汽车用空气弹簧硫化模具设计

摘要

随着我国橡胶制品工业的发展，橡胶制品的种类日益增多，产量日益扩大，促使着橡胶模具设计与制造由传统的经验设计到理论计算设计。尤其是橡胶生产设备的不断提高与生产工艺的不断改进，橡胶模具越来越多，模具的制造水平与模具复杂程度也越来越高越精致。高效率、自动化、精密、长寿命已经成为橡胶模具发展的趋势。我所设计的模具能过解决气孔、缺胶、充气尺寸变化大、帘线变稀劈缝等问题，还可以在空气弹簧上附设辅助气室，实现自控调节增、减充气量来调整弹簧的刚度和承载力的大小。这个模具对空气弹簧（甚至橡胶产品）的生产有很大的意义，可以提高空气弹簧中橡胶气囊的质量，因为橡胶气囊是空气弹簧的重要部件，它的质量是决定空气弹簧使用寿命的关键因素。从而使空气弹簧簧具有优良的弹性特性。

我国高速公路的迅速发展和运输量的增加以及对高性能客货车的需求，都对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求，空气悬架客车将逐渐得到广泛应用。此外，对公路养护的重视，也将使空气悬架在重型车市场的应用进一步扩大。

关键词：橡胶制品；模具；空气弹簧

Abstract

Along with the development of rubber industry in China, the kinds of rubber products, expanding production and makes the rubber mold design and manufacturing from the traditional experience design to the theoretical calculation of the design. Especially in rubber production equipment constantly improve with the continuous improvement of production technology, rubber mold, more and more mold manufacturing level and the degree of the mould complex, more and more is also high, the more elaborate. High efficiency, automation, precision, long life has already become the trend of the development of the rubber mold. I the design of the mould can solve porosity, lack of plastic, inflatable dimension change is big, the cord is thinning problem such as crack, can also be on the air spring with auxiliary chamber, realize automatic adjustment increase, decreases your to adjust the size of the spring stiffness and bearing capacity.

The rapid development of highway in our country and the increase of traffic and the demand for high-performance van, all on vehicle handling stability and ride comfort, safety, put forward higher requirements, air suspension bus will gradually used widely. In addition, the recognition of highway maintenance, also will make the application of air suspension in heavy truck market to further expand.

Key words：Rubber products; The mold; Air spring

目录

摘要..................................................... I 1 引言.. (1)

1.1汽车用空气弹簧胶囊在国内外的发展 (1)

1.2硫化工序工艺规程 (1)

2硫化工艺常识 (3)

2.1 硫化工艺过程 (3)

2.2 硫化条件 (3)

2.3 橡胶硫化工艺方法 (5)

2.4 氮气硫化工艺 (6)

2.5 变温硫化工艺 (7)

3 空气弹簧 (8)

3.1橡胶空气弹簧 (8)

3.2橡胶空气弹簧工作原理 (13)

3.3橡胶空气弹簧产品结构 (13)

3.4橡胶空气弹簧优势及特点 (13)

4橡胶模具的结构设计 (15)

4.1对制品零件的工艺分析 (15)

4.2橡胶模具的分类 (16)

4.3 成型设备 (17)

4.4模具结构的确定 (17)

5辅助装置的设计 (22)

5.1上夹盘的设计 (22)

5.2 上夹环的设计 (22)

5.3下夹盘的设计 (23)

5.4下夹环的设计 (24)

结论 (26)

致谢 (28)

参考文献 (29)

附录 (30)

1 引言

1.1汽车用空气弹簧胶囊在国内外的发展

国外主要的空气弹簧生产企业有德国的大陆公司。美国的费尔斯通公司和固特异公司等，他们的产品在种类、性能、适用范围和质量上都优于国内产品。国内空气悬架的应用目前主要集中在高等级客车上，且以选装国外空气悬架产品为主，在载货车上的应用尚处于起步阶段。据悉，国外先进的空气悬架技术已引进我国，如采埃孚已在国内建厂、美国柯普克公司采用纽威公司技术也在国内投入生产。与进口产品相比，国内几个有一定生产规模的空气弹簧生产厂的产品质量较差、品种相对比较单一、适用范围较窄。此外，在空气弹簧设计和制造技术上与发达国家相比还有相当大的差距。

我国高速公路的迅速发展和运输量的增加以及对高性能客货车的需求，都对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求，空气悬架客车将逐渐得到广泛应用。此外，对公路养护的重视，也将使空气悬架在重型车市场的应用进一步扩大。

目前，空气悬架已经由机械控制式逐步发展为电子控制式，如Audi A6旅行车、丰田凌志LS400轿车、Benz公司S系列2000型轿车和美国Lincoln轿车、Ford轿车均装备了电子控制的空气悬架系统。此外，空气弹簧在车辆上的应用范围也越来越广泛，除了作为悬架的弹性元件以外，空气弹簧还用作驾驶室和座椅的支承。

