汽车气体弹簧：空气弹簧和油气弹簧的优势与不足

气体弹簧是在一个密封的容器中充入压缩气体（气压为0.5～1MPa），利用气体的可压缩性实现其弹簧作用的。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体受压缩。气压升高，则弹簧的刚度增大；反之，当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故它具有比较理想的变刚度特性。

气体弹簧分为空气弹簧和油气弹簧两种。空气弹簧又有囊式（图3-7）和膜式（图3-8）两种形式。

图3-7 囊式空气弹簧

图3-8 膜式空气弹簧

1.囊式空气弹簧

囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶组成的气囊和密闭在其中的压缩空气构成。气囊的内层用气密性的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成，气囊一般做成如图3-7所示的两节，但也有单节或多节的，节数越多弹簧越软。节与节之间围有钢质腰环，防止两节之间摩擦。气囊的上、下盖板将空气封于室内。

2.膜式空气弹簧

膜式空气弹簧由橡胶模片和金属压制件组成。它比囊式空气弹簧的弹性曲线更为理想，固有频率更低些，而且尺寸小，便于布置，因而多用于轿车上，但造价高，使用寿命较短。

3.油气弹簧

油气弹簧以气体（一般为氮气）作为弹性介质，而用油液作为传力介质。它一般由气体弹簧和相当于液力减振器的液压缸组成，如图3-9所示。油气弹簧的球形室固定在工作缸上，球形室的内腔用橡胶油气隔膜隔开，充入高压氮气的一侧为气室，与工作缸相通并充满油液的一侧为油室。工作缸内装有活塞、阻尼阀及其阀座。

当载荷增加且车架与车桥相互靠近时，活塞上移，使工作缸容积减小，油压升高，油液顶开阻尼阀进入球形室，推动隔膜向气室方向移动，使气室容积减少，氮气压力升高，油气弹簧的刚度增大。当载荷减小时，在高压氮气的作用下隔膜向油室方向移动，室内油液经阻尼阀流回工作缸，推动活塞下移，这时气室容积增大，氮气压力下降，弹簧刚度减小。当氮气压力通过油液传递作用在活塞上的力与载荷平衡时，活塞停止移动。气室内的氮气随着载荷的变化而变化，相应地活塞处于工作缸中不同位置。可见，油气弹簧具有变刚度的特性。

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图3-9 油气弹簧

油气弹簧的形式有单气室、双气室以及两级压力式等。单气室油气弹簧又分为油气分隔式（图3-10）和油气不分隔式（图3-11）两种。前者可防止油液乳化且便于充气。

双气室油气弹簧（图3-12）比单气室油气弹簧多一个作用力方向相反的反压气室和一个浮动活塞。

图3-10 单气室油气分隔式油气弹簧

图3-11 单气室油气不分隔式油气弹簧

当弹簧处于压缩行程时，主气室中的活塞上移，使主气室内的气压增高，弹簧的刚度增大。此时浮动活塞下面的油液在反压气室的气体压力作用下经通道流入主气室的活塞下面，补充活塞上移后空出的容积，而反压气室内的气压下降。当弹簧处于伸张行程时，主活塞下移，主气室内的气压降低，主活塞下面的油液受挤压，经通道流回浮动活塞的下面，推动活塞上移，而使反压气室内的气压增高，从而提高了伸张行程的弹簧刚度。这种油气弹簧消除了在伸张行程中活塞与缸体底部发生撞击的可能性。

空气弹簧和油气弹簧都同螺旋弹簧一样，只能承受轴向载荷，故空气弹簧悬架中必须设置纵向和横向推力杆等导向机构。空气弹簧悬架中还必须装有减振器。空气弹簧可以用专门的控制阀（高度阀）自动调节气囊或气室的原始充气压力，以使车身离地高度保持一定。空气弹簧的质量比任何弹簧的都小且使用寿命也较长，但高度尺寸较大，在布置上有一定的困难。此外，空气弹簧的密封环节多，容易漏气。

图3-12 双气室油气弹簧

油气弹簧应用于重型汽车上时，其体积和质量都较钢板弹簧小（质量可减小5%以上）。但油气弹簧对气体和油液的密封要求很高，因而对加工和装配的精度要求、对相对滑动的工作表面的表面粗糙度和耐磨性的要求都很高。此外，油气弹簧的维护也较麻烦。