一种空气弹簧及间隙自动补偿方法与流程

本发明涉及轨道交通用空气弹簧领域，特别设计一种空气弹簧及间隙自动补偿方法。

背景技术：

轨道交通用空气弹簧结构一般为图1上半部分所示，充气情况下，空气弹簧存在一定空间间隙e，并且空气弹簧充气状态的工作高度为设计值，通过高度限位阀进行控制，通过调节空气弹簧内的气压实现空气弹簧在充气时的工作高度稳定在设计高度左右，充气时磨耗板2和支撑板3处于不工作状态。而在空气弹簧处于无气状态下，高度限位阀不起作用，空气弹簧内部没有气压，载荷迫使空气弹簧间隙e值为0，且所有载荷通过磨耗板2和支撑板3直接作用在辅助弹簧4上。此时的泄气工作高度h由空气弹簧铁件（包括上盖板1，支撑板3，底板5），磨耗板2和辅助弹簧4的压缩高共同决定。这些尺寸都是在产品设计阶段已经确定的，因此新品空气弹簧的泄气压缩高也可稳定在一个设计值。

空气弹簧中的铁件及磨耗板2在其全寿命期内几何尺寸几乎不会发生变化，但是经过长时间的运行使用，辅助弹簧4中的橡胶会由于长期受压产生蠕变，这样会导致辅助弹簧4的压缩高变小。在充气状态下，由于有高度限位阀的关系，会充入更多气体使得空气间隙e值增大来实现空气弹簧的充气总高度保持不变；但是在泄气状态下，空气弹簧系统的总高度会减小，需要通过定期在上盖1上部或者底板5下部增加垫片的方式来实现空气弹簧的泄气总高度保持不变，这样会使得空气弹簧整个寿命期内的运行维护成本增加。

通过专利检索，没有发现与本专利相同的专利文献公开，与本专利相关的对比文件有以下几个：

（1）公开号cn105179578b专利公开了一种自恢复橡胶空气弹簧，包括柱形主体，柱形主体的至少一端设有曲囊部，曲囊部至少包括二个及其以上的曲囊单元；每一个曲囊部内壁的两端设有向柱形主体轴向中心位置的左、右突起，并介于每一个曲囊部内部的左突起和右突起之间设置有弹簧，并且弹簧在橡胶空气弹簧工作时，处于自由状态。本发明通过改进其自身的结构特点，实现提高了橡胶空气弹簧在工作时的自恢复能力，增强了橡胶空气弹簧的强度以及自调节能力，延长了其使用寿命，并提高了其质量。此自恢复橡胶空气弹簧主要是针对于空气弹簧去囊部分的设计改进，并不涉及到空簧蠕变及空间间隙调整，也不会影响到空簧的加垫及维护费用。

（2）公开号cn109505907a专利公开了一种具有间隙监测功能的空气弹簧，包括上盖板、气囊、上端板和下端板，上盖板的外周通过气囊与上端板的外周连接，上端板和下端板之间连接有辅助簧，上盖板上开设有安装口，安装口处安装有壳罩，壳罩内装设有用于监测上盖板至上端板之间间隙的监测组件。但是这样只能实现对内部间隙的监控，无法实现内部间隙的调整。

（3）公开号cn110608259a专利公开了一种可便捷检测辅助弹簧形变的空气弹簧系统及检测方法，通过在辅助弹簧芯轴内部开孔，通过压板的导杆连接定位板，并在芯轴底部一侧开一个观察孔，在观察孔的边线上刻上可供观察对比的加垫标记线和更换标记线，检修人员可方便地看出辅助弹簧高度的变化值，对辅助弹簧高度变化进行判断和处理。但是却无法做到减少加垫次数和降低维护费用。