空气弹簧作为悬架元件最早应用于有轨电车悬架的减振系统，第一个装备空气悬架的汽车产品出现在1914年，直到20世纪50年代，空气悬架才在客车上得到实际应用。1953年，Firestone公司宣称其与通用汽车公司合作为Greyhound Lines豪华大客车提供空气悬架产品,这才为空气悬架的发展插上了腾飞的翅膀。1957年，长春汽车研究所做了大量的试验工作，积累了一些经验，但没有形成真正的产品。进入20世纪90年代后期，国内客车厂纷纷从国外选配空气悬架或带空气悬架的客车底盘，推动了空气悬架在我国的普及。但是，对于空气悬架与整车的匹配主要依赖于国外的厂商。[1]目前，欧美地区高级大客车几乎全部使用空气悬架；重型载货车上空气悬架的使用率也达到了85％;大约80％的拖挂车使用空气悬架；空气悬架在轻型货车上的应用目前虽然只占市场份额的l0％，但发展势头正猛；部分轿车也逐渐装备了空气弹簧悬架。在国内，我国也有小部分国产重型载货车和高级旅游车采用国外引进的空气悬架，如北方尼奥普兰、桂林大字、厦门金龙、西安西沃、亚星客车和丹东黄海客车等。

1.2硫化工序工艺规程

输送带在平板硫化机上（单层或双层）采用恒温分段硫化。硫化前检查好半成品的规格，配用相应厚度的垫铁和顶铁，带胚拖入平板空间按规定拉伸后，用低压将垫板顶起，再换用高压顶紧，并按工艺标准中规定条件进行硫化。

硫化过程中带胚所用的单位压力为1.8～2.5MPa。尼龙、EP输送带单位压力2.0MPa 以上。各平板硫化不同宽度的输送带，其进水管压力和带胚所受单位压力的关系请查阅

输送带硫化单位压力，进水管压力硫化带宽对照表。

双层硫化不同规格带子及可连接硫化的带子，仅限于：两条带子硫化时间相差不超过5分钟，按时间长者硫化，但二条输送带的硫化拉长必须是同一档次，并且将层数多的带子放在平板下层进行硫化。当班硫化过程中，如遇盘根或水门漏水，水压突然下降至规定以下时，只允许硫化完成该段输送带，压力不恢复正常时，不得继续硫化。硫化过程中发生问题必须中断硫化30分钟以上时，应关闭进汽管阀门，并用杠子将带子垫起，使其全部离开热板。硫化出锅时，开车者必须注视平板内的输送带，如发现起泡，应立即戳穿，开出锅口后再用刀将泡剖开以防汽泡膨胀扩大，造成严重损失。如停机换盘根，应关闭进汽管阀门，平板升温时应使用杠子，将带子垫起使其全部离开热板。星期六最后一班作业结束时，应把已硫化完的输送带向带胚方向全部拖回，平板内不允许存放胶带。硫化用硅油作隔离剂时，其配比为：硅油：汽油=1：20(重量比)。带胚装锅偏装不得超过50mm，遇带胚偏压时允许调正铁板偏装，调正量不超过100mm。

`2硫化工艺常识

2.1 硫化工艺过程

硫化是橡胶制品生产的最后一个工艺过程。在这个过程中，胶料中的生胶与硫化剂发生化学发应，由线型结构的大分子交联成为立体的网状结构的大分子，使塑性状态的橡胶转变为弹性状态的橡胶制品，从而获得完善的物理性能和机械性能和化学性能，成为有使用价值的高分子材料。在工业生产中，这种交联反应是在一定温度，时间和压力条件下完成的，这些条件称为硫化条件。

输送带在平板硫化机上（单层或双层）采用恒温分段硫化。硫化前检查好半成品的规格，配用相应厚度的垫铁和顶铁，带胚拖入平板空间按规定拉伸后，用低压将垫板顶起，再换用高压顶紧，并按工艺标准中规定条件进行硫化。[2]

2.2 硫化条件

2.2.1硫化方法的规定

不闭汽只预热的输送带：

各种运输带均采用不闭汽只预热的方法，其方法如下：带胚上锅后低压预热1-2分钟，放高压1-2分钟，预热时间计算在正硫化时间内。

2.2.2硫化压力

硫化过程中带胚所用的单位压力为1.8～2.5MPa。尼龙、EP输送带单位压力2.0MPa 以上。各平板硫化不同宽度的输送带，其进水管压力和带胚所受单位压力的关系请查阅输送带硫化单位压力，进水管压力硫化带宽对照表。

一般橡胶制品在硫化时要施以压力，目的在于：

防止制品在硫化过程产生气泡，提高胶料的致密性。

使胶料易于流动和充满模槽。

提高胶料与胶料的密着力。

有助于提高硫化的物理机械性能。

表2.1 硫化工艺表

硫化加压的方式通常有下列几种：一是用液压泵通过平板硫化机把压力传递给模型，再由模型传递给胶料；二是硫化介质直接加压（如蒸汽加压）；三是以压缩空气加压；四是由注压机注压等。

