氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)方法與裝置開(kāi)發(fā)研究
    氣彈簧（Gas spring)是一種不同于傳統(tǒng)金屬?gòu)椈傻膹椥栽?，通過(guò)活塞在密封
的缸筒內(nèi)壓縮惰性氣體或者油氣混合物，利用缸筒活塞兩側(cè)的壓力差所產(chǎn)生的軸向
力來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐、緩沖、制動(dòng)、復(fù)位、高度調(diào)節(jié)及角度調(diào)節(jié)等功能，已經(jīng)廣泛用于汽
車、航空、醫(yī)療器械、家具、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域。隨著我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)
氣彈簧產(chǎn)品的性能要求不斷提高。2010 年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 25750-2010 可鎖定氣
彈簧技術(shù)條件》和《GB/T 25751-2010 壓縮氣彈簧技術(shù)條件》正式發(fā)布實(shí)施。國(guó)
家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了高低溫環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)要求，比此前實(shí)施了十幾年的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中
的高低溫儲(chǔ)存疲勞試驗(yàn)更科學(xué)合理，對(duì)產(chǎn)品要求更苛刻。
   氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)是模擬氣彈簧在惡劣環(huán)境下工作的試驗(yàn)方法，是氣彈簧
的重要性能指標(biāo)之一。由于原來(lái)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)要求，目前國(guó)內(nèi)上還
沒(méi)有用于氣彈簧的成型檢測(cè)設(shè)備，使國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施遇到困難。本文對(duì)氣彈簧高低
溫疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了分析，并介紹氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)機(jī)研發(fā)情況。
  氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)介紹
    氣彈簧是由一個(gè)密閉缸筒和可以在缸筒內(nèi)滑動(dòng)的活塞及活塞桿組件組成的以
氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w為儲(chǔ)能介質(zhì)的彈性元件[1]。其工作原理是利用氣體可壓縮性,在
制造過(guò)程中進(jìn)行加壓充氣，使缸筒內(nèi)的壓力高于大氣壓的幾倍或者幾十倍。在工作
過(guò)程中利用活塞桿的橫截面積小于活塞的橫截面積而產(chǎn)生的壓力差來(lái)提供支撐力
以實(shí)現(xiàn)活塞桿的運(yùn)動(dòng)[2]。
     與傳統(tǒng)的金屬?gòu)椈上啾?，氣彈簧具有以下特點(diǎn)：壓縮和伸展過(guò)程中速度相對(duì)緩
慢；阻尼效應(yīng)可以控制運(yùn)動(dòng)速度，避免產(chǎn)生諧振；徑向尺寸較小且行程較長(zhǎng)，具有
穩(wěn)定并且可選擇的近乎于線性的彈簧特性；動(dòng)態(tài)力變化不大（通常在 1:1.2 以內(nèi)）。
常見(jiàn)的氣彈簧的外觀結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。
 