（4）cn111043226a专利提供一种空气弹簧的预压缩方法，其提供的预压缩空气弹簧能够在狭小的上盖板内部空间实现高位辅助弹簧的预压缩，所需的安装高度低，空间小，具有较好的车辆动态振动行程，具有较低的垂向刚度和较好的横向稳定性，以及很低的泄气垂向刚度等特点，在气囊泄气时、空气弹簧具有水平方向限位功能。但是没有涉及内部空间间隙补偿及减少加垫的功能。

（5）us20190093729a专利提供一种空气弹簧的间隙补偿方法，其提供的空簧内部具有内圆柱体机构及外圆柱体机构，通过调整位于空簧外部的手柄可以改变内部两个圆柱体机构的相对位置，从而实现空簧内部空间间隙的调整，最终减小或者消除空气弹簧运行过程中的加垫维护。但是每次的空间间隙调整还是需要提车及人工参与，无法实现空簧内部空间间隙的自动调整。

因此在本领域范围内提出一种空气弹簧及间隙自动补偿方法在本技术领域内具有重大的意义。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：提出一种空气弹簧间隙自动补偿方法，在上盖板和辅助弹簧之间设置间隙自动补偿装置，所述间隙自动补偿装置具有相对设置的两个硬性支撑面，两个硬性支撑面具有初始相对间距l，通过在空气弹簧充气状态下增加初始相对间距l对空气弹簧因辅助弹簧橡胶蠕变导致的泄气状态下总高度h的减小进行补偿。

进一步地，在两个硬性支撑面之间设置弹性件，所述弹性件的初始高度即为所述初始相对间距l，在空气弹簧充气状态下通过对弹性件提供持续的拉力使得弹性件的高度增加，进而对空气弹簧因辅助弹簧橡胶蠕变导致的泄气状态下总高度h的减小进行补偿。

进一步地，在两个硬性支撑面之间设置拉力作用件，所述拉力作用件与两个硬性支撑面固定连接，在气弹簧充气状态下拉力作用件可对两个硬性支撑面产生支撑力从而对弹性件产生拉力以增加弹性件的高度。

进一步地，令拉力作用件对两个硬性支撑面产生支撑力大于空气弹簧充气状态下对内部空气对两个硬性支撑面产生的压力差。

进一步地，令两个硬性支撑面之间的空间与两个硬性支撑面之外的空间连通，使得空气弹簧充气状态下内部空气对两个硬性支撑面产生的压力差为零。

进一步地，将间隙自动补偿装置设置在上盖板和磨耗板之间，在空气弹簧泄气状态下两个硬性支撑面分别和上盖板以及磨耗板接触，通过在空气弹簧充气状态下增加始相对间距l对总高度h的减小进行补偿。

也可将间隙自动补偿装置设置在磨耗板和辅助弹簧之间，在空气弹簧泄气状态下两个硬性支撑面分别和上盖板以及辅助弹簧接触，通过在空气弹簧充气状态下增加始相对间距l对总高度h的减小进行补偿。

一种空气弹簧，包括上盖板、磨耗板以及辅助弹簧，还包括位于上盖板和辅助弹簧之间的支撑板装置，所述支撑板装置包括相对设置的顶板和底板，顶板和底板之间还连接有弹性件和支撑件，所述支撑件在空气弹簧充气状态下能对顶板和底板产生使其相对分离的支撑力，通过所述支撑力对弹性件产生拉力。

进一步地，所述支撑件为连接在顶板和底板之间、处于与压缩状态下的弹簧，弹簧对顶板和底板之间的支撑力大于空气弹簧在充气状态下对顶板和底板产生的压力差。

进一步地，所述支撑板装置还包括导向限位装置，所述导向限位装置具有限位面，所述导向限位装置对顶板和底板因弹簧作用下分离提供导向作用，限位面距离底板的距离为a，所述距离a小于弹性件的最大拉力行程。