硫化温度是橡胶发生硫化反应的基本条件，它直接影响硫化速度和产品质量。硫化温度高，硫化速度快，生产效率高。反之，硫化速度慢，生产效率低。硫化温度高低应取决于胶料配方，其中最重要的是取决于橡胶种类和硫化体系。但应注意的是，高温橡胶分子链裂解，至发生硫化返原现象，结果导致强伸性能下降，困此硫化温度不宜太高。温度是硫化三大要素之一，与所有化学反应一样，硫化反应随温度升高而加快，并且大体适用范特霍夫定律，即温度每上升8~10。C(约相当于一个表压的蒸汽压力)，其反应速度约增加一倍；或者说，反应时间约减少一半。随着室温硫化胶料的增加和高温硫化出现，硫化温度趋向两个极端。从提高硫化效率来说，应当认为硫化温度越高越好，但实际上不能无限提高硫化温度。首先受到橡胶导热性极小阻碍，对于厚制品来说，采用高温硫化很难使内外层胶料同时达到平坦范围；其次，各种橡胶的耐高温性能不一，有的橡胶经受不了高温的作用，如高温硫化天然橡胶时，溶于橡胶中的氧随温度提高而活性加大，引起强烈的氧化作用，破坏了橡胶的组织，降低了硫化胶的物理机械性能，第三，高温对橡胶制品中的纺织物有害为棉纤维布料超过期作废140℃时，强力下降，在240℃下加热四小时则完全破坏。[3]

表2.2 各种胶料最宜硫化温度范围

硫化温度系数K是一个重要的硫化工艺参数。而且K值随胶料配方和硫化温度而变化。

可采用硫化仪测各参数，然后计算K值。

压延工程：

在生帘布上两面擦上一定厚度的橡胶，做成胶帘布的过程。

原丝供给→胶料塑炼→胶料供给→原丝表面橡胶→胶帘布卷曲

注意：

控制压延的厚度、作业速度。

裁断工程：把胶帘布按施工表规定的宽度和角度裁断并卷取的作业工程。

胶帘布供给→切断→接头→C/C刺孔→C/C卷取

注意：

控制C/C的接头量（4±1根）、确认刺孔状态。

BELT 的裁断过程

胶帘布供给→切断→接头→卷取

压出工程：S/W压出、T/D压出

T/D、S/W口型板→供胶→S/W挤出→冷却→卷取→T/D挤出→T/D冷却

注意：胶料区分、口型确认、宽度、厚度、螺杆挤出速度。

I/L作业过程

供胶→压延→冷却→输出卷取

汽车用空气弹簧硫化的工序：卷钢丝圈→贴橡胶片→包帘布→贴橡胶片→整型→硫化

综上所述，本次毕业设计主要设计汽车用空气弹簧硫化过程的模具的设计。

2.3 橡胶硫化工艺方法

橡胶硫化工艺方法，按硫化条件可分为冷硫化、室温硫化和热硫化三类。

1、冷硫化可用于薄膜制品的硫化，制品在含有2％～5％氯化硫的二硫化碳溶液中浸渍,然后洗净干燥即可。

2、室温硫化时,硫化过程在室温和常压下进行,如使用室温硫化胶浆（混炼胶溶液）

进行自行车内胎接头、修补等。

3、热硫化是橡胶制品硫化的主要方法。根据硫化介质及硫化方式的不同，热硫化又可分为直接硫化、间接硫化和混气硫化三种方法。

2.3.1橡胶硫化工艺

橡胶在未硫化之前，分子之间没有产生交联，因此缺乏良好的物理机械性能，实用价值不大。当橡胶加入硫化剂以后，经热处理或其他方式能使橡胶分子之间产生交联，形成三维网状结构，从而使其性能大大改善，尤其是橡胶的定伸应力、弹性、硬度、拉伸强度等一系列物理机械性能都会大大提高。橡胶大分子在加热下与交联剂硫磺发生化学反应，交联成为立体网状结构的过程。经过硫化后的橡胶称硫化胶。硫化是橡胶加工中的最后一个工序，可以得到定型的具有实用价值的橡胶制品。

2.3.2注压成型硫化工艺

普通模压与注压最明显的区别在于前者胶料是以冷的状态充入模腔的，而后者则是将胶料加热混合，并在接近硫化温度下注入模腔。因而，在注压过程中，加热模板所提供的热量仅仅只用于维持硫化，它能很快将胶料加热到190℃-220℃。在模压过程中，由加热模板所提供的热量首先要用于预热胶料，由于橡胶的导热性能差，如果制品很厚，热量要传导到制品中心需要较长的时间。采用高温硫化也可在一定程度上缩短操作时间，但往往导致靠近热板的制品边缘出现焦烧。采用注压法硫化，可以缩短成型周期，实现自动化操作，这对大批量生产最为有利。注压还具有以下优点：可以省去半成品准备、起模和制品修边等工序；可以生产出尺寸稳定、物理机械性能优异的高质量产品；减少硫化时间，提高生产效率，减少胶料用量，降低成本，减少废品，提高企业经济效益。[4]

2.4 氮气硫化工艺

采用充氮气硫化的主要优点是节能和延长胶囊寿命，可节省蒸汽80%，胶囊使用寿命可延长1倍。轮胎在硫化过程中要消耗大量热能和电能，因此开发和推广节能硫化工艺意义重大。由于氮气分子量小、热容很小，氮气充入轮胎胶囊内腔时，不会吸热而引起温度降低，也不易造成胶囊氧化裂解破坏。

