CN106369098B - 一种两级刚度自适应调节的新型空气弹簧 - Google Patents

一种两级刚度自适应调节的新型空气弹簧 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，包括支撑底座、橡胶气囊、空气弹簧盖板、附加空气室，还包括分别设于支撑底座的顶部和附件空气室的顶部内表面的限位块一、限位块二，以及进气阀调压机构、排气阀调压机构，空气弹簧盖板上设有进气阀节流孔和排气阀节流孔，进气阀调压机构和排气阀调压机构设置于进气阀节流孔下方和排气阀节流孔上方。该新型空气弹簧结构简单、小巧，且利用进排气阀及其调压机构、进排气阀节流孔、附加空气室，很好地解决了传统空气弹簧刚度和阻尼特性单一、特性曲线不理想及应用效果有限的问题，并在各种应用场合都可以达到理想的效果。

Description

一种两级刚度自适应调节的新型空气弹簧
技术领域
本发明属于空气弹簧技术领域，具体涉及一种两级刚度自适应调节的新型空气弹簧。
背景技术
空气弹簧是利用空气可压缩的性质实现弹性作用的一种非金属弹簧，具有缓冲、减震和作动等功能。当空气弹簧发生弹性变形时，空气弹簧利用其内部压缩气体的支撑反力和气囊的有效承压面积变化产生的反力之和来提供弹性作用力。
空气弹簧的弹性介质是可压缩气体，其所具有的刚度和阻尼特性可以根据应用需求进行设计。但是，传统空气弹簧的载荷-挠度曲线呈现反“S”形，在正常工作范围内其具有线性的刚度特性，而在伸张或压缩的边缘区具有硬弹簧的非线性刚度特性，另一方面，空气弹簧一经设计后，其刚度和阻尼特性就难以进行调节。由于传统空气弹簧的刚度和阻尼特性单一、特性曲线不理想及应用效果有限等缺点，限制了空气弹簧的应用范围。
为了克服传统空气弹簧的不足，使其在各种应用场合都可以达到理想的效果，进一步拓展其应用领域，就需要设计一种易于实现、刚度特性灵活多变且可调的新型空气弹簧。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种刚度特性灵活多变且可调的两级刚度自适应调节的新型空气弹簧。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，包括支撑底座、橡胶气囊及其限位块一、空气弹簧盖板、附加空气室及其限位块二、进气阀调压机构以及排气阀调压机构，所述橡胶气囊的上端和下端分别与空气弹簧盖板和支撑底座相连接，所述附件空气室的下端与空气弹簧盖板相连接，所述限位块一和限位块二分别设于支撑底座的顶部和附件空气室的顶部内表面，所述空气弹簧盖板上设有进气阀节流孔和排气阀节流孔，可在橡胶气囊与附加空气室间气体压差的作用下自行打开与关闭，所述进气阀调压机构和排气阀调压机构设置于进气阀节流孔下方和排气阀节流孔上方，用于对空气弹簧的刚度特性进行微调。
优选地，所述进气阀调压机构包括依次连接的进气阀调压螺帽、进气阀调压螺钉、进气阀调压螺母、进气阀调压弹簧、进气阀，所述进气阀调压螺钉穿设支撑底座，进气阀调压螺母位于限位块一内，所述进气阀位于进气阀节流孔下方且为常闭状态。
优选地，所述排气阀调压机构包括依次连接的排气阀调压螺帽、排气阀调压螺钉、排气阀调压螺母、排气阀调压弹簧、排气阀，排气阀调压螺母位于限位块二内，所述排气阀位于排气阀节流孔上方且为常闭状态。
优选地，所述限位块一和限位块二均为橡胶堆。
优选地，所述支撑底座为从上至下直径逐渐增大的圆柱形结构且外轮廓为平滑曲面，当橡胶气囊沿至支撑底座的外轮廓曲面发生挠曲表形时，支撑底座的外轮廓曲面用于保证橡胶曲面的有效直径变化率为0～0.3。
优选地，所述附加空气室采用刚性材料或柔性材料制成。
优选地，所述进气阀节流孔和排气阀节流孔采用相同或不同的结构。
