空气悬架的设计要点

空气悬架的设计要点

一、采用空气悬架的目的――改善汽车使用性能 1．改善平顺性，减小车轮对地面动载 1）影响平顺性的三个主要系统： （1） 轮胎 （2） 悬架 （3） 座椅

2）影响车轮动载的主要因素： （1） 轮胎刚度 （2） 悬架刚度与阻尼

（3） 簧上质量与簧下质量的比值

2．空气悬架应达到较好的平顺性指标，才有被选用的价值（改善平顺性的同时，也减小了车轮动载）

1）在B级路面，以50km/h匀速行驶，后轴上方座椅的垂直振动加速度响应Leg≤113dB（或按ISO2631计算耐疲劳限达到4－5h）。

2）偏频――单自由度系统自然振动固有频率（客车）： （1） 板簧：95－105cpm(1.6-1.75Hz)； （2） 气簧：

① 现阶段80－85cpm(1.3-1.4Hz)；

② 高级阶段（路面不平度进一步提高后）65－70cpm(1.1-1.16Hz)。 3）阻尼――理论上的阻尼比为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。有手控、自控两类，按载荷及按路面不平度输入来调节。

4）抗侧倾能力，应在0.4g侧向加速度条件下,稳态侧倾角Φ≤5－6゜。

3．充分认识并利用空气悬架的优点 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）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。

4）几乎消除了全部库伦阻尼，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。

二、设计、开发空气悬架的六大技术关键 1．空气弹簧（气簧） 1）类型的选择

（1） 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：

① 橡胶囊的应力小，寿命很长。

② 制造工艺简单，零件数量少，成本低。

③ 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。

（2） 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：

① 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。 ② 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气的。

③ 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。

注：弹性作用的度量似应以折算静挠度为宜，参阅复合式空气悬架的计算公式，参见附件A。

3）刚度计算公式

（1） 空气弹簧刚度计算公式，见附件B。注意标准大气压的取值与单位有关。

（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，参见附件C。

（4） 公式中的气压p0、承压面积A、体积V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）空气弹簧的气密性，按标准检验。 （1） 封口气密性 ① 机械式

a. 嵌压式，可靠，但只一次性使用，金属件与气囊一起更换。 b. 螺栓夹紧式，金属件不必更换，但初始成本较高。

② 自封式：成本低，结构简单。封口精度要求较高，否则会漏气。悬架反向限位要可靠，否则会出现行驶中脱囊大事故。

（2） 囊体橡胶的气囊性要好，否则会发生慢漏。

5）气囊的疲劳寿命，按标准试验。目前国外、国内的产品都能满足要求。

2．高度控制阀 1）分类

（1） 有延时作用：控制杆非刚性，即装有弹性件，再加上液压阻尼，使控制杆在较高频率振动时，输出端不运动，因而不开、关阀芯；当慢速运动时，阻尼力很小，输出端随输入端运动而开、闭阀门。这种阀可使空气悬架在行驶中不耗气。

（2） 无延时作用：控制杆刚性联接，直接操纵阀门。结构较简单，成本低。行驶中因车轴不停跳动，高度阀总在充、放气，增加耗气量，且有响声。为减少耗气量，可在阀内或阀外增设节流孔，或将阀门空程加大。对于客车，因上、下乘客载荷变化很慢，采用无延时加节流孔较合适。对于自卸车或一次性加、卸载很大的货车，采用有延时的高度阀较合适。

2）可调节车身高度的高度阀

高档客车要求装有“下跪”调节，可采用调节控制杆的支点位置或连杆长度来实现，也可以另设阀门及管路来控制。车身特别低的客车，可以靠它提高离地间隙，在坏路上改善通过性。

3）电控高度阀

车轴与车身的相对运动靠杠杆控制电量位移传感器，再用其输出电压来控制继电器及气路系统。用电量控制容易实现延时、下跪、举升等要求。

4) 高度阀的布置

高度控制阀的数量及布置有下列几种：

（1）三阀：理论上讲三点定一个平面，所以采用三阀布置最合理。因为采用单阀的悬架，左、右空气弹簧气路相通，其角刚度为零，所以采用前1后2较合理。左、右相通的气簧往往要加节流，使动态侧摇时增加角刚度。 （2）四阀：前、后悬架各2个高度阀，使前、后气簧的角刚度都得到利用。四个阀属于超定位，只适用于在平路面上行驶的客车。

（3）五阀：除了一、二桥采用四阀外，第三桥又装一个高度阀（左、右气簧连通）。这种布置属于严重超定位，有一个高度阀对应的车轮或车轴下落，会将所有的压缩空气放光。装车后高度阀也很难调整。

（4）二阀：前、后悬架各只装一个阀，左、右气簧连通，其角刚度为零，汽车的左、右支撑全靠稳定杆和导向臂来实现。这种布置极罕见。

3．减振器 1）减振器的选型

目前还缺乏理论计算公式可遵循，一般借助经验公式选取复原阻力，再按产品说明书选择工作缸尺寸。由于空气悬架几乎没有库伦阻尼，所以公式中系数应选上限甚至超上限，以期达到理论上的阻尼比0.33-0.35。

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5－10mm，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+S

Lmax=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。

2）阻尼可调的减振器

减振器的阻尼值一般是不变的，在汽车悬架中称为被动悬架，它存在两个缺点：