2.4.1氮气硫化的工艺特点

先通高温高压蒸汽，若干分钟后切换通入氮气，利用充氮硫化的“保压变温”工艺硫化至结束。因为最初通入几分钟蒸汽的热量足够保持硫化一条轮胎，理论上只要在完成硫化之前温度不降到150℃以下即可。但是，采用氮气硫化时，首先通入的是高温高压蒸汽，会造成上下胎侧的温差，要消除上下胎侧的硫化温差，必须合理布置硫化介质喷射的位置，改进密封和热工管路系统。硫化用氮气的纯度要求达99.99%，最好达

到99.999%，并建议企业自配制氮系统，以降低使用成本。氮气纯度不够，会影响胶囊的使用寿命。将氮气硫化的“保压变温”硫化原理应用于传统循环过热水硫化工艺的改造，人们又开发出了用高温高压蒸汽加过热水的硫化工艺取代常规的循环过热水硫化工艺。硫化时，先通入高温高压蒸汽，若干分钟后切换通入循环过热水，再过若干分钟后关闭回水阀停止循环，直到利用潜热硫化至结束。采用这种新的加热硫化方法，据理论计算，其能耗仅是传统硫化工艺方法的1/2。

2.5 变温硫化工艺

根据成品物理性能试验和生产经验，缩短硫化时间。这在一定程度上减轻了过硫化程度。

采用高温硫化。近年来小型轮胎硫化工艺逐渐向高温硫化方向发展，且考虑后硫化效应，硫化时间短，对减轻过硫和提高硫化程度的均匀性有一定作用。

进行硫化测温，找到制品中的最慢硫化点，以该点为依据来确定硫化时间，效果较前两种好。利用该法可不同程度地提高硫化效率，改善硫化程度的均匀性。但由于实际生产中只考察外温，轮胎各部位的实际温度并不确知，加上并不是每次温度固定不变，因此根据测温计算出的结果与实际硫化的结果有较大误差。橡胶厚制品硫化过程温度场模拟仿真与预测表明，温度不均匀是造成轮胎外胎硫化程度不均匀的主要因素。橡胶工业普遍认为外温恒定是保证质量的重要条件，从设备上要千方百计地实现恒温。这对非厚橡胶制品来说是正确的，而对轮胎外胎等厚橡胶制品则不然。轮胎在模型中加热硫化，热经由模型传到外胎各部位。橡胶是热的不良导体，温升慢，加热早期外胎各部位存在明显的温度梯度，经过较长时间才能达到平衡。[5]

3 空气弹簧

3.1 橡胶空气弹簧

空气弹簧由橡胶气囊、上盖板、底座、辅助气室，夹紧环和缓冲块等组成。根据橡胶气囊工作时变形式的不同，空气弹簧的结构形式主要分为膜式空气弹簧、囊式空气弹簧和混合式空气弹簧3种。膜式空气弹簧是圆柱形结构，根据橡胶气囊止口与接口的连接方式，膜式空气弹簧又分为约束膜式和自由膜式。约束膜式空气弹簧一般用螺栓夹紧密封，自由膜式空气弹簧则采用橡胶气囊内的压力自封。囊式空气弹簧的外形结构有些象灯笼，有单曲、双曲或多曲囊式空气弹簧。早期的商用车上主要使用双曲囊和三曲囊式空气弹簧。近期膜式空气弹簧的用量逐步增加，是因为膜式空气弹簧具有行驶平顺性好和行程大的优点。[6]

空气弹簧具有非线性特性，刚度和承载能力可以调节，其刚度随载荷的变化而变化。空气弹簧的特性曲线可按实际需要进行理想设计，使其在额定载荷附近具有较低的刚度值，并使空气悬架获得较低的固有频率，因而工作柔和。

利用高度阀可以改变或保持空气弹簧的高度。压缩气体的气压能够随载荷和道路条件的变化进行自动调节，不论满载还是空载.保证车身高度不随载荷的变化而变化，大大提高了乘坐的舒适性。升高车身以提高车辆在极差路面上的通过性，降低车身以方便人员或货物上下，空气弹簧具有高的吸振和降噪能力，不仅可以提高商用车的舒适性，而且对车辆本身和运输的货物有一定的保护作用。

空气弹簧可以有效减轻汽车悬架的质量。

空气弹簧具有较高的疲劳寿命，其疲劳寿命可达300万次以上，实际使用寿命可达5年以上。而钢板弹簧的疲劳寿命一般只有20万次。

空气弹簧能适应多种刚度或载荷的要求，因此经济效果较好。

空气弹簧的主要缺点是：由于空气弹簧只能承受垂直负荷，需要有导向机构传递纵向力、横向力及其力矩，因而悬架结构较为复杂。

随着车辆减振性能的提高，空气弹簧悬架因其独特的性能和适应性，正在逐步取代钢板弹簧悬架。空气悬架系统是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性实现其弹性作用的。汽车上使用的空气弹簧悬架系统。