本发明的有益效果是：本发明提供两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，空气弹簧盖板上设置的进排气阀节流孔，由于流固耦合作用将产生阻尼以衰减空气弹簧的振动；同时，在外界激励作用下，橡胶气囊沿支撑底座(活塞)的外轮廓曲面发生挠曲表形，从而实现空气弹簧的整体压缩与伸张；在压缩、伸张与复原过程中，该新型空气弹簧呈现不同的非线性刚度特性，且其刚度特性灵活多变、自适应可调；进排气阀调压机构在橡胶气囊与附加空气室间气体压差的作用下自行打开与关闭，进而实现该新型空气弹簧的两级刚度自适应调节；此外通过附加空气室采用软硬不同的材料、进排气阀节流孔采用不同的结构以及对进排气阀调压机构地适当调节时，该新型空气弹簧将呈现不同的刚度特性和阻尼特性。总整体而言，该新型空气弹簧结构简单、小巧，且利用进排气阀及其调压机构、节流孔、附加空气室，很好地解决了传统空气弹簧刚度和阻尼特性单一、特性曲线不理想及应用效果有限的问题，其刚度特性灵活多变且自适应可调，并在各种应用场合都可以达到理想的效果。
附图说明
图1为本发明提供的新型空气弹簧结构图；
图2为当附加空气室采用刚性材料时，本发明的新型空气弹簧的刚度特性图；
图3为当附加空气室采用柔性材料且进排气阀调压弹簧有预紧力时，本发明的新型空气弹簧的刚度特性图；
图4为当附加空气室采用柔性材料且进排气阀调压弹簧无预紧力时，本发明的新型空气弹簧的刚度特性图。
附图标记说明：1、排气阀调压螺帽；2、排气阀调压螺钉；3、排气阀调压螺母；4、附加空气室；5、空气弹簧盖板；6、进气阀调压弹簧；7、限位块一；8、支撑底座；9、进气阀调压螺帽；10、进气阀调压螺钉；11、橡胶气囊；12、进气阀调压螺母；13、进气阀；14、进气阀节流孔；15、排气阀节流孔；16、排气阀；17、排气阀调压弹簧；18、限位块二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明提供了一种两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，包括附加空气室4及其限位块二18、空气弹簧盖板5、橡胶气囊11及其限位块一7、支撑底座8、进气阀13、进气阀调压机构，排气阀16、排气阀调压机构。
其中，支撑底座8、橡胶气囊11、空气弹簧盖板5、附加空气室4由下及上依次设置，橡胶气囊11的上端与空气弹簧盖板5相连接，橡胶气囊11的下端与支撑底座8的顶部边缘连接。附加空气室4的下端与空气弹簧盖板5连接。限位块一7设置于支撑底座8的顶部。进气阀调压机构设置于支撑底座8和限位块1上，且与进气阀13相连接。限位块二18设置于附加空气室4顶部的内表面。空气弹簧盖板5上靠近中心处设有进气阀节流孔14和排气阀节流孔15。进气阀调压机构设置于进气阀节流孔14下方，排气阀调压机构设置于排气阀节流孔15上方。进气阀调压机构和排气阀调压机构用于对空气弹簧的刚度特性进行微调。
在本实施例中，进气阀调压机构和排气阀调压机构均是由调压螺帽、调压螺钉、调压螺母、调压弹簧、进气阀/排气阀组成。进气阀调压机构包括依次连接进气阀调压螺帽9、进气阀调压螺钉10、进气阀调压螺母12、进气阀调压弹簧6、进气阀13。进气阀调压螺钉10穿设支撑底座8，气阀调压螺帽9旋拧于进气阀调压螺钉10一端，且与支撑底座8的底部相接触。限位块一7设有通孔，进气阀调压螺母12旋拧于进气阀调压螺钉10的另一端，位于限位块一7的通孔内。进气阀调压弹簧6的两端分别与进气阀调压螺母12、进气阀13固定连接。进气阀13位于进气阀节流孔14下方且为常闭状态。排气阀调压机构包括依次连接排气阀调压螺帽1、排气阀调压螺钉2、排气阀调压螺母3和排气阀调压弹簧17、排气阀16。排气阀调压螺帽1和排气阀调压螺母3旋拧于排气阀调压螺钉2的两端，且排气阀调压螺帽1位于附加空气室4上方且与附加空气室4的顶部外表面相接触。限位块二18设有通孔，排气阀调压螺母3位于限位块二18的通孔内。排气阀调压弹簧17的两端分别与排气阀调压螺母3和排气阀16固定连接。排气阀13位于排气阀节流孔15上方排气阀节流孔15且为常闭状态。
支撑底座8为从上至下直径逐渐增大的圆柱形结构且外轮廓为平滑曲面，当橡胶气囊11沿至支撑底座8的外轮廓曲面发生挠曲表形时，支撑底座8的外轮廓曲面用于保证橡胶曲面11的有效直径变化率为0～0.3。显然，支撑底座8的外形也可根据实际情况而设定，橡胶曲面11的有效直径变化率也可根据实际要求而进行相应的设定。
