CN108278313B - 一种双约束膜式低频空气弹簧 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双约束膜式低频空气弹簧，由空气弹簧、辅助气室、限位机构组成，其中空气弹簧与辅助气室内部安装有气囊，空气弹簧内部的气囊通过空气弹簧内径限制圆柱、空气弹簧外筒来限制变形与控制空气弹簧有效工作截面积；辅助气室内部弹性气囊通过辅助气室气囊内径限制圆柱、辅助气室外筒来限制该弹性气囊变形；活塞与缸套限制空气弹簧侧翻；活塞上部椎体与中间压板内部锥孔配合使空气弹簧中心对准；上盖与空气弹簧外筒间隙限制空气弹簧最大位移；活塞上面多个阻尼孔来控制消除阻尼；利用橡胶高分子链摩擦产生的阻尼。它的固有频率小于0.3赫兹，能够对1赫兹左右的环境干扰频率实现有效隔振与减振。

Description

一种双约束膜式低频空气弹簧
技术领域
本发明属于空气弹簧技术领域，涉及一种双约束膜式低频空气弹簧。
背景技术
膜式空气弹簧固有频率比较低，在车辆、精密机械加工、精密测试等领域得到广泛运用，在低频隔振、减振领域，还无法满足对小于2赫兹的干扰频率实现有效压制，影响其固有频率的重要因素有：
（1）目前膜式空气弹簧基本上由内层橡胶、第一层帘线橡胶层、第二层帘线橡胶层、外层橡胶保护层组成，由于多层橡胶，空气弹簧厚度增加，使得膜式空气弹簧静态刚度比较大。
（2）空气弹簧位移使得空气弹簧体积减小，刚度增加，目前还没有有效方法来克服这一难题。
（3）空气弹簧位移变形使得有效工作截面积增加，空气弹簧刚度增加。
（4）阻尼孔使得空气弹簧产生附加压力，增加空气弹簧刚度。
（5）由于空气弹簧的非线性，设计分析空气弹簧往往依靠仿真与有限元计算进行，难以用简单数学方法进行设计分析。
这些因素，使得目前膜式空气弹簧固有频率基本上在一赫兹左右，难以对小于2赫兹的环境干扰频率进行有效减振与隔振，只有依靠复杂的技术方法来对低频干扰进行控制。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种双约束膜式低频空气弹簧，它的固有频率小于0.3赫兹，能够对1赫兹左右的环境干扰频率实现有效隔振与减振。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双约束膜式低频空气弹簧，由空气弹簧、辅助气室、限位机构组成，其中空气弹簧与辅助气室内部安装有气囊，空气弹簧内部的气囊通过空气弹簧内径限制圆柱、空气弹簧外筒来限制变形与控制空气弹簧有效工作截面积；辅助气室内部弹性气囊通过辅助气室气囊内径限制圆柱、辅助气室外筒来限制该弹性气囊变形；活塞与缸套限制空气弹簧侧翻；活塞上部椎体与中间压板内部锥孔配合使空气弹簧中心对准；上盖与空气弹簧外筒间隙限制空气弹簧最大位移；活塞上面多个阻尼孔来控制消除阻尼；利用橡胶高分子链摩擦产生的阻尼。
作为优选，所述气囊采用壁厚1-3毫米的单层弹性橡胶气囊，橡胶气囊外层安装一个两端具有固定圆环的弹性袖筒，弹性袖筒直接设置在橡胶气囊外层上，利用袖筒的有限伸长与断裂强度，来限制气囊的最大变形，保护气囊安全工作。
所述弹性袖筒能够以装配或胶压的方式设置在橡胶气囊外层。
作为优选，所述气囊一端开口或两端开口。
作为优选，所述空气弹簧包括有气囊、空气弹簧内径限制圆柱、空气弹簧外筒及上压板；空气弹簧内径限制圆柱悬浮安装在气囊中心上方，空气弹簧外筒安装在气囊外侧，空气弹簧外筒内径比空气弹簧内径限制圆柱直径大10-80毫米，空气弹簧弹性气囊变形被限制在空气弹簧内径限制圆柱与空气弹簧外筒组成的空间内部，空气弹簧外筒为圆柱形时空气弹簧有效工作截面积不变，空气弹簧外筒有倾角时，空气弹簧有效工作截面积与倾角成正比线性变化。