     在實(shí)際使用過(guò)程中，大多數(shù)的氣彈簧在工作載荷作用下，其缸筒、活塞、活塞
桿等結(jié)構(gòu)零件的工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服極限，出現(xiàn)過(guò)載失效的幾率不大。但由于非
預(yù)期的載荷作用而造成氣彈簧失效的情況也時(shí)有發(fā)生，近些年甚至發(fā)生了數(shù)起由于
介質(zhì)選用不當(dāng)而引起的氣彈簧爆炸事件。由材質(zhì)、加工及裝配質(zhì)量等原因引起的氣
彈簧早期壓力減小甚至消失的情況也是氣彈簧失效的一種形式。為保證氣彈簧的質(zhì)
量與性能，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一系列靜態(tài)性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法。
在變載荷作用下，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間使用后發(fā)生失效的現(xiàn)象稱為氣彈簧的疲勞失效
[3]。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有 80%以上的氣彈簧失效是由疲勞引起的。氣彈簧的疲勞失效已經(jīng)
成為氣彈簧行業(yè)管理者與技術(shù)人員所關(guān)注的焦點(diǎn)。氣彈簧的疲勞失效主要表現(xiàn)為力
   特性的變化，其原因主要是密封件的失效。在氣彈簧內(nèi)部，無(wú)論是密封材料還是氣
液介質(zhì)，均對(duì)溫度的變化敏感性較強(qiáng)，所以進(jìn)行高低溫環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)是很有必要的。
   針對(duì)國(guó)內(nèi)外的采購(gòu)商對(duì)氣彈簧產(chǎn)品的性能要求的不斷提高，為推動(dòng)氣彈簧技術(shù)進(jìn)步、提高產(chǎn)品質(zhì)量及促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，全國(guó)彈簧標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在總結(jié)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 8064.1—1996 壓縮氣彈簧》、《JB/T 8064.2—1996 可鎖定氣彈簧》和汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QC/T 207—1996 汽車用普通氣彈簧》等標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，組織制定了兩項(xiàng)氣彈簧技術(shù)條件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 25750—2010 可鎖定氣彈簧技術(shù)條件》及《GB/T 25751—2010 壓縮氣彈簧技術(shù)條件》，并于 2010 年正式發(fā)布實(shí)施[4][5][6][7]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定的高低溫環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)納入了標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。
    氣彈簧最廣泛的使用范圍為汽車工業(yè)，由于汽車行駛環(huán)境溫度變化較大，對(duì)氣彈簧在不同環(huán)境溫度下的使用性能提出了越來(lái)越高的要求。氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)是模擬氣彈簧在高溫以及低溫環(huán)境下工作的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法，可以正確地評(píng)價(jià)氣彈簧在不同環(huán)境溫度下的疲勞特性。根據(jù)《GB/T 25751—2010 壓縮氣彈簧技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，氣彈簧要在低溫-40℃和高溫+80℃的環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)壽命試驗(yàn),試驗(yàn)后其公稱力的衰減量作為氣彈簧的重要性能指標(biāo)之一。
目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)定型的商品化的氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，絕大部分氣彈簧生產(chǎn)廠仍沿用高低溫儲(chǔ)存疲勞試驗(yàn)，即將氣彈簧放置在高溫箱及低溫箱中保持一段時(shí)間后取出，在室溫狀態(tài)上進(jìn)行疲勞循環(huán)試驗(yàn)[8] [9]，此時(shí)氣彈簧已經(jīng)處于常溫狀態(tài)，并不能真實(shí)地模擬氣彈簧的實(shí)際使用狀況。
   國(guó)內(nèi)外發(fā)展技術(shù)現(xiàn)狀
目前，國(guó)際上規(guī)模較大、技術(shù)較成熟的氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)主要有德國(guó)的 STABLIUS公司、DICTATOR 公司、SUSPA 公司以及瑞典的 KALLER 公司等。這些生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的氣彈簧產(chǎn)品種類較多，通過(guò)對(duì)氣彈簧內(nèi)部機(jī)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)，可以達(dá)到不同場(chǎng)合的使用要求。其生產(chǎn)的氣彈簧產(chǎn)品性能穩(wěn)定，工作可靠，幾乎壟斷了高端氣彈簧市場(chǎng)。
  國(guó)外生產(chǎn)的氣彈簧主要工作溫度均為-10℃（使用防凍油液可達(dá)-30℃）~+80℃。在產(chǎn)品出廠前，各制造廠均會(huì)對(duì)氣彈簧的疲勞特性進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)包括低溫狀態(tài)、常溫狀態(tài)以及高溫狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)，不同試驗(yàn)狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)均采用不同的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。
目前尚無(wú)氣彈簧性能檢測(cè)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)外國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，大部分的氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)均依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或合同要求進(jìn)行生產(chǎn)和相關(guān)試驗(yàn)。各大生產(chǎn)企業(yè)幾乎都是根據(jù)自身使用條件開(kāi)發(fā)相應(yīng)的檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備以進(jìn)行試驗(yàn)。如美國(guó)某汽車公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氣彈簧的高低溫疲勞試驗(yàn)規(guī)定如下：將氣彈簧總成用金屬部件夾持，以 6 次/分鐘的速度對(duì)其加以循環(huán)載荷。先將其放置在+25℃±1.8℃的環(huán)境溫度下，進(jìn)行 6600 次循環(huán)試驗(yàn)；然后將其放置在-28℃±1.8℃的環(huán)境溫度下,進(jìn)行 200 次循環(huán)試驗(yàn)；最后將氣彈簧總成放置在+32℃±1.8℃的環(huán)境溫度下，進(jìn)行 200 次循環(huán)試驗(yàn)。氣彈簧的公稱力變化應(yīng)不大于 8%。
