空气悬架的设计讲解

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1、 空气悬架设计悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的所有传力连接装置的总称。1 空气悬架的优势空气弹簧的运动性能特点是：负载能力可调；弹性系数随负载变化；负载变化时,固有频率几乎不变；固有频率较低。这些特点决定了空气悬架具有以下优点：1） 较理想的弹性特性（1） 空、满载之间有高度控制阀调节气压，具有较好的等频性；（2） 振动时，假定没有充放气，弹性特性曲线呈非线性，增大动容量，防止悬架击穿。若反跳行程由减振器或其它机构实施弹性限位，则弹性特性呈反S形的理想特性。2） 可设计成较低的刚度，提高平顺性，不会因为空、满载之间静挠度变化太大，车高超标而受到限制。3） 几乎消除了全部库伦阻尼

2、，使悬架系统全部由粘性阻尼消振，其效果是：（1） 消除高频微幅振动的锁止作用，改善高频域的传递特性，减小高频动刚度。（2） 消除悬架响声。但是，若减振器阻尼值不可调节，则阻尼比因载荷变化而变化，无法同时满足空载和满载的要求，只能取折衷值。而库伦阻尼恰与载荷成正比变化，所以像载货车这种后轴负荷变化很大的车型，后悬架采用库伦阻尼值大的多片钢板弹簧，对于保持空、满载阻尼比变化较小是有利的。4） 高度控制阀除了自动调节设计位置的车身高度不变之外，还可用来调节车身抬高或下降（下跪），以提高车身通过性或方便乘客上、下车。5） 减少电气、空调、排气系统、车桥、车身和底盘的维修成本。6） 减少对道路的冲击，保

3、护路面，降低高速公路的维修费用7） )延长车辆的使用寿命并增加折旧值2 空气悬架的功能及构成1）空气悬架的功能： （1）把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，保证汽车的正常行驶，即起传力作用；（2）利用弹性元件和减振器起到缓冲减振的作用；（3）利用悬架的某些传力构件使车轮按一定轨迹相对于车架或车身跳动，即起导向作用；（4）利用悬架中的辅助弹性元件横向稳定器，防止车身在转向等行驶情况下发生过大的侧向倾斜；（5）调节汽车行驶中的车身位置。2）从悬架的结构功能而言，我们可以将空气悬架系统细分为以下几大部件：（1）弹性元件起缓冲作用；（2

4、）减振元件起减振作用；（3）导向机构起传力和导向作用；（4）横向稳定器防止车身产生过大侧倾。（5）高度控制系统保持车身高度在要求范围内。（6）联接机构让各零件与车架、车桥相连。3 空气悬架的设计原则3.1 减振系统的设计设计目标：偏频单自由度系统自然振动固有频率（客车）：现阶段8085cpm(1.3-1.4Hz)；高级阶段（路面不平度进一步提高后）6570cpm(1.1-1.16Hz)。阻尼理论上的阻尼比（相对阻尼系数）为0.33-0.35（1） 按经验公式选择减振器复原阻力时取上限或超上限值；（2） 有条件时，采用可调阻尼减振器，目前可供选择的有电磁流变改变粘度及继电器改变阻尼孔尺寸两种。有

5、手控、自控两类，按载荷及按路面不平度输入来调节。3.1.1空气弹簧的选型1） 类型的选择（3） 囊式（葫芦形），有单曲、双曲、三曲根据振动行程大小和刚度的要求来选择。目前除轨道车辆和设备基础外很少采用。优缺点： 橡胶囊的应力小，寿命很长。 制造工艺简单，零件数量少，成本低。 因有效面积变化率很大，所以空气弹簧的刚度较大，满足不了低偏频车型的要求。（4） 膜片式（活塞式），囊体有全橡胶型和金属壳连接橡胶膜片两种，目前采用前者较多。优缺点： 弹性特性与活塞形状有关，可以根据需要设计不同轮廓线的活塞。 因有效面积变化率较小，一般情况下刚度较低，不必增加辅助气室。活塞内腔可根据刚度要求设计成不储气或储