作为优选，所述辅助气室包括有气囊、辅助气室内径限制圆柱及辅助气室外筒；辅助气室外筒内径比辅助气室气囊内径限制圆柱外径大10毫米以上，辅助气室内部弹性气囊变形被限制在辅助气室外筒与辅助气室气囊内径限制圆柱组成的空间中。
作为优选，所述限位机构包括有螺杆、活塞、缸套、上盖、外筒及中间压板；所述活塞与缸套位于空气弹簧内径限制圆柱的下方，活塞通过螺杆与内径限制圆柱相联，缸套安装在中间压板下方，活塞高度10-100毫米，活塞上有多个3-10毫米的小孔，缸套内腔高度10-100毫米，内径比活塞外径大0.1毫米以上，通过活塞与缸套间隙配合，限制空气弹簧侧翻程度。
作为优选，所述活塞端部具有椎体，椎体与中间压板中间的锥孔接触时，空气弹簧中心对准，位移达到最大值。
作为优选，所述上盖安装在空气弹簧内径限制圆柱上方，空气弹簧向上位移达到最大值时，上盖与外筒之间的间隙就是空气弹簧向下位移的最大值。
作用优选，在所述空气弹簧固有频率比较低时，空气弹簧刚度很小，只需要微小的阻尼力就能够阻止空气弹簧振动，因此橡胶高分子链的摩擦产生的阻尼完全可以达到阻尼要求。
本发明的积极效果是：空气弹簧气囊采用单层柔软橡胶气囊，使得空气弹簧固有刚度大幅降低；
空气弹簧采用内径限制圆柱与外筒限制变形，控制了空气弹簧有效工作截面积；
利用橡胶气囊与袖筒的弹性，控制弹性气囊有限伸长，使得空气弹簧体积跟随压力变化，减小了位移引起空气弹簧刚度增加，有效降低了空气弹簧固有频率；
增加阻尼孔直径，有效利用了橡胶材料的高分子运动摩擦性能，达到了即降低刚度，又达到了阻尼的目的；
（1）辅助气室内部采用弹性气囊，利用橡胶材料的弹性性能，进一步降低了空气弹簧的固有频率。
附图说明
图1是一端开口橡胶气囊与袖筒装配图；
图2是两端开口橡胶气囊与袖筒装配图；
图3是一端开口橡胶气囊与袖筒胶压装配图；
图4是两端开口橡胶气囊与袖筒胶压装配图；
图5是辅助气室没有弹性气囊时本发明原理图；
图6是橡胶气囊与袖筒装配时空气弹簧系统总成装配图；
图7是橡胶气囊与袖筒胶压时空气弹簧总成装配图。
图中：1-开口；2-固定圆环；4-气囊；5-袖筒；6-小孔；9-荷载；10-空气弹簧内径限制圆柱；11-阻尼孔；12-空气弹簧外筒；13-辅助气室外筒；14-螺栓；15-上盖；16-上压板；17-中间压板；19-辅助气室外筒法兰；21-辅助气室气囊压板；23-辅助气室气囊内径限制圆柱；24-辅助气室外筒底座；25-充气孔；26-螺杆；27-活塞；28-缸套；29-密封圈；31-内压板。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
参阅图1，气囊4一端设有开口1，气囊4壁厚1-3毫米，采用高弹性橡胶制作，橡胶气囊上端开口，底部为近似球形，为方便安装螺杆26，气囊底部中心设有一小孔6，袖筒5采用丝线编织，袖筒5拉伸时，长度可以增加100%以上，袖筒5丝线单丝拉断力大于0.5kg,袖筒5丝线密度大于20根/cm,为提高袖筒5断裂强度，可以采用单丝拉断力更大的材料，也可以采用多层袖筒5，袖筒5高度与直径与气囊4配套，袖筒两端分别与袖筒两端的固定圆环2连接组成袖筒组件，固定圆环2采用直径3-10毫米金属材料，袖筒5组件安装在气囊4外侧构成弹性气囊。
实施例2：
参阅图2，橡胶气囊4两端开口时，弹性气囊安装方法如实施例1。
实施例3：
参阅图3，把实施例1所述袖筒4直接胶压在一端开口橡胶气囊4外侧形成一端开口弹性气囊。
实施例4：
参阅图4，把实施例1所述袖筒4直接胶压在两端开口橡胶气囊4外侧形成两端开口弹性气囊。
实施例5：