本发明具有以下优点：

1、通过在上盖板和辅助弹簧之间设置间隙自动补偿装置，在空气弹簧充气状态下增加间隙自动补偿装置中硬性支撑面的相对间距l，能对空气弹簧因辅助弹簧橡胶蠕变导致的泄气状态下总高度h的减小进行补偿。避免为了保持空气弹簧工作高度频繁在上盖（1）或底板（5）增加垫片的维护工作。该方法原理简单但高效，利用拉力作用件的对弹性件的持续拉力，使得弹性件产生蠕变增高，其增加的高度即能对辅助弹簧橡胶蠕变导致的泄气状态下总高度h的减小进行补偿，很好地维持了空气弹簧在泄气状态下的工作高度。

2、将硬性支撑面的内部空间和外部空间进行连通，使得空气弹簧充气状态下内部空气对两个硬性支撑面产生的压力差为零。当空气弹簧充气后，无论充气压力大小，由于两个硬性支撑面外部无压力差，因此拉力作用件的拉力能持续固定的施加在弹性件上，只要空气弹簧处于充气状态下，拉力均能稳定地施加到弹性件上令其产生蠕变增高。

3、支撑板装置中的导向限位装置能使得顶板和底板因弹簧作用下分离运动始终维持平行状态，使得弹性件的蠕变增加高度在整个顶板和底板内部间距空间内保持一致；并且对顶板和底板的分开距离进行限位，避免弹性件因受拉行程过大而拉断受损，提高了空气弹簧的可靠性。

附图说明

图1：背景技术结构示意图；

图2：支撑板装置的实施例一结构示意图；

图3：弹性件型面结构示意图；

图4：导向限位装置的结构示意图；

图5：支撑板装置的实施例二结构示意图。

具体实施方式

为了本领域普通技术人员能充分实施本发明内容，下面结合附图以及具体实施例来进一步阐述本发明内容。

一种空气弹簧间隙自动补偿方法，在上盖板（1）和辅助弹簧（4）之间设置间隙自动补偿装置，所述间隙自动补偿装置具有相对设置的两个硬性支撑面，两个硬性支撑面具有初始相对间距l，通过在空气弹簧充气状态下增加初始相对间距l对空气弹簧因辅助弹簧（4）橡胶蠕变导致的泄气状态下总高度h的减小进行补偿。

如图2所示，一种实施例是将间隙自动补偿装置设置在磨耗板（2）和辅助弹簧（4）之间，在空气弹簧泄气状态下两个硬性支撑面分别和上盖板（1）以及辅助弹簧（4）接触，通过在空气弹簧充气状态下增加始相对间距l对总高度h的减小进行补偿。两个硬性支撑面其中位于上方的支撑面和磨耗板（2）固定连接，位于下方的支撑面和辅助弹簧（4）的边缘固定连接。当空气弹簧处于充气状态下时，磨耗板（2）和上盖板（1）之间由于充气压力存在间隙e，此时空气弹簧的工作高度h可通过调节充其量来维持。当空气弹簧处于泄气状态时，由于外部载荷施加到空气弹簧上，磨耗板（2）和上盖板（1）相接触，间隙e被压缩到0值，此时空气弹簧的工作高度h由两个硬性支撑面的间距l和辅助弹簧（4）的压缩高度共同确定。经过长时间充泄气后，辅助弹簧（4）由于橡胶件的蠕变导致其压缩量变小，因此需要在空气弹簧充气状态下、两个硬性支撑面处于自由未受压状态时增加相对间距l，从而对辅助弹簧（4）的压缩量变小量进行补偿，维持空气弹簧在泄气状态下的总高度h，减少空气弹簧为了保持工作高度频繁在上盖（1）或底板（5）增加垫片的维护工作。

为了使得两个硬性支撑面的相对间距l能在充气状态下自动增加，在两个硬性支撑面之间设置弹性件，所述弹性件的初始高度即为所述初始相对间距l。将弹性件的上下端面分别和两个支撑面之间固定连接，在空气弹簧充气状态下当对两个支撑面之间施加持续的支撑力，进而使得弹性件收到持续的拉力。由于实际工况中空气弹簧大部分的时间是处于充气状态下的，在长时间的充气状态下的持续拉力可使得弹性件产生蠕变，弹性件随长时间拉力施加被拉高，这时相对间距l增加，从而对辅助弹簧（4）橡胶蠕变导致的泄气状态下总高度h的减小进行补偿。