6、气的。 金属件数量较多，制造成本高，特别是产量不大成本更高。2） 空气弹簧的布置及空气悬架分类（1） 全空气悬架：系统垂直振动的弹性作用全部由空气弹簧承担。（2） 复合式空气悬架：系统垂直振动的弹性作用75以上由空气弹簧承担。（3） 辅助式空气悬架：系统垂直振动的弹性作用75以下由空气弹簧承担。3） 刚度计算公式（1） 空气弹簧刚度计算公式，式中：k为多变指数，取1.33 ：为空气弹簧相对内压 AA：为有效面积 dA/dx：为有效面积变化率(查气囊曲线图) VA:为有效容积 pa=10 N/cm2为标准大气压;（2） 全空气悬架的刚度为空气弹簧刚度或多个空气弹簧刚度折算到车轴上的刚度之和（除以

7、杠杆比平方）。（3） 复合式空气悬架的刚度为空气弹簧刚度和其它弹簧刚度折算到车轴上的刚度之和。 式中：CA：空气弹簧刚度：杠杆比为空气弹簧刚度/板簧刚度（4） 公式中的相对内压prA、有效面积AA、有效容积VA及有效面积变化率dA/dx等的特性曲线均由试验确定，应由空气弹簧供应商提供。目前还没有办法用理论的方法按气囊的结构参数和尺寸来推算（虽有学者做过这类工作，但不成熟）4） 悬架偏频计算公式：悬架系统的固有振动频率 式中：N悬架固有振动频率（HZ）悬架单边负载（N）空气悬架的刚度（N/cm） 对于全空气悬架系统，悬架系统的固有振动频率即为空气弹簧的固有振动频率。3.1.2减振器的选型1）减振

8、器阻尼的确定 设计减振器时应当满足的基本要求是，在使用期间保证汽车行驶平顺性的性能稳定。 减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力F与减振器振动速度v之间有如下关系 (6-30)式中，为减振器阻尼系数。汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数的大小来评定振动衰减的快慢程度。的表达式为式中，c为悬架系统垂直刚度：ms为簧上质量。 式(631)表明，相对阻尼系数的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度c和不同簧上质量ms的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身；值小则反之。通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数y取得小些

9、，伸张行程时的相对阻尼系数s取得大些。两者之间保持中y=(02505) s的关系。 设计时，先选取y与s的平均值。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取=025035。对于行驶路面条件较差的汽车，值应取大些，一般取s03；为避免悬架碰撞车架，取y=05s。 减振器阻尼系数。因悬架系统固有振动角频率，所以理论上。实际上应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。例如，当减振器如图640a安装时，减振器阻尼系数用下式计算式中，n为双横臂悬架的下臂长；a为减振器在下横臂上的连接点到下横臂在车身上的铰接点之间的距离。 减振器如图640b所示安装时，减振器的阻尼系数用下式计算式中，为减振器轴线与铅垂线之间的夹角

10、。 减振器如图640c所示安装时，减振器的阻尼系数用下式计算分析式(632)式(634)可知：在下横臂长度n不变的条件下，改变减振器在下横臂上的固定点位置或者减振器轴线与铅垂线之间的夹角，会影响减振器阻尼系数的变化。2）减振器行程的确定减振器的行程为压缩行程与拉伸行程之和。前者取决于悬架上跳行程限位块的设计，最好以“铁碰铁”来确定，也可按悬架动载（可取静载的2.5倍）分摊给限位块的压缩量加上动行程（限位块开始接触）来求得。减振器的压缩行程要比悬架上跳行程大510mm，以免万一顶弯连杆。拉伸行程取决于悬架反跳行程的限位值，空气悬架多数利用减振器作为反向限位，其限位值就是减振器的拉伸行程，其大小取