我國(guó)規(guī)模較大的氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)有 100 多家，主要分布在浙江、江蘇、上海、廣東和山東等地。相對(duì)于上述國(guó)際知名氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)，我國(guó)氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)以生產(chǎn)制造型為主，在相關(guān)的理論研究及試驗(yàn)方面投入較少。由于較早的氣彈簧行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)氣彈簧在高低溫環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行規(guī)定，且絕大部分企業(yè)都不具備高低溫環(huán)境疲勞試驗(yàn)的檢測(cè)能力，目前仍沿用常溫狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)和高低溫貯存疲勞試驗(yàn)方法。
從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，全國(guó)彈簧標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)就開(kāi)始組織相關(guān)企業(yè)進(jìn)行氣彈簧疲勞性能方面的研究工作，對(duì)氣彈簧產(chǎn)品進(jìn)行了大量的檢測(cè)試驗(yàn)并取得了手?jǐn)?shù)據(jù)。但限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平及試驗(yàn)?zāi)芰Φ闹萍s，研究的深度及系統(tǒng)性不夠。
   研究意義及目的
   氣彈簧在我國(guó)是一個(gè)起步較晚的行業(yè)，也是一個(gè)比較小的行業(yè)，隨著我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，對(duì)氣彈簧產(chǎn)品安全穩(wěn)定工作的性能要求也日益提高，而氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)及第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)氣彈簧性能檢測(cè)設(shè)備則顯現(xiàn)出明顯不足。
   近些年來(lái)，基礎(chǔ)零部件行業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)高檔產(chǎn)品的需求呈上升趨勢(shì)，中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心配備的試驗(yàn)設(shè)備只能進(jìn)行氣彈簧力學(xué)性能試驗(yàn)及常溫疲勞試驗(yàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增大的檢測(cè)試驗(yàn)需求。亟需增加一臺(tái)高低溫疲勞試驗(yàn)機(jī)，以填補(bǔ)試驗(yàn)室在此領(lǐng)域的空白。
   機(jī)械工業(yè)通用零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，作為國(guó)內(nèi)針對(duì)氣彈簧產(chǎn)品的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，具備氣彈簧常規(guī)檢測(cè)能力，可以進(jìn)行氣彈簧力學(xué)性能試驗(yàn)及常溫疲勞試驗(yàn)，但目前尚不具備氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)手段。
國(guó)內(nèi)已有企業(yè)在原有常溫疲勞試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，自行開(kāi)發(fā)了氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)裝置，但其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且缺少試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，尚不能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，仍未形成商品化的產(chǎn)品。
研發(fā)氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)使用同一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行高溫及低溫兩種不同的環(huán)境狀態(tài)下的氣彈簧疲勞試驗(yàn)的檢測(cè)，，為機(jī)械工業(yè)通用零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心及氣彈簧行業(yè)提供滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求的試驗(yàn)手段，對(duì)推動(dòng)我國(guó)的氣彈簧行業(yè)的生產(chǎn)制造和質(zhì)量保證，提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義。
研究?jī)?nèi)容
對(duì)氣彈簧進(jìn)行理論分析，提出氣彈簧疲勞試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。對(duì)氣彈簧在高低溫環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行理論分析研究，在不同的環(huán)境溫度下對(duì)氣彈簧產(chǎn)品進(jìn)行加速疲勞試驗(yàn)獲取氣彈簧的疲勞特性隨溫度變化的關(guān)系。采集試驗(yàn)過(guò)程中氣彈簧的彈簧力的變化以及氣彈簧油液的泄露量，分析解釋氣彈簧在不同環(huán)境溫度下的疲勞失效形式及原因。
通過(guò)對(duì)氣彈簧動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、機(jī)電控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)以下氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)：
1）測(cè)量氣彈簧行程范圍 S：1~250mm；
2）測(cè)量氣彈簧長(zhǎng)度范圍 L：100~800mm；
3）試驗(yàn)頻率范圍：0.03~0.1Hz（2~6 次/min）；
4）加載范圍：0~3000N；
5）溫度范圍：-60℃～+120℃；
6）溫度波動(dòng)度：±1℃；
7）溫度均勻度：≤2.0℃；
8）溫度偏差：±2.0℃；
9）試驗(yàn)機(jī)符合 GB/T 25751—2010 技術(shù)要求；
第二章 氣彈簧高低溫疲勞試驗(yàn)分析
   氣彈簧按照不同的結(jié)構(gòu)形式，可分為壓縮氣彈簧與可鎖定氣彈簧兩大類。壓縮氣彈簧是指在無(wú)外力作用下活塞桿呈自由伸展?fàn)顟B(tài)，在承受大于其舉升力的外力時(shí)收縮，達(dá)到力平衡或壓縮終點(diǎn)時(shí)停止，外力撤出或減小時(shí)回彈的氣彈簧?？涉i定氣彈簧基本原理與壓縮氣彈簧類似，增加了鎖定機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)有所不同。本文以壓縮氣彈簧（文中簡(jiǎn)稱氣彈簧）為研究對(duì)象，研究其他類型氣彈簧時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)的不同和控制上的差異。
2.1 簡(jiǎn)化氣彈簧
為了建立合理的數(shù)學(xué)模型以說(shuō)明氣彈簧的特性，首先將氣彈簧進(jìn)行簡(jiǎn)化，缸筒簡(jiǎn)化為剛性體，并假定介質(zhì)為理想的線性彈性體，不考慮氣彈簧內(nèi)部摩擦以及溫度變化的影響。圖 2-1 為簡(jiǎn)化氣彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖。
 
