腔室的内部压力增大。因此，在波纹管腔室298和活塞腔室299之间形成压差。该压差使得空气从波纹管腔室298流过缓冲器安装板开口285，使得活门288被迫向下（如上详细所述且如图5所示），从而允许空气通过顶部板开口287流入到活塞腔室299中。通过改变特性，例如活门288和/或活门孔口297的刚度、形状、尺寸、长度和数量以及缓冲器安装板开口285的形状、尺寸、数量、长度，能够改变由活门和缓冲器安装板开口的组合引起的空气流动的限制。从波纹管腔室298通过缓冲器安装板开口285和越过活门288到活塞腔室299中的受限的空气流动引发粘性阻尼。流过缓冲器安装板开口285和越过活门288的另一结果是，波纹管腔室298和活塞腔室299之间的压差减小。空气将继续流过缓冲器安装板开口285，越过活门288而流入到活塞腔室299中，直到活塞腔室和波纹管腔室298的压力均衡。
反之，当车桥/悬架系统10的轴32经历回弹情况时，例如当车辆的车轮遇到道路上的大洞或凹陷时，轴离开车辆的底盘向下竖直地运动。在这样的回弹情况中，当车辆行进到道路上的大洞或凹陷中时，波纹管腔室298通过车桥/悬架系统10膨胀。空气弹簧波纹管腔室298的膨胀使得波纹管腔室的内部压力减小。因此，在波纹管腔室298和活塞腔室299之间形成压差。该压差使得空气从活塞腔室299流过活门孔口297，流过缓冲器安装板开口285，流过顶部板开口287而流入到波纹管腔室298中，如上详细所述且如图4所示。空气通过活门孔口297的受限流动引发粘性阻尼。空气流过活门孔口297的另一结果是，波纹管腔室298和活塞腔室299之间的压差减小。空气将继续流过活门孔口297并且流过缓冲器安装板开口285，直到活塞腔室299和波纹管腔室298的压力均衡。当在若干秒的一段时间内没有或几乎没有发生悬浮运动时，波纹管腔室298和活塞腔室299的压力可以认为是相等的。
通过调节活塞腔室299的体积V1、波纹管腔室298的体积V2、活门孔口297和/或缓冲器安装板开口285的相对尺寸，能够调谐所获得的粘性阻尼水平以及粘性阻尼的最高水平出现时的频率。例如，相对较小的波纹管腔室体积V2将产生较高水平的阻尼，原因是对于指定的情况波纹管腔室298内的压力变化将会较高，即较高的压差意味着更多地流过缓冲器安装板开口285和越过或流过活门288，从而导致较大的粘性阻尼。通过另一个例子，相对较大的活塞腔室体积V1将产生较高水平的阻尼，原因是活塞腔室299和波纹管腔室298之间的压差将大致花费较长时间来进行均衡，即更多的空气将需要流过或越过活门288和缓冲器安装板开口285，导致活塞腔室和波纹管腔室之间更大的粘性阻尼。通过另一个例子，改变活门288和活门孔口297的特性，例如尺寸、形状、长度、数量和刚度，继而将影响活塞腔室299和波纹管腔室298中的压力均衡所要花费的时间。因此，活门孔口297和缓冲器安装板开口285的横截面尺寸可以改变，以改变粘性阻尼的定向水平和出现最高阻尼水平时的频率（图6）。
如上所述，活塞腔室299的体积V1、波纹管腔室298的体积V2以及缓冲器安装板开口285和孔口297的横截面面积相对于彼此在标准温度和压力下在车辆操作期间为空气弹簧224提供特定应用的阻尼特性。更具体地，可以修改活塞腔室299和波纹管腔室298的结构尺寸，以分别增大或减小活塞腔室和波纹管腔室的体积V1和V2，从而针对某些应用调谐空气弹簧224的阻尼特性。更具体地，当活塞腔室299的体积V1增大时，空气弹簧224的阻尼能力也大致增大。当波纹管腔室298的体积V2减小时，空气弹簧224的阻尼能力大致增大。此外，孔口297和缓冲器安装板开口285的相对尺寸还确定了改进的阻尼将出现的频率，其中增大的开口尺寸提高了改进的阻尼出现时的频率，减小的开口尺寸降低了改进的阻尼出现时的频率，如图6所示。
当然，用于不同应用且具有不同空气弹簧、几何结构和物理特性的其它类型的车桥/悬架系统将被不同地调谐，以优化用于特定应用的阻尼特性，但是本文所述的基本原理将会是适用的。通过调节上文中所述的变量，可以看到，在车辆操作期间空气弹簧经历的各种振幅和频率下能够调节或调谐在指定车桥/悬架系统中获得的阻尼水平。
通过提供一种空气弹簧，其具有针对指定应用的优化的阻尼能力，与具有阻尼能力的现有技术空气弹簧相比还使用大致较少的部件，本发明的用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧克服了与现有技术的空气弹簧相关的问题。用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧提供一种用于调谐空气弹簧的部件的方法，其基于活塞腔室空间、波纹管腔室体积以及在空气弹簧的波纹管腔室和活塞腔室之间形成的开口的尺寸、形状和/或数量，以优化空气弹簧的阻尼特性。通过提供用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧，可以消除车桥/悬架系统的吸震器，或者其尺寸可以减小，从而降低复杂度、节省重量和成本，并且允许重载车辆承载更多的货物。