如图3所示，一般地，弹性件可采用抗拉较强、蠕变较大的橡胶材料硫化在两个硬性支撑面之间，其形状优选为类圆柱状，侧边的型面优选为向外凸出的型面，一方面在同样高度下能使得受拉行程增加，另一方面在弹性件受拉蠕变增高后凸起的型面会被慢慢拉直，避免弹性件在空气弹簧泄气受压后型面折叠受损。而平直型面和内凹型面的弹性件也同样能起到受拉蠕变增高补偿间隙的作用，在此不做具体的限定。

为了对弹性件产生持续的拉力，在两个硬性支撑面之间设置拉力作用件，所述拉力作用件与两个硬性支撑面固定连接，在气弹簧充气状态下拉力作用件可对两个硬性支撑面产生支撑力从而对弹性件产生拉力以增加弹性件的高度。

一般地，拉力作用件可采用自身具有形变恢复性质的弹性器件，例如弹簧和橡胶件。将弹簧和橡胶件以预压缩的方式连接在两个硬性支撑面之间，通过弹簧和橡胶件的预压缩恢复力产生对两个硬性支撑面的支撑力，进而转化为对弹性件的持续拉力，在该拉力作用下使得弹性件能产生蠕变增高。同样的，也可采用经冷却后的金属件连接在两个硬性支撑面之间，利用热胀冷缩原理对支撑面产生支撑力。

由于空气弹簧在充气状态下时，气囊内部的空气会对两个硬性支撑面的表面产生压力，为了使拉力作用件能对弹性件产生持续的拉力，应当使拉力作用件对两个硬性支撑面产生支撑力大于空气弹簧充气状态下对内部空气对两个硬性支撑面产生的压力差。如此拉力作用件的拉力能克服内部空气对两个硬性支撑面产生的压力差对支撑面产生支撑力。

然而空气染黄在充气状态下时内部空气的压力往往较大，要使拉力作用件克服全部的内部空气的压力将使得拉力作用件的拉力取值较大，对拉力作用件的材料选型要求太高。并且内部空气压力随充其量时刻变化，也使得拉力作用件变得不受控。因此可令两个硬性支撑面之间的空间与两个硬性支撑面之外的空间连通，使得空气弹簧充气状态下内部空气对两个硬性支撑面产生的压力差为零。当空气弹簧充气后，无论充气压力大小，由于两个硬性支撑面外部无压力差，因此拉力作用件的拉力能持续固定的施加在弹性件上，只要空气弹簧处于充气状态下，拉力均能稳定地施加到弹性件上令其产生蠕变增高。

如图5所示，另外一种实施方式是将间隙自动补偿装置设置在上盖板（1）和磨耗板（2）之间，在空气弹簧泄气状态下两个硬性支撑面分别和上盖板（1）以及磨耗板（2）接触，通过在空气弹簧充气状态下增加始相对间距l对总高度h的减小进行补偿。处于上方的硬性支撑面与上盖板（1）固定连接或者直接以上盖板（1）作为该硬性支撑面，其余的弹性件以及拉力作用件的设置方法均与实施例一相同。

如图2所示，一种采用上述间隙自动补偿方法的空气弹簧，包括上盖板（1）、磨耗板（2）以及辅助弹簧（4），还包括位于上盖板（1）和辅助弹簧（4）之间的支撑板装置（33），所述支撑板装置（33）包括相对设置的顶板（3a）和底板（3d），顶板（3a）和底板（3d）之间还连接有弹性件（3b）和支撑件，所述支撑件在空气弹簧充气状态下能对顶板（3a）和底板（3d）产生使其相对分离的支撑力，通过所述支撑力对弹性件（3b）产生拉力。在空气弹簧处于充气状态下时，持续的拉力使得弹性件（3b）产生蠕变增高，从而对辅助弹簧（4）橡胶蠕变导致的泄气状态下总高度h的减小进行补偿。