2.1.1 簡(jiǎn)化氣彈簧的力特性
   如圖 2-1 所示，在外部施加壓力 的狀態(tài)下，設(shè)橫截面積為的活塞桿在橫截面積為
的缸筒中沿軸向運(yùn)動(dòng)?；钊麠U與缸筒之間密封，活塞上有一阻尼孔使活塞兩側(cè)聯(lián)通，介質(zhì)壓力為 。在有效工作行程中的任意位置，壓力平衡時(shí)均有：
 
   由公式(2-1)可知, 在簡(jiǎn)化氣彈簧中, 彈簧力 是缸筒內(nèi)的壓力 與活塞桿橫截面積的乘積。
設(shè)氣彈簧完全伸展?fàn)顟B(tài)下的活塞位置為S，對(duì)應(yīng)于此狀態(tài)下的缸筒內(nèi)壓力為，此時(shí)氣彈簧作用力如下：
 
   現(xiàn)將氣彈簧完全伸展?fàn)顟B(tài)以及完全壓縮狀態(tài)下的彈簧力對(duì)應(yīng)地繪制于圖 2-1中，可以看出，在簡(jiǎn)化狀態(tài)下，彈簧作用力與進(jìn)入缸筒內(nèi)的活塞桿長(zhǎng)度呈線性關(guān)系。將氣彈簧的壓縮與 伸展過(guò)程簡(jiǎn)化為符合公式 (2-2) 的熱力學(xué)多方過(guò)程（Polytropic Equation）。由氣體特性可知，缸筒內(nèi)的壓力與氣體體積之間的關(guān)系為：
 
式中： 為缸筒內(nèi)氣體壓力；為缸筒內(nèi)氣體體積；為多方指數(shù)，為實(shí)數(shù)；為常數(shù)；在恒溫狀態(tài)下（即保證活塞桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中缸筒內(nèi)的氣體溫度保持不變）。熱力學(xué)多方方程與理想氣體狀態(tài)方程（克拉伯龍方程）等價(jià)。
 
 
 
是氣彈簧完全伸展?fàn)顟B(tài)下的可壓縮氣體體積，即氣彈簧的活塞桿處于位置時(shí)的體積。 是活塞桿壓入缸筒內(nèi)的長(zhǎng)度。由公式(2-1)可知，對(duì)氣彈簧力特性有影響的因素有以下幾個(gè)：
——完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)缸筒內(nèi)氣體的壓力；
——活塞桿的橫截面積；
——可壓縮氣體的體積
或者缸筒的橫截面積；
公式(2-1)中假設(shè)則可簡(jiǎn)化如下：
通過(guò)改變公式(2-1)中可變參數(shù)的值，可以得出如圖 2-2 所示的特性曲線。
 