空气弹簧的工作特性主要由刚度、恒压曲线、变压曲线来表征，这些特性可作为选用空气弹簧的依据。

实际工作中，空气弹簧的刚度主要通过试验方法测定。在不同工作压力下，测出弹簧行程(横坐标)和承载力(纵坐标)的关系曲线，该曲线的斜率即为空气弹簧刚度。

空气弹簧工作时，需不断向橡胶气囊内补充气体，以保证空气弹簧在上下运动过程中具有恒定的气压，这样测出的空气弹簧行程与承载力的关系曲线称为恒压曲线。

如果向橡胶气囊内充入一定压力的气体后关闭进气阀，并保证空气弹簧在上下运动

过程中气体不泄漏，这样测出的空气弹簧行程与承载力的关系曲线称为变压曲线。

在进行汽车设计时，总希望汽车悬架系统具有较低的固有频率，并且希望固有频率在整个载荷范围内保持不变，从而有效地改善车辆行驶的平顺性、操纵的稳定性和安全性。传统金属弹簧悬架的弹簧刚度一般是固定的，当汽车载荷发生变化时，悬架系统的固有频率会发生变化，且汽车载荷变化越大，悬架系统固有频率的变化越大、汽车行驶平顺性越差。而空气弹簧刚度呈非线性，通过优化空气弹簧结构及特性参数，可以显著改善汽车的行驶平顺性。[7]

空气弹簧的刚度与空气弹簧的内容积成反比，为了降低刚度可以在弹簧上外加一个辅气室。该方法一般用于囊式空气弹簧，原因是囊式空气弹簧刚度一般较大，无辅气室时一曲的固有频率为2.5～3.3Hz，两曲的为1.7～1.9Hz，三曲的为1.3～1.5Hz。辅气室的容积设计为空气弹簧本身容积的1.5～2倍比较理想，再大效果就不明显了。空气弹簧刚度与有效面积变化率密切相关。

此外，膜式空气弹簧还获得了较为理想的变刚度特性——反“S”形的载荷-变形曲线。图3-1比较了膜式空气弹簧、三曲囊式空气弹簧和钢板弹簧的载荷-变形曲线。从中可以看出，空气弹簧具有非线性刚度特性，可获得比钢板弹簧低的刚度；膜式空气弹簧刚度特性比囊式空气弹簧好，在正常工作范围内刚度及其变化较小，而在伸张或压缩的边缘区段刚度逐渐增加，这样可以避免以较低刚度在粗糙路面行驶时车身产生过冲击或碰撞，保证了车辆的行驶平顺性。

图3-1 弹簧载荷—变形特性曲线

空气弹簧具有变刚度特性，空气悬架的固有频率可以根据需要进行适当调整。选择合适结构的空气弹簧并优化其特性参数，可以使正常工作条件下空气弹簧的刚度变化较小，而伸张和压缩行程边缘的刚度较大。研究非线性刚度系统振动传递规律是空气弹簧匹配的关键。空气弹簧匹配设计时首先要确定的是空气悬架参数，如车辆在空载、半载、满载时的轴荷及空气弹簧的承载力，并计算在各种不同载荷下空气弹簧的刚度及空气悬架的固有频率。橡胶气囊刚度对空气弹簧刚度影响极大，这是造成空气弹簧刚度理论值与试验值差异较大的原因之一。

橡胶气囊是空气弹簧的重要部件，它的质量是决定空气弹簧使用寿命的关键因素。空气弹簧胶囊由内胶层、帘布层和外胶层组成。其中，内胶层相当于无内胎轮胎气密层，起密封胶囊内压缩空气的作用。外胶层相当于轮胎胎侧，起保护帘布层的作用。

图3-2空气弹簧胶囊结构示意图

橡胶气囊的制造工艺与质量会对空气弹簧的特性造成影响，不同厂家生产的同一规格的空气弹簧特性可能会有较大差别。橡胶气囊的制造就是将各部分的半成品在成型机上组合成一个完整胶囊的过程。空气弹簧橡胶气囊的制造工艺流程(见图5)与汽车轮胎的制造工艺有许多相似之处，材料和外形也有相通的地方。一般分为胶料的配合加工、压延帘布、硫化等几个部分。

胶料配方：内橡胶层主要用于密封，应采用气密性和耐油性较好的橡胶；外橡胶层除密封外，还起保护作用，应考虑耐气候老化和耐臭氧的橡胶，一般采用氯丁橡胶、三元乙丙并用胶；帘布是胶囊的主要承载部件，应选用强度高、耐屈挠性好的聚酯和尼龙等涂胶帘线，以满足载荷要求和取得良好的使用性能，一般用2层或4层帘布。帘布各铺层按帘布帘线方向互成一定角度布置，因而胶囊呈现出正交各向异性的特点。帘布的压延采用三辊半热压工艺。帘布贴合采用半鼓式层贴工艺，将剪裁好的帘布贴在成型鼓上，扣上两边的钢丝圈，使成型鼓膨胀，翻边反压，再用压辊仔细地压实贴合，除去气泡，取下后进行装模硫化。

钢丝圈：采用19号钢丝缠绕而成。

硫化：在双模硫化机内进行硫化，硫化压力1.5～2.0MPa，温度140～160℃，时间为30min。

由于胶囊长期暴露在空气中，橡胶胶囊表面会逐渐硬化、弹性降低，加上压力和曲挠变形的作用，外层橡胶表面会出现均匀的裂纹和轻微的脱落。大气臭氧是使橡胶龟裂的主要原因，日晒雨淋、高低温差及酸、碱的腐蚀均会加速这一现象的出现。使用耐老化橡胶品种和优良的抗老化配方可以提高橡胶的耐老化性。