可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以用在具有一个或不止一个轴的牵引车-拖车或重载车辆上。还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以用在具有可动或不可动的框架或子框架的车辆上。甚至还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以用在本领域技术人员已知的所有类型的空气悬挂式引导和/或尾随臂梁型车桥/悬架系统设计中。例如，本发明能够应用于由不同于钢的材料制成的梁或臂，例如铝、其它金属、金属合金、复合物、和/或它们的组合。还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以用在具有悬吊/顶部安装构造或悬挂/底部安装构造的车桥/悬架系统上。本发明还能够应用于具有与以上所述不同的设计和/或构造的梁或臂，例如实心梁、外壳型梁、桁架结构、交叉板、弹簧梁和平行板。本发明还能够应用于中间结构，例如弹簧座。还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以与其它类型的空气悬挂式刚性梁型车桥/悬架系统结合使用，例如使用U形螺栓、U形螺栓托架/轴座和类似物的系统。还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以由各种材料形成，包括但不限于复合物、金属和类似物。甚至还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以采用少于两个或多于两个的开口185、285、287，例如三个、四个或者甚至五个或更多个开口。还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以采用任何粘性流体，例如空气或液压流体。还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224可以与现有技术的吸震器和其它类似装置等组合使用。甚至还可以想到，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224的波纹管腔室198、298的体积和/或活塞腔室199、299的体积、以及/或者缓冲器板开口185、285和/或活门孔口297的横截面面积可以根据安装有该空气弹簧的车桥/悬架系统的轴的GAWR而放大或缩小。还可以想到，本发明的优选实施例的空气弹簧124、224的波纹管腔室198、298的体积和/或活塞腔室199、299的体积、以及/或者缓冲器板开口185、285和/或活门孔口297的横截面面积在车辆操作期间可以动态地改变。更具体地，在不改变本发明的整体概念或操作的情况下，波纹管腔室体积和/或活塞腔室体积、以及/或者缓冲器板开口和/或活门孔口的横截面面积在车辆操作期间可以基于车辆承载的载荷重量进行变化，以便根据特定货物或载荷大小优化阻尼特性。例如，在车辆操作期间，响应于车辆承载的载荷，通过改变开口185的尺寸，也就是使得开口较小或较大，第一优选实施例的空气弹簧124的缓冲器板开口185的横截面面积可以动态地改变。
本发明的目的通过用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧来实现。
因此，本发明的用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧被简化，提供了有效的、安全的、廉价的且高效的结构和方法，其能够实现所有列举的目标，以消除现有技术的具有阻尼特征结构的空气弹簧所遇到的困难，并且解决本领域中的问题且获得新的结果。
在前述说明中，某些术语已经简洁、清楚和可理解地使用；但是对其没有施加超过现有技术的要求的非必要限制，原因是这些术语用于说明性的目的并且具有宽泛的意义。
此外，发明的说明和图示是借助于实例，本发明的范围并不限于所示和所述的确切细节。
现在已经说明了本发明的特征、公开和原理，使用和安装用于重载车辆的具有阻尼特征结构的空气弹簧的方式，构造、布置和方法步骤的特性，以及所获得的优点、新的和有用的结果；所附的权利要求中描述了新的和有用的结构、装置、元件、布置、方法、部件和组合。

Claims (15)

1.一种空气弹簧，其包括：
波纹管腔室，所述波纹管腔室操作地连接到活塞腔室，所述波纹管腔室和所述活塞腔室之间设置有至少一个开口，以用于所述波纹管腔室和所述活塞腔室之间的流体连通，从而以平方英寸表示的所述至少一个开口的横截面面积与以立方英寸表示的所述活塞腔室的体积、与以立方英寸表示的所述波纹管腔室的体积的比为从1:600:1200至1:14100:23500，其中所述至少一个开口的横截面面积为从0.039平方英寸到0.13平方英寸。
2.根据权利要求1所述的空气弹簧，其中所述至少一个开口的横截面面积为大约0.06平方英寸。
3.根据权利要求1所述的空气弹簧，其中所述活塞腔室的体积为从150立方英寸到550立方英寸。
4.根据权利要求1所述的空气弹簧，其中所述活塞腔室的体积为大约240立方英寸。
5.根据权利要求1所述的空气弹簧，其中所述波纹管腔室的体积为从305立方英寸到915立方英寸。
6.根据权利要求1所述的空气弹簧，其中所述波纹管腔室的体积为大约485立方英寸。
7.根据权利要求1所述的空气弹簧，其中所述活塞腔室还包括活塞顶部板，所述至少一个开口形成在所述活塞顶部板中。
8.根据权利要求1所述的空气弹簧，其还包括活门，所述活门操作地连接到所述至少一个开口。
9.根据权利要求8所述的空气弹簧，其中所述活门形成有活门孔口。
10.根据权利要求9所述的空气弹簧，其中所述活门孔口的横截面面积为从0.039平方英寸到0.13平方英寸。
11.根据权利要求9所述的空气弹簧，其中所述活门孔口的横截面面积为大约0.06平方英寸。
12.根据权利要求1所述的空气弹簧，其中所述空气弹簧安装在重载车桥/悬架系统上。
13.根据权利要求1所述的空气弹簧，其中所述至少一个开口具有大致圆形的形状。
14.根据权利要求8所述的空气弹簧，其中所述活门由金属形成。
15.根据权利要求9所述的空气弹簧，其中所述活门孔口具有大致圆形的形状。
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