11、决于空气弹簧本身规定的最大拉伸量。减振器拉伸限位器完全限位时的行程要略小于空气弹簧允许的最大拉伸量。计算行程时要计算杠杆比的影响。减振器的长度尺寸Lmin=L0+SLmax=Lmin+S=L0+2S式中：Lmax、Lmin为减振器最大、最小长度S为减振器总行程L0为减振器基长，为设计的基本指标。减振器规格的最终确认，只能通过试验，达到满意的平顺性和可靠性之后才算完成。3.2 导向系统的设计设计目标：确保桥与车架间的定位，并传递纵向力和横向力。1） 结构介绍空气悬架的导向杆系是变化最多，最富有创造性，也是较难设计好的系统。下面仅就目前常见的几种导向系统方案以及设计时应注意的事项做简要介绍。（1）

12、 独立悬架客车独立悬架都是采用不等长双横臂结构，空气弹簧坐落在上臂，只用在前悬架。独立悬架的本质优点是： 角刚度特别大，在同等条件下可以大大减小垂直刚度，使偏频降低，提高平顺性。 簧下质量减小，使簧上、簧下质量比值变大，可减小车轮对路面的动载荷。 减小陀螺效应，对高速行驶的车辆可避免引起转向轮摆振。缺点： 结构较复杂，成本增加。 可靠性往往不易保证，容易引发铰链松动、摆振、跑偏、轮胎磨损等。（2） 纵置四连杆机构，即双纵臂前、后悬架皆可采用，常见的布置型式有： 下2纵，上1纵1横，有时下纵臂同时承载。 下2 纵、上V形杆。 下V形杆，上2纵，多用于超低地板客车。 上、下均为2纵，再加1横杆。这

13、种结构4根纵杆必须等长、平行，侧倾时才不会产生运动干涉。（3） 单纵臂加柔性连接，起稳定杆作用，但运动轨迹不好 刚性臂加双个橡胶套铰链。 刚性臂后端连扭力轴。 板簧立置（相当于刚性臂，但横向柔性大）并于前轴刚性连接，前轴成为扭力梁。（4） 钢板弹簧复合型导向 半椭圆板簧与气簧并联，纵向及横向均由板簧导向，结构简单，但整体悬架刚度降低不下来。 四分之一椭圆板簧导向，采用大刚度少片簧，起稳定杆作用，但整体悬架刚度仍较低。缺点是运动轨迹不好，车桥倾角变化大。往往在板簧延伸段布置气簧，形成一定杠杆比，为半空气悬架（即复合式空气悬架）。若气簧置于车轴上，杠杆比为1，板簧不承受垂直载荷，即为全空气悬架。（

14、5） A形架实质上是单纵臂刚性连接，前铰链点合并在中间一个点，臂长应尽可能大，所以只用在后悬架。要装横向拉杆传递侧向力。2） 设计要点（1） 所有橡胶铰链必须设计得可靠耐用。所有橡胶衬套各向位移时只能是橡胶变形，绝不能使橡胶与金属间发生相对滑动。这只能靠选择合适的自由面积和封闭面积，加上合适的粘结或预压缩量来实现。有的橡胶衬套为了消除扭转应力，让轴销与橡胶之间可相对转动。这时要加一铜套或复合衬套，内腔有润滑脂且密封好，可绕轴销转动，外圆与橡胶粘度或压配，没有相对滑动。凡是与金属粘接的橡胶都会产生收缩应力（拉应力），对橡胶使用寿命很不利。对于自由面小，粘接面（封闭面）大的衬套，收缩应力很大，甚至未使用就已有裂纹。对这种衬套，应采用施加预压缩的方法来消除收缩应力，转变成为压缩预应力，可大大提高使用寿命。目前有些衬套采用聚胺脂橡胶，因其特好的强度和耐磨性，工作时可以又变形又滑动，仍有可观的使用寿命。（2） 运动轨迹的校核。导向杆系决定了车轴的运动，所有与车轴连接的其它部件都可能产生运动干涉，引起跑偏、摆振、响声、磨损、磕碰等问题。所以必须对转向纵拉杆、横拉杆（对于独立悬架）、传动轴、气簧底座（活塞）等进行干涉校核，并控制在许用值以内