解决气孔的措施：a.采用三辊压延机出片，辊温宜低，中、下辊带有少量堆积胶；

b.成型时将胶片和半成品的气泡全部刺穿，并将半成品压平、压实，排尽空气；

c.应尽量少用胶浆，待胶浆溶剂完全挥发再滚压，半成品的停放时间不能小于8h，但不能超时存放，出现喷霜现象的胶料必须返炼后再用；

d.低模温装料，加大硫化压力。

解决表面缺胶的措施：a.装料量准确，排气眼及排气线布局合理，保证模具排气眼及排气线通畅；b.合适的硫化压力。

解决措施：a.帘布铺设角度合理；b.选用高模量、高强度帘布，加大帘布胶强度，增加帘布层数。

解决措施：a.在成型过程中，要严格控制胶层和帘布层的接头长度和接头质量，最好控制在4mm以内；b.胶囊毛胚尺寸尽量与硫化模接近；c.减缓充气速度和压力。

橡胶空气弹簧性能测试的指标主要有：胶料的物理机械性能指标，如拉伸强度、伸长率、硬度和老化系数等；载荷-变形曲线试验；载荷-体积变化曲线试验；气密性试验；爆破试验；疲劳试验等。

随着我国橡胶制品工业的发展，橡胶制品的种类日益增多，产量日益扩大，促使着橡胶模具设计与制造由传统的经验设计到理论计算设计。尤其是橡胶生产设备的不断提高与生产工艺的不断改进，橡胶模具越来越多，模具的制造水平与模具复杂程度也越来越高越精致。高效率、自动化、精密、长寿命已经成为橡胶模具发展的趋势。

橡胶气囊的制造工艺与质量会对空气弹簧的特性造成影响，不同厂家生产的同一规格的空气弹簧特性可能会有较大差别。橡胶气囊的制造就是将各部分的半成品在成型机上组合成一个完整胶囊的过程。空气弹簧橡胶气囊的制造工艺流程(见图5)与汽车轮胎的制造工艺有许多相似之处，材料和外形也有相通的地方。一般分为胶料的配合加工、压延帘布、硫化等几个部分。

胶料配方：内橡胶层主要用于密封，应采用气密性和耐油性较好的橡胶；外橡胶层除密封外，还起保护作用，应考虑耐气候老化和耐臭氧的橡胶，一般采用氯丁橡胶、三元乙丙并用胶；帘布是胶囊的主要承载部件，应选用强度高、耐屈挠性好的聚酯和尼龙等涂胶帘线，以满足载荷要求和取得良好的使用性能，一般用2层或4层帘布。帘布各铺层按帘布帘线方向互成一定角度布置，因而胶囊呈现出正交各向异性的特点。帘布的压延采用三辊半热压工艺。帘布贴合采用半鼓式层贴工艺，将剪裁好的帘布贴在成型鼓上，扣上两边的钢丝圈，使成型鼓膨胀，翻边反压，再用压辊仔细地压实贴合，除去气

泡，取下后进行装模硫化。

钢丝圈：采用19号钢丝缠绕而成。

硫化：在双模硫化机内进行硫化，硫化压力1.5～2.0MPa，温度140～160℃，时间为30min。

3.2橡胶空气弹簧工作原理

橡胶模具是生产橡胶制品硫化的主要设备之一，模具设计的依据是制品的形状，特性和适用要求。根据同有橡胶制品可设计几种不同结构的模具，模具结构直接关系到制品质量，生产效率和使用寿命，因此模具结构设计研究是相当重要的。

为了保证橡胶压制品有正确的几何形状和一定的尺寸精度，模具的结构设计应遵循几项主要原则：

（1）掌握和了解橡胶制品的所用材料的硬度、收缩率以及使用要求。

（2）模具结构合理，定位可靠，操作方便，易于清洗和制品修边。

（3）模具腔数应适当，易于机械加工和模具使用并兼顾生产效率。

（4）模具应有足够的强度和刚度，力求外形小，质量轻。

（5）模具模腔使用时便于装料、排气、逃余料；硫化时，胶料应有足够的压力。

（6）模具设计应符合系列化、标准化、力求通用化。

橡胶空气弹簧工作时，内腔充入压缩空气，形成一个压缩空气气柱。随着振动载荷量的增加，弹簧的高度降低，内腔容积减小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱的有效承载面积加大，此时弹簧的承载能力增加。当振动载荷量减小时，弹簧的高度升高，内腔容积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时弹簧的承载能力减小。这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递、振幅与震动载荷的高效控制。还可以用增、减充气量的方法，调整弹簧的刚度和承载力的大小，还可以附设辅助气室，实现自控调节。

3.3 橡胶空气弹簧产品结构

我公司橡胶空气弹簧按形状可分为曲囊式、膜式和滚筒式三大类。按密封结构形式可分为压力自密封式、卷边式、法兰夹紧式、箍环密封式和混合式五大类。其结构由特性表层橡胶、高强度骨架层、极性内层橡胶构成。[8]