 
    從圖 2-2 可以看出，在氣彈簧活塞桿橫截面積及缸筒的橫截面積不變的情況下，隨著完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)缸筒內(nèi)氣體的壓力的增大，彈簧特性會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)向上的偏移。在氣彈簧完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)缸筒內(nèi)氣體的壓力及缸筒的橫截面積不變的情況下，隨著活塞桿的橫截面積
的增大，彈簧特性會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)向上偏移。在氣彈簧完全伸展?fàn)顟B(tài)附近，彈簧特性呈線性上升趨勢(shì)；在氣彈簧完全壓縮狀態(tài)附近，彈簧特性呈指數(shù)上升趨勢(shì)。在氣彈簧完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)缸筒內(nèi)氣體的壓力及活塞桿橫截面積不變的情況下，隨著缸筒橫截面積的減小，彈簧特性呈指數(shù)上升趨勢(shì)。
2.1.2 簡(jiǎn)化氣彈簧的彈簧特性和剛度
    文中引入彈力比率 表示氣彈簧在完全壓縮狀態(tài)時(shí)的公稱力與完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)的公稱力
的比值。此值與彈簧特性曲線是否呈線性無(wú)關(guān)。即：
 
由公式(2-1)可以看出，為了要得到更小的彈力比率 ，可以增大缸筒的體積或減小活塞桿的橫截面積。將公式(2-1)進(jìn)行微分，可以得到時(shí)的彈簧剛度 如下：
 
假定氣彈簧的彈簧特性為線性，則彈簧剛度可以通過(guò)對(duì)彈簧特性的增加率計(jì)算如下：
 
通過(guò)以上分析可以看出，氣彈簧的剛度特性可以用氣彈簧的基本參數(shù)與彈簧特性表示。
  實(shí)際氣彈簧
   氣彈簧在實(shí)際使用過(guò)程中，會(huì)受到密封件的摩擦阻力、阻尼孔的流體阻力以及缸筒內(nèi)溫度變化等因素的影響而表現(xiàn)出與簡(jiǎn)化氣彈簧不同的彈簧特性。下面對(duì)實(shí)際氣彈簧的彈簧特性展開(kāi)分析。
2.2.1 實(shí)際氣彈簧的彈簧力和彈簧特性
   圖 2-4 為實(shí)際氣彈簧的彈性特性的分析圖。從圖 2-4 中可以看出，氣彈簧在 A 點(diǎn)處于完全伸展?fàn)顟B(tài)，此時(shí)施加外力，彈性特性曲線沿箭頭方向從 A 點(diǎn)向 B 點(diǎn)變化，氣彈簧在 B 點(diǎn)處被完全壓縮。撤除外力后，其彈簧力并非按 B-A 變化，而是沿平行于 B-A 的一條曲線變化。在此過(guò)程中，必須克服與運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦力。而整個(gè)過(guò)程中彈簧力的方向始終不變，壓縮和回彈過(guò)程中彈簧力與摩擦力合成的變化形成了回滯現(xiàn)象，氣彈簧伸展力與壓縮力與簡(jiǎn)化氣彈簧的彈簧力的差值基本相同，動(dòng)態(tài)摩擦力的存在是因?yàn)樽枘峥變?nèi)的流體阻力以及密封件之間滑動(dòng)摩擦力的綜合作用。不同種類摩擦力的產(chǎn)生及其大小取決于氣彈簧的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果活塞桿處于壓縮狀態(tài)或伸展?fàn)顟B(tài)，則動(dòng)態(tài)摩擦力作為摩擦力出現(xiàn)；當(dāng)活塞桿處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，靜態(tài)摩擦力作為摩擦力出現(xiàn)。
 