参阅图5，把上述橡胶气囊4外层安装袖筒5形成弹性气囊，弹性气囊一端中心悬浮安装空气弹簧内径限制圆柱10，荷载9加在空气弹簧内径限制圆柱10上方，弹性气囊4外侧安装空气弹簧外筒12，在空气弹簧内部压力作用下，弹性气囊产生变形伸长，在空气弹簧内径限制圆柱10与空气弹簧外筒12的内部空间膨胀，使得气囊4贴紧在空气弹簧内径限制圆柱10外侧与空气弹簧外筒12内侧，中间形成近似圆环曲面，实验表明近似为圆弧。由于空气弹簧内径限制圆柱10与空气弹簧外筒12都是圆柱，因此空气弹簧有效工作截面积与位移无关，保持不变。弹性气囊通过阻尼孔11与由辅助气室外筒13组成的辅助气室相通，空气弹簧内径限制圆柱10向下位移时，气囊4组成的空气弹簧主气室体积减小，空气弹簧内部压力增加，此压力增加使得弹性气囊膨胀，增加了空气弹簧主气室的体积，减小了空气弹簧刚度的增加。由于橡胶气囊4与袖筒5非常柔软，空气弹簧基本上没有静止刚度，因此该空气弹簧刚度得到改善。
实施例6：
在实施例5中，辅助气室内径限制圆柱23直径70毫米，外筒内径100毫米，辅助气室体积11升，橡胶气囊4采用高10cm、周长17cm、厚度0.15mm的圆柱形橡胶环制作，袖筒5单丝断裂强度大于0.5kg，密度20根/cm，袖筒5纬线不拉伸时周长17cm，拉伸时可达40cm。压力5kg/cm2时，该空气弹簧实验固有频率低到0.25赫兹。阻尼孔直径为30毫米，基本上阻尼孔没有阻尼作用，阻尼依靠橡胶高分子链的摩擦，实验阻尼比为0.25左右。
实施例7：
参阅图6、图1，空气弹簧总成由空气弹簧、辅助气室、限位机构组成。
空气弹簧由橡胶气囊4、袖筒5、袖筒两端的固定圆环2、空气弹簧内径限制圆柱10、空气弹簧外筒12、上压板16、中间压板17、螺栓14组成。
橡胶气囊4为一端开口，开口1通过上压板16、中间压板17、缸套28，用螺栓14安装在辅助气室外筒法兰19上面。另一端小孔6通过螺杆26固定在空气弹簧内径限制圆柱10下方中心，袖筒上端固定圆环2安装在空气弹簧内径限制圆柱10底部，袖筒下端的固定圆环2安装在上压板16底部，空气弹簧外筒12安装在上压板16上方。
空气弹簧外筒12内径比内径限制圆柱10外径大10-80毫米，两者间隙越大，气囊越能够在压力低时膨胀，不利于空气弹簧在压力较高时性能。
限位机构由螺杆26、活塞27、中间压板17、缸套28、上盖15、空气弹簧外筒12组成。
螺杆26底部安装活塞27，活塞中间有多个直径3-10毫米的阻尼孔11，侧面与缸套28内侧间隙配合，防止空气弹簧侧翻，活塞端面为椎体，与中间压板17中间锥孔配合，起到空气弹簧中心对准作用，椎体与锥孔接触时，用螺栓14安装在内径限制圆柱10上方的上盖15与外筒12的距离就是空气弹簧的最大位移。密封圈29安装在中间压板与缸套中间，起密封作用。
辅助气室由橡胶气囊4、袖筒5、袖筒两端的固定圆环2、辅助气室外筒法兰19、辅助气室外筒13、辅助气室气囊内径限制圆柱23、辅助气室气囊压板21组成。
安装在辅助气室外筒13内部的橡胶气囊4为两端开口1（参阅图2），袖筒上端固定圆环2安装在辅助气室外筒法兰19上方，袖筒下端固定圆环2安装在辅助气室气囊内径限制圆柱23上方，橡胶气囊4上端开口通过中间压板17、缸套28、用螺栓14安装在法兰19上面，另一端开口通过辅助气室气囊压板21，用螺栓14安装在辅助气室气囊内径限制圆柱23上面。
辅助气室气囊内径限制圆柱23外径与辅助气室外筒13内径间隙同样影响到空气弹簧频率性能。间隙在10毫米以上。
如果辅助气室气囊采用一端开口时，不开口一端在内部压力作用下，压紧在辅助气室气囊内径限制圆柱23上方，效果相同。
中间压板17一侧有一直径4-10毫米充气孔25，与空气弹簧内部空间相通，用于空气弹簧充气与放气。
空气弹簧总成体积由空气弹簧气囊4与辅助气室气囊4内部体积组成，由于增加了辅助气室的弹性气囊，在空气弹簧位移引起压力变化时，两个气囊体积同时发生变化，与实施例6相比，进一步降低了空气弹簧固有频率。
实施例8：
参阅图7，空气弹簧与辅助气室的气囊采用胶压袖筒的弹性气囊，空气弹簧橡胶气囊4两端开口，其中一端开口通过内压板31、用螺栓14安装在空气弹簧内径限制圆柱10底部。辅助气室没有安装辅助气室气囊内径限制圆柱23，其余与实施例7相同。