进一步的，限位块一7与限位块二18均为橡胶堆，以保证该新型空气弹簧在漏气时的使用安全性。附加空气室4可采用刚性材料或柔性材料制成。需要说明的是，进气阀节流孔14和排气阀节流孔15可以采用相同或不同的结构，可根据实际情况而定。
下面对本发明新型空气弹簧的原理和工作过程进行进一步的详细描述，以进一步展示本发明的优点和先进性。
在外界激励作用下，橡胶气囊11沿支撑底座(活塞)8的外轮廓曲面发生挠曲变形，实现空气弹簧的整体压缩与伸张。在这个过程中，由本发明所提供的新型空气弹簧的垂向刚度K为：
其中，P为橡胶气囊11中的相对气压，Pa为空气弹簧外部环境气压，A与D分别为橡胶气囊11的有效承压面积与有效直径，m为气体多变指数(等温过程m＝1，绝热过程m＝1.4，一般过程m＝1.33)，V与Vf分别为橡胶气囊11的容积与附加空气室4的容积，x为空气弹簧的垂向位移，为橡胶气囊11的有效直径变化率(对该新型空气弹簧，支撑底座(活塞)8的外轮廓曲面保证了为0～0.3之间的常数)。
当该空气弹簧受到外界激励发生正向压缩时，橡胶气囊11沿支撑底座(活塞)8的外轮廓曲面发生挠曲变形，实现空气弹簧的整体压缩。在空气弹簧的正常工作范围内时，橡胶气囊11处在其平衡位置附近，橡胶气囊11中的相对气压P、有效承压面积A、有效直径D及容积V变化较小，该新型空气弹簧的垂向刚度K几乎不变，此时，该新型空气弹簧具有线性的刚度特性。当该空气弹簧继续被压缩直至其垂向位移x大于x1时，橡胶气囊11与附加空气室4内的压缩气体形成一定的压力差，排气阀16打开，橡胶气囊11内的压缩气体通过排气阀节流孔15流向附加空气室4，当橡胶气囊11与附加空气室4间的压缩气体达到压力平衡后，排气阀16即关闭。在这一压缩气体的动态平衡过程中，橡胶气囊11中的相对气压P增大、容积V变小、有效承压面积A与有效直径D增大，由公式(1)可知，该新型空气弹簧的垂向刚度K不断增大，即呈现非线性刚度特性。当限位块一7与空气弹簧盖板5相碰时，该空气弹簧被压缩到最大值，其刚度也增大到最大值。当该空气弹簧复原时，橡胶气囊11中的相对气压P开始减小，在橡胶气囊11与附加空气室4间的气体压力差的作用下，进气阀13打开，附加空气室4内的压缩气体通过进气阀节流孔14流回到橡胶气囊11中，当两者间的压缩气体达到压力平衡后，进气阀13即关闭，在此动态平衡过程中，该新型空气弹簧的垂向刚度K不断减小，也呈现非线性刚度特性。当该空气弹簧继续复原直至其垂向位移x小于x1时，橡胶气囊11处在其平衡位置附近，该新型空气弹簧的垂向刚度K几乎不变，此时，该新型空气弹簧具有线性的刚度特性。
当附加空气室4采用刚性材料时，在压缩过程中，橡胶气囊11中的相对气压P不断增大，而在复原过程中，附加空气室4通过进气阀节流孔14向橡胶气囊11充气，所以该新型空气弹簧表现为硬弹簧，其刚度特性图如图2所示。当附加空气室4采用柔性材料时，若进气阀调压弹簧6、排气阀调压弹簧17有预紧力，在压缩过程中，由于橡胶气囊11通过排气阀节流孔15向附加空气室4放气，橡胶气囊11中的相对气压P减小，橡胶气囊11与附加空气室4的容积之和V+Vf先减小后增大，因此，在这一压缩过程中该新型空气弹簧先表现为硬弹簧而后表现为软弹簧，而在复原过程中，由于进气阀调压弹簧6预紧力的存在，附加空气室4将向橡胶气囊11充气，在这一复原过程中该新型空气弹簧表现为硬弹簧，此时，其刚度特性图如图3所示；若进气阀调压弹簧6、排气阀调压弹簧17无预紧力，在压缩与复原过程中该新型空气弹簧均表现为软弹簧，此时，其刚度特性图如图4所示。
当该空气弹簧受到外界激励发生负向伸张时，其工作原理与压缩过程相类似，在此将不再赘述。在该新型空气弹簧的压缩与伸张过程中，进气阀13、排气阀16在橡胶气囊11与附加空气室4间气体压差的作用下自行打开与关闭，进而实现该新型空气弹簧的两级刚度自适应调节。