 
     針對(duì)上述的實(shí)際氣彈簧在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的這兩種摩擦力的區(qū)別可以對(duì)應(yīng)地進(jìn)行兩種不同類型的測(cè)量。
1) 動(dòng)態(tài)測(cè)量法
   氣彈簧以一個(gè)恒定的速率從完全伸展位置被壓縮至完全壓縮位置。之后，活塞桿以某種可控制的方式以相同的速率伸展。測(cè)量和記錄整個(gè)過(guò)程中的力特性并繪制力-位移曲線。
氣彈簧伸展或壓縮過(guò)程中的流體阻力依賴于測(cè)量或調(diào)整的速度。因此，對(duì)應(yīng)較大的壓縮或伸展速度，會(huì)產(chǎn)生更大的動(dòng)摩擦力；對(duì)應(yīng)較小的壓縮或伸展速度，則動(dòng)摩擦力也會(huì)相應(yīng)減小。流體阻力同時(shí)也受阻尼孔形狀和大小的影響。
2) 靜態(tài)測(cè)量法
    與動(dòng)態(tài)測(cè)量法類似，靜態(tài)測(cè)量也是在恒定的速度下進(jìn)行的測(cè)量，只是在測(cè)量某點(diǎn)時(shí)中斷活塞桿的運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量彈簧力，將整個(gè)狀態(tài)下的力特性記錄下來(lái)并繪制力-位移曲線。根據(jù)圖 2-4 可知，氣彈簧伸展力和壓縮力與簡(jiǎn)化氣彈簧的彈簧力的差值基本相同，靜態(tài)摩擦力的產(chǎn)生是因?yàn)槊芊獠考g存在靜態(tài)摩擦力。靜態(tài)摩擦力通常大于動(dòng)態(tài)摩擦力，因此在活塞桿的伸展過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于靜態(tài)摩擦力的彈簧力要大于對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)摩擦力的彈簧力。
上述兩種不同的測(cè)試方法均是在標(biāo)準(zhǔn)室溫下進(jìn)行的。為了獲得可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果，在進(jìn)行測(cè)量之前要預(yù)先進(jìn)行兩次預(yù)壓縮。圖 2-5 表示出氣彈簧運(yùn)行過(guò)程中前三個(gè)行程中的彈簧特性。
 