①特性表层橡胶：起保护胎体、耐各种外界环境污染及密封的作用；

②高强度骨架层：起控制张力、承受载荷压力的作用；

③极性内层橡胶：起密封气室内压缩空气、承受气压的作用。

3.4橡胶空气弹簧优势及特点

橡胶空气弹簧又称空气弹簧、气胎、气囊、皮老虎等，诞生于 19 世纪中期，早期用于机械设备减振。由于其众多的优点，因而在现代公路和轨道交通车辆以及工业机械等领域获得了广泛的应用。

橡胶空气弹簧使用压缩空气(水)为介质，是利用其内部压缩空气的反力作为弹性恢复力

的一种弹性元件。是具有弹簧作用的非金属弹簧。

它拥有许多优越金属弹簧的特点：

橡胶空气弹簧的刚度随载荷而变，使弹簧装置具有理想的特性；

橡胶空气弹簧具有非线性特性，可将其特性曲线设计成理想形状并能同时承受轴向和径向载荷，也能传递扭矩；

橡胶空气弹簧通过调整内压力，可以得到不同的承载能力，因此适应多种载荷的需求；

橡胶空气弹簧的重量轻，使用寿命长；

橡胶空气弹簧的高频隔振和隔音性能好。橡胶空气弹簧所需安装空间小，更换方便。

弹簧高度、承载能力和弹簧刚度的可变性选择：

使用时，可彼此独立地,范围相当广泛地选择弹簧高度，承载能力和弹簧刚度，可获得极其柔软的弹簧特性。

弹簧高度：使用高度控制阀，可根据使用要求适当控制空气弹簧的高度，在簧上载荷变化的情况下保持一定高度。[9]

承载能力：对于相同尺寸的橡胶空气弹簧，改变内压，可得到不同的承载能力，承载能力大致与内压成正比。这便达到了同一种橡胶空气弹簧可适应多种载荷要求。

弹簧刚度：在设计橡胶空气弹簧的刚度时，可以依靠改变弹簧内压而加以选择，刚度与内压大致成正比，因此，可以根据需要将刚度选得很低，对于一个尺寸既定的橡胶空气弹簧，刚度是可变的，它随载荷的改变而变化，因而在任何载荷下自振频率几乎不变，所以它能使被支承系统具有几乎不变的性能。

2.固有的振动频率较低

橡胶空气弹簧与附加空气室相连，可是橡胶空气弹簧装置的固有振动频率降低到0.5∽3Hz。再任何载荷的作用下，橡胶空气弹簧都可以保持较低而近乎相等的振动频率。

3.能隔绝高频振动及隔噪音效果好

橡胶空气弹簧是由空气和橡胶构成的，内部摩擦小，不会因弹簧本身的固有振动而影响隔离高频振动的能力。此外，橡胶空气弹簧没有金属间的接触，因此使用其隔噪音，防噪音效果很好。[10]

4.可利用空气的阻尼作用

在橡胶空气弹簧和附加空气室之间加设一个节流孔，当簧上载荷发生振动时，空气流经节流孔发生能量损失，因而起到衰减振动的作用。

5.使用寿命较长

橡胶空气弹簧的耐疲劳性能优于金属弹簧许多倍。对于用车辆空气弹簧悬挂系统中的弹簧进行疲劳实验，钢板弹簧仅振动数十万次就折断了，而橡胶空气弹簧则在振幅40mm、频率2.7Hz（160次／min）条件下振动500万次后仍未破坏。

6.本体结构

橡胶空气弹簧的本体结构柔软，因此具有轴向、横向和旋转向的综合隔振作用。

7.制造及安装

橡胶空气弹簧相对成本低廉，安装、更换方便，维护保养简单，不需经常检修，无须加油。[11]

我公司橡胶空气弹簧按形状可分为曲囊式、膜式和滚筒式三大类。按密封结构形式可分为压力自密封式、卷边式、法兰夹紧式、箍环密封式和混合式五大类。其结构由特性表层橡胶、高强度骨架层、极性内层橡胶构成。[12]

①特性表层橡胶：起保护胎体、耐各种外界环境污染及密封的作用；

②高强度骨架层：起控制张力、承受载荷压力的作用；

③极性内层橡胶：起密封气室内压缩空气、承受气压的作用。[13]

4橡胶模具的结构设计

4.1对制品零件的工艺分析

该制品零件是汽车用空气弹簧尺寸与结构如图2.1所示：

图4-1 汽车用空气弹簧零件图

该空气弹簧的技术指标和生产情况如下：

承受的压力：2-2.5MPa

接触介质：空气

生产批量：小批量[14]

4.2 橡胶模具的分类

橡胶模具根据模具结构和制品生产工艺的不同分为：压制成型模具、压铸成型模具、注射成型模具、挤出成型模具四大常用模具，以及一些生产特种橡胶制品的特种橡胶模具，如充气模具、浸胶模具等。