在本实施例中，支撑件为连接在顶板（3a）和底板（3d）之间、处于与压缩状态下的弹簧（3c）。顶板（3a）和底板（3d）内表面均有弹簧（3c）的安装点，弹性件（3b）则硫化在顶板（3a）和底板（3d）内表面之间。弹簧（3c）是处于预压缩状态下固定安装在顶板（3a）和底板（3d）内表面的弹簧（3c）的安装点上。如此利用弹簧（3c）被预压缩的弹性恢复力对顶板（3a）和底板（3d）产生持续的支撑力，进而对弹性件（3b）产生持续的拉力。而弹簧（3c）对顶板（3a）和底板（3d）之间的支撑力大于空气弹簧在充气状态下对顶板（3a）和底板（3d）产生的压力差，避免因压力差过大使得弹性件（3b）被反向压缩，不利于持续受拉蠕变增高。

一般地，可在顶板（3a）和/或底板（3d）上开设通孔，使得顶板（3a）和底板（3d）之间的空间区域能和顶板（3a）和底板（3d）之外的空间连通，空气弹簧在充气状态下时，顶板（3a）和底板（3d）外表面不会产生压力差，这时弹簧（3c）对顶板（3a）和底板（3d）之间的支撑力能全部作用在弹性件（3b）上。

如图2所示，由于弹性件（3b）在弹簧（3c）的支撑力作用下持续受拉，慢慢地产生蠕变后顶板（3a）和底板（3d）会相对分开、间距增加，为了使顶板（3a）和底板（3d）的相对运动分开能以固定垂直方向，在顶板（3a）和底板（3d）之间还连接导向限位装置（3e）。在本实例中，导向限位装置（3e）为中空的圆柱状的导向柱，其上端面和顶板（3a）中央固定连接，中空部分和顶板（3a）中央的通孔连通；导向柱的底面为一个凸起限位面，导向柱穿过底板（3d）中央的通孔且整体高度大于顶板（3a）和底板（3d）间距，凸起限位面距离底板（3d）之间的间距a大于弹性件（3b）的最大拉力行程。导向柱能对顶板（3a）和底板（3d）的相对运动分开起到导向作用，使得顶板（3a）和底板（3d）的相对运动分开过程中方向保持一致并始终维持平行，底面的一个凸起限位面对相对运动分开的距离进行限位，弹性件（3b）因受拉行程过大而被拉断导致磨耗板2或者支撑板装置3的相关部件割破气囊，从而增加空气弹簧可靠性。导向柱中空部和顶板（3a）中央的通孔连通并与底板（3d）外部空间连通，使得空气弹簧在充气状态下时，顶板（3a）和底板（3d）外表面不会产生压力差。

导向限位装置（3e）的另一种实施方式如图4所示，导向限位装置（3e）为一对分别和顶板（3a）边缘一体连接的竖直导向板，底板（3d）边缘和竖直导向板接触，竖直导向板的底端为凸起的限位面，竖直导向板的高度大于顶板（3a）和底板（3d）的间距。当顶板（3a）和底板（3d）相对分开时，底板（3d）边缘在竖直导向板导向作用下保持和顶板（3a）平行方向相对分开，而凸起的限位面则对底板（3d）的分开距离进行限位，凸起限位面距离底板（3d）之间的间距a大于弹性件（3b）的最大拉力行程。

支撑板装置（33）可整体设置在上盖板（1）和磨耗板（2）之间，此时以上盖板（1）即作为顶板（3a）。如图5所示，也可设置在磨耗板（2）以及辅助弹簧（4）之间，此时顶板（3a）和磨耗板（2）固定连接，底板（3d）和辅助弹簧（4）的边缘固定连接。以上两种方式中的弹性件（3b）、弹簧（3c）以及导向限位装置（3e）的结构连接可采用相同方式，在此不再赘述。

显然，以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。