     在第 1 次行程中最初處出現(xiàn)的峰值力被稱為氣彈簧啟動(dòng)力。氣彈簧啟動(dòng)力會(huì)在氣彈簧初次使用或長(zhǎng)期未使用時(shí)出現(xiàn)，這是因?yàn)槊芊馊ο碌臐?rùn)滑劑不足而造成靜摩擦力增加。第 2 行程和第 3 行程所測(cè)得數(shù)據(jù)基本相同，是因?yàn)榇藭r(shí)氣彈簧啟動(dòng)力已經(jīng)被消除掉了。
   綜上所述，彈簧力的大小可以由缸筒內(nèi)的初始?jí)毫?，彈簧特性的大小以及氣彈簧形狀尺寸（缸筒和活塞桿的橫截面積）所決定。
    氣彈簧的使用壽命
    氣彈簧的使用壽命可以用其完全伸縮并且正常工作的次數(shù)來(lái)表征。一般的氣彈簧都是按照能夠運(yùn)行 50,000 次而不發(fā)生失效來(lái)設(shè)計(jì)的。根據(jù)氣彈簧的不同使用要求，經(jīng)常會(huì)對(duì)氣彈簧的使用壽命提出更高的要求，例如在旋轉(zhuǎn)座椅中使用的氣彈簧要求其可以達(dá)到使用一百萬(wàn)次不發(fā)生失效。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 25751—2010 中的 6.5.2 款對(duì)氣彈簧的環(huán)境循環(huán)壽命做出了詳細(xì)的規(guī)定：使用環(huán)境惡劣的氣彈簧經(jīng)-40℃ 1000 次和+80℃ 1000 次高低溫動(dòng)態(tài)循
環(huán)疲勞壽命試驗(yàn)后，其公稱力的衰減量應(yīng)不大于 5%。經(jīng)高低溫動(dòng)態(tài)循環(huán)壽命試驗(yàn)的氣彈簧，再經(jīng)常溫 18000 次循環(huán)壽命（行程≤200mm 時(shí)，按實(shí)際行程；行程＞15200mm 時(shí)，按 200mm）試驗(yàn)后，其公稱力的總衰減量應(yīng)不大于 13%，其動(dòng)態(tài)摩擦力應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T 25751—2010 中表 2 的規(guī)定，油液帶出量應(yīng)小于 0.5g。
2.4 氣彈簧疲勞失效分析
    總體而言，氣彈簧發(fā)生疲勞失效是不同原因綜合作用的結(jié)果。但氣彈簧在不同
的環(huán)境溫度下使用時(shí)，其使用性能及使用壽命也存在差異。在常溫情況下，氣彈簧的疲勞失效的發(fā)生主要表現(xiàn)為由于密封件老化引起的漏油漏氣、氣彈簧缸體因活塞與缸體之間的摩擦力作用變形而導(dǎo)致的卡阻、缸筒內(nèi)油氣混合的自然泄露而產(chǎn)生的舉升力不足、自鎖力減小甚至為零等。
   氣彈簧的密封屬于接觸式密封，接觸式密封是指密封件與被密封件之間相接觸的一類密封方式。摩擦和磨損是氣彈簧密封圈損壞的主要形式，動(dòng)密封間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致發(fā)熱和零件表面的磨損，最終引起氣體泄漏及密封件損壞；磨損程度取決于摩擦力的大小，當(dāng)壓力缸內(nèi)的壓力逐漸增大時(shí)，密封圈與缸體之間的接觸面積和摩擦力也隨之增大。在氣彈簧的使用過(guò)程中，橡膠密封在摩擦功的作用下，表面因產(chǎn)生疲勞而磨損；同時(shí)，橡膠產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)引起橡膠內(nèi)部生熱，從而導(dǎo)致表面老化。在常溫情況下，環(huán)境溫度對(duì)氣彈簧各零部件的影響較小，因此可以不考慮溫度對(duì)其使用壽命的影響。此時(shí)，氣彈簧失效的主要原因?yàn)楦髁悴考谥圃爝^(guò)程中的誤差以及密封零件的老化。氣彈簧本身的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響氣彈簧的使用性能，若氣彈簧的工作行程過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)降低氣彈簧的穩(wěn)定性，氣彈簧的活塞桿在受力后產(chǎn)生形變，會(huì)加重活塞桿與缸筒內(nèi)壁以及活塞桿與密封元件之間的摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致缸筒的內(nèi)壁和密封件磨損，造成氣密性下降。而且，氣彈簧在工作的過(guò)程中如果受到外界碰撞，會(huì)導(dǎo)致氣彈簧的內(nèi)壁表面形成凹凸痕跡，此種情況下，活塞桿在伸展和壓縮的過(guò)程中會(huì)引起密封件的劃傷和磨損，從而導(dǎo)致油液泄漏的產(chǎn)生，最終影響氣彈簧的彈簧力。
    在高溫環(huán)境下工作的氣彈簧，因其工作溫度高，油液介質(zhì)的壓力增大，密封材料的彈性模量下降，直接導(dǎo)致剛度下降，承載能力變小，氣彈簧缸筒內(nèi)氣體溫度升高加速了橡膠密封的熱氧老化反應(yīng)及性能變質(zhì)。因此要求其密封材料有較好的熱穩(wěn)定性、抗松弛或蠕變能力、抗氧化能力、耐介質(zhì)腐蝕能力。密封元件的老化會(huì)導(dǎo)致氣彈簧出現(xiàn)漏油漏氣現(xiàn)象，最終導(dǎo)致失效。在高溫環(huán)境下，氣彈簧內(nèi)部填充的油氣混合物的粘度會(huì)較之常溫狀態(tài)時(shí)變小，加重油液介質(zhì)泄漏，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致氣彈簧舉升力不足。在低溫下工作的氣彈簧，要求其材料應(yīng)具有良好的低溫韌性。低溫下氣彈簧缸
    16筒內(nèi)的油液混合介質(zhì)的粘度會(huì)增大，從而導(dǎo)致氣彈簧在運(yùn)行過(guò)程中的阻力增大、加
速各零部件之間的磨損，失穩(wěn)危險(xiǎn)性加大，從而導(dǎo)致配合間隙增大，形成溝槽而最終導(dǎo)致油氣泄漏而失效。氣彈簧的密封件一般為非金屬材料，對(duì)溫度的敏感性高，在高溫、低溫和高低溫環(huán)境交替條件下會(huì)加速老化而失去彈性，影響密封，情況較嚴(yán)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)龜裂、硬化等情況，對(duì)氣彈簧的使用壽命產(chǎn)生明顯影響。氣彈簧在惡劣環(huán)境溫度下的加速試驗(yàn)可以縮短疲勞試驗(yàn)周期，在最短時(shí)間內(nèi)使氣彈簧發(fā)生疲勞失效。因此，在的氣彈簧發(fā)展?fàn)顩r下，我國(guó)新國(guó)標(biāo)對(duì)氣彈簧高溫及低溫環(huán)境下的循環(huán)壽命試驗(yàn)做出了詳細(xì)規(guī)定。
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