压缩气体流经进气阀节流孔14、排气阀节流孔15时，由于流固耦合作用将产生局部阻尼作用以衰减空气弹簧的振动，而且进气阀13、进气阀节流孔14和排气阀16与排气阀节流孔15的结构以及进气阀调压弹簧6与排气阀调压弹簧17间都存在差异，所以，该新型空气弹簧在压缩、伸张与复原过程中将呈现不同的非线性刚度特性，如附图2、3、4所示，压缩、伸张与复原过程中刚度特性曲线所围成区域的面积体现了该新型空气弹簧的阻尼特性。当对进排气阀调压机构进行适当地调节且对进气阀节流孔14与排气阀节流孔15进行合理地设计时，可以实现压缩、伸张与复原过程的两条刚度特性曲线完全重合。通过附加空气室4采用软硬不同的材料、进气阀节流孔14与与排气阀节流孔15采用不同的结构以及对进排气阀调压机构的适当调节，该新型空气弹簧将呈现不同的刚度特性和阻尼特性。
总体而言，本发明提供的两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，在外界激励作用下，橡胶气囊沿支撑底座(活塞)的外轮廓曲面发生挠曲变形，实现空气弹簧的整体压缩与伸张；在压缩、伸张与复原过程中，该新型空气弹簧呈现不同的非线性刚度特性，且其刚度特性灵活多变、自适应可调；进排气阀在橡胶气囊与附加空气室间气体压差的作用下自行打开与关闭，进而实现该新型空气弹簧的两级刚度自适应调节；通过附加空气室采用软硬不同的材料、进排气阀节流孔采用不同的结构以及对进排气阀调压机构地适当调节时，该新型空气弹簧将呈现不同的刚度特性和阻尼特性，因而具有更高的实用价值和更广的实用范围。该新型空气弹簧结构简单、小巧、易于实现，很好地解决了传统空气弹簧刚度和阻尼特性单一、特性曲线不理想及应用效果有限的问题，其刚度特性灵活多变且自适应可调，并在各种应用场合都可以达到理想的效果。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，其特征在于：包括支撑底座(8)、橡胶气囊(11)及其限位块一(7)、空气弹簧盖板(5)、附加空气室(4)及其限位块二(18)、进气阀调压机构以及排气阀调压机构，所述橡胶气囊(11)的上端和下端分别与空气弹簧盖板(5)和支撑底座(8)相连接，所述附加空气室(4)的下端与空气弹簧盖板相连接，所述限位块一(7)和限位块二(18)分别设于支撑底座(8)的顶部和附件空气室的顶部内表面，所述空气弹簧盖板(5)上设有进气阀节流孔(14)和排气阀节流孔(15)，可在橡胶气囊与附加空气室间气体压差的作用下自行打开与关闭，所述进气阀调压机构和排气阀调压机构设置于进气阀节流孔(14)下方和排气阀节流孔(15)上方，用于对空气弹簧的刚度特性进行微调；
所述进气阀调压机构包括依次连接的进气阀调压螺帽(9)、进气阀调压螺钉(10)、进气阀调压螺母(12)、进气阀调压弹簧(6)、进气阀(13)，所述进气阀调压螺钉(10)穿设支撑底座(8)，进气阀调压螺母(12)位于限位块一(7)内，所述进气阀(13)位于进气阀节流孔(14)下方且为常闭状态；
所述排气阀调压机构包括依次连接的排气阀调压螺帽(1)、排气阀调压螺钉(2)、排气阀调压螺母(3)、排气阀调压弹簧(17)、排气阀(16)，排气阀调压螺母(3)位于限位块二(18)内，所述排气阀(16)位于排气阀节流孔(15)上方且为常闭状态。
2.根据权利要求1任一所述的两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，其特征在于：所述限位块一(7)和限位块二(18)均为橡胶堆。
3.根据权利要求1或2所述的两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，其特征在于：所述支撑底座(8)为从上至下直径逐渐增大的圆柱形结构且外轮廓为平滑曲面，当橡胶气囊(11)沿至支撑底座(8)的外轮廓曲面发生挠曲表形时，支撑底座(8)的外轮廓曲面用于保证橡胶曲面的有效直径变化率为0～0.3。
4.根据权利要求1或2所述的两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，其特征在于：所述附加空气室(4)采用刚性材料或柔性材料制成。
5.根据权利要求1或2所述的两级刚度自适应调节的新型空气弹簧，其特征在于：所述进气阀节流孔(14)和排气阀节流孔(15)采用相同或不同的结构。
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