Claims (10)

1.一种双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：由空气弹簧、辅助气室、限位机构组成，其中空气弹簧与辅助气室内部安装有气囊，空气弹簧内部的气囊通过空气弹簧内径限制圆柱、空气弹簧外筒来限制变形与控制空气弹簧有效工作截面积；辅助气室内部弹性气囊通过辅助气室气囊内径限制圆柱、辅助气室外筒来限制该弹性气囊变形；活塞与缸套限制空气弹簧侧翻；活塞上部椎体与中间压板内部锥孔配合使空气弹簧中心对准；上盖与空气弹簧外筒间隙限制空气弹簧最大位移；活塞上面多个阻尼孔来控制消除阻尼；利用橡胶高分子链摩擦产生的阻尼。
2.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：所述气囊采用壁厚1-3毫米的单层弹性橡胶气囊，橡胶气囊外层安装一个两端具有固定圆环的弹性袖筒，弹性袖筒直接设置在橡胶气囊外层上，利用袖筒的有限伸长与断裂强度，来限制气囊的最大变形，保护气囊安全工作。
3.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：所述弹性袖筒能够以装配或胶压的方式设置在橡胶气囊外层。
4.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：所述气囊一端开口或两端开口。
5.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：所述空气弹簧包括有气囊、空气弹簧内径限制圆柱、空气弹簧外筒及上压板；空气弹簧内径限制圆柱悬浮安装在气囊中心上方，空气弹簧外筒安装在气囊外侧，空气弹簧外筒内径比空气弹簧内径限制圆柱直径大10-80毫米，空气弹簧弹性气囊变形被限制在空气弹簧内径限制圆柱与空气弹簧外筒组成的空间内部，空气弹簧外筒为圆柱形时空气弹簧有效工作截面积不变，空气弹簧外筒有倾角时，空气弹簧有效工作截面积与倾角成正比线性变化。
6.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：所述辅助气室包括有气囊、辅助气室内径限制圆柱及辅助气室外筒；辅助气室外筒内径比辅助气室气囊内径限制圆柱外径大10毫米以上，辅助气室内部弹性气囊变形被限制在辅助气室外筒与辅助气室气囊内径限制圆柱组成的空间中。
7.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：所述限位机构包括有螺杆、活塞、缸套、上盖、外筒及中间压板；所述活塞与缸套位于空气弹簧内径限制圆柱的下方，活塞通过螺杆与内径限制圆柱相联，缸套安装在中间压板下方，活塞高度10-100毫米，活塞上有多个3-10毫米的小孔，缸套内腔高度10-100毫米，内径比活塞外径大0.1毫米以上，通过活塞与缸套间隙配合，限制空气弹簧侧翻程度。
8.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：所述活塞端部具有椎体，椎体与中间压板中间的锥孔接触时，空气弹簧中心对准，位移达到最大值。
9.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：所述上盖安装在空气弹簧内径限制圆柱上方，空气弹簧向上位移达到最大值时，上盖与外筒之间的间隙就是空气弹簧向下位移的最大值。
10.如权利要求1所述双约束膜式低频空气弹簧，其特征在于：在所述空气弹簧固有频率比较低时，空气弹簧刚度很小，只需要微小的阻尼力就能够阻止空气弹簧振动，因此橡胶高分子链的摩擦产生的阻尼完全可以达到阻尼要求。
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