4.2.1压制成型模具

又称为普通压模。它是将混炼过的、经加工成一定形状和称量过的半成品胶料直接

放入模具中，而后送入平板硫化机中加压、加热。胶料在加压、加热作用下硫化成型。特点是模具结构简单，通用性强、使用面广、操作方便，故在橡胶模压制品中占有较大比例。

4.2.2压铸成型模具

又称传递式模具或挤胶法模具。它是将混炼过的、形状简单的、限量一定的胶料或胶块半成品放入压铸模料腔中，通过压铸塞的压力挤压胶料，并使胶料通过浇注系统进入模具型腔中硫化定型。特点是比普通压模复杂，适用于制作普通模压不能压制或勉强压制的薄壁、细长易弯曲的制品，以及形状复杂、难以加料的橡胶制品。采用这种模具生产的制品致密性好、质量优越。

4.2.3注射成型模具

它是将预加热成塑性状态的胶料经注射模的浇注系统注入模具中定型硫化。特点是结构复杂、适用于大型、厚壁、薄壁、形状复杂的制品。生产效率高、质量稳定、能实现自动化生产。

4.2.4挤出成型模具

通过机头的成型模具制成各种截面形状的橡胶型材半成品，达到初步造型的目的，而后经过冷却定型输送到硫化罐内进行硫化或用作压模法所需要的预成型半成品胶料。特点是生产效率高、质量稳定、能实现自动化生产。

4.3 成型设备

模压法模具使用平板硫化机。（蒸汽硫化机：一般饱和蒸汽的最高压力可达0.6～0.8Mpa，硫化温度在158～168范围内。电阻丝加热平板、油压平板硫化机）压铸法模具使用压铸机。

注射法模具使用注射机。（注射机工作压力一般为100～140Mpa，硫化温度为140～185，硫化时间为1～5分）

挤出法模具使用挤出机。

4.4模具结构的确定

4.4.1模具结构形式和腔数的确定

1.模具结构形式的确定

橡胶模具是生产橡胶制品硫化的主要设备之一，模具设计的依据是制品的形状，特性和适用要求。根据同有橡胶制品可设计几种不同结构的模具，模具结构直接关系到制品质量，生产效率和使用寿命，因此模具结构设计研究是相当重要的。

在实际生产中大批量生产的模压产品，其模具结构采用压制结构形式。压制成型模具是指将一定形状的胶料，经称量加入敞开的型腔内，用压机闭模加压，然后胶料在受热受压条件下呈现塑性流动充满整个模腔，经过一定时间后完成硫化，再脱模和清除飞

边得到所需制品的方法。特点：结构简单，通用性强，适用面广，操作方便。如：平板硫化机上用的模具（该类模具在生产中占较大的比例）。[15]

2.模具腔数的确定

模具腔数的多少主要根据该产品生产量和硫化平板的吨位、压力来确定。由于此汽车用空气弹簧硫化属于大批量生产，因此采用压制成型模具。

4.4.2分型面的确定

分型面是指橡胶模具中模块的分合面，由于此汽车用空气弹簧硫化模具采用整体立式压制成型模具，由上模、中模一、中模二、中模三和下模五个模块组成，所以模具的分型面有一个。

选择分型面是模具设计中最关键的环节，它直接影响模具的加工，模具的使用和模压产品质量。因此分型面的选择有以下原则：

1.保证制品顺利取出与脱模，有利于Fig2-16型腔中气体的排除。

2.模具的分型面应尽量避开制品的工作面。

2.一般制品的工作表面有较高的光滑精度（较低的表面粗糙度）

同一类型制品不同分型面的选择。

4.分型面应选择制品的边角和圆弧突出点的面上，有利于飞边的修除。

5.夹布、夹织物制品的分型面选择既要考虑胶料与夹布织物的安放与填充，又要考虑胶料与织物的压紧和压实。常用镶嵌深度一般为H=3～6mm。

6. 橡胶制品中各类套管、防尘罩、橡胶轴承分型面的选择。

7.保证制品精度，对同轴度要求高的制品的外形或内孔，应尽可能设在同一块模板上，否则由于模板间配合精度不够，定位偏差将影响制品的同轴度。

4.4.3模具的定位

模具的定位包括模具各模块之间的定位和模具与硫化设备的定位。模具各模块之间的定位方式有圆柱面定位、圆锥面定位、斜面定位和定位销（导向销、圆柱定位销和圆锥定位销）定位。模具与设备的定位主要存在于注射模具和小部分的压制模具中，其定位方式主要是与设备的螺纹螺栓固定和T形槽配套螺栓定位。

外形为圆形的模具所占的比例是很大的，其中绝大多数是圆形制品的单腔模，比如单腔油封模具、单腔矩形圈模具。圆形模具的定位方式主要是圆柱面定位和圆锥面定位。

由于圆锥面定位有以下优点：配合同轴度高；装拆容易，多次拆装后能够保证精确地定心作用；当锥面角度较小时，可传递很大的扭矩。圆柱面定位较圆锥面定位易于加工，但模具拆卸不如圆锥面定位容易，而且圆柱面定位一旦磨损就会影响模具定位精度。而大直径O型密封圈为中批量生产，多次供货，因此选择圆锥面定位最为合适。

此橡胶模具的模块与模块之间的定位采用圆锥面定位。模芯采用活芯子，因为是大批量生产，因此活动模芯采用圆柱面配合，以便于模具加工。圆柱面活动模芯装配方式中模芯与装配孔的公差是间隙配合，一般取基孔制H8/f7间隙配合。料腔和上模之间采