(1) 悬架载荷变化后,系统阻尼比也变化。即,若满载时阻尼合适,空载时则过大,反之亦然。设计时只能选折衷值,这样,满载时阻尼值就偏小些,空载时则偏大。平顺性总不能保持最佳。
(2) 路面不平度输入不同时,若阻尼比不变,则低频大振幅输入时略显阻尼不足,而高频小振幅输入时又显阻尼过大。所以,阻尼值应随不同路况及车速而改变,才能保持平顺性最佳。
调节减振器阻尼值的方法目前有两种,一种借助电磁阀改变减振器阀门的节流孔大小;另一种靠磁场改变减振器内液体的粘度,即所谓电磁流变原理。控制方法分为手动及自动控制两类,后者则是目前流行的半主动悬架或自适应悬架。空气悬架要达到理想的性能,最终要发展到半主动甚至全主动悬架(阻尼、刚度都自动调节)。
3)有反向限位的减振器
若空气悬架系统中没有反向限位装置(如钢丝绳、钢箍带、半随圆板簧、反向限位块等),就必须利用减振器来实施反向限位。
主要结构有两种:
(1) 橡胶缓冲圈。当活塞被拉伸到最高点前与橡胶圈接触,压缩橡胶圈,阻力急骤增大,起到缓冲限位作用。
(2) 液压节流。当活塞被拉伸到最高点附近,节流孔被关闭,阻力急骤增大,上腔油压也急骤增大,起到缓冲限位作用。
4.抗侧倾能力 1)计算方法及限值
悬架弹簧、稳定杆的角刚度,侧倾力臂以及稳态侧倾角的计算公式见附件D。其中前、后悬架的侧倾中心离地高度可用两种方法来求解:
(1) 利用运动学的方法。根据悬架导向杆系,求车轮相对车身运动的瞬时中心,再划出轮胎接地点到瞬时中心的连线,此连线与汽车对称中心线的交点即是该悬架的侧倾中心。
(2) 利用静力学的方法。有些悬架导向杆系很难求出瞬时中心,则可求出簧上质量与簧下质量之间的侧向力传递的合力中心,根据理论验证,该合力中心就是瞬时中心即侧倾中心。
有些悬架若装有较大弧高的钢板弹簧,侧向力的传递是沿着有弧高的主片,高度在变化。也就是说,簧上与簧下的分界点应选在什么地方?我们建议按比较保守的办法,统一选在车轴上板簧主片的上表面。
空气悬架的抗侧倾能力一般较差,应根据使用要求来确定。我们推荐稳态转向工况,在侧向加速度为0.4g时,侧倾角不大于5-6゜,高档车取下限。悬架角刚度也不宜选太大,因为在坏路行驶,路面角振动输入很大时,悬架反而不能起缓冲作用,汽车的侧向角振动反而更大。
2)提高抗侧倾能力的方法 (1) 采用独立悬架
独立悬架的弹簧跨距就是轮距,一般比非独立悬架要大一倍,使角刚度增到四倍以上。
(2) 加大空气弹簧的跨距
通常是采用香蕉梁或井字架,将气簧布置在轮胎前后。因角刚度与跨距平方成正比,这方法很有效。缺点是重量很大,成本高,质量好坏取决于材料及工艺。 (3) 采用半刚性的单臂导向杆,即导向臂与车轴(或扭力梁)构成一个很强的稳定杆,有以下几种方案:
① 采用刚度很大的四分之一椭圆钢板弹簧,一般为单片或双片少片簧。 ② 刚性单臂通过两个橡胶衬套再与车轴连接。
③ 刚性臂后端通过橡胶衬套再与一根扭力管连接,实质上属扭力梁式悬架。刚性臂可用一个或两个橡胶衬套与车轴连接。
④ 刚性臂直接刚性地与前轴连接,这时,前工字梁就成为扭力梁。 (4) 加装横向稳定杆
一般先加前悬架,角刚度不够时再加后悬架。为了提高不足转向效应,希望前轮偏离角大于后轮,则前悬架角刚度应相对地大于后悬架。
请注意,在一定尺寸限制下,稳定杆的角刚度是有限的,选用过大角刚度会导致应力过高,使用中会塑变或断裂。
(5) 提高弹性元件刚度,包括提高复合式空气悬架中半椭圆板簧的刚度。
这是下策,牺牲了平顺性,但有时对操纵稳定性、抗制动点头有利,应综合考虑。
5.导向杆系
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。本文仅就目前常见的几种方案以及设计时应注意的事项做简要介绍。
1)方案介绍 (1) 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:
① 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。
② 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。
③ 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:
① 结构较复杂,成本增加。
② 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:
① 下2纵,上1纵1横,有时下纵臂同时承载。 ② 下2 纵、上V形杆。
③ 下V形杆,上2纵,多用于超低地板客车。
④ 上、下均为2纵,再加1横杆。这种结构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。 ① 刚性臂加双个橡胶套铰链。 ② 刚性臂后端连扭力轴。
③ 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。
① 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。
② 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。
(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。校核方法一般用作图法,也可列式计算,参阅附件D、E。
导向杆系的布置原则是,运动当量杆与上述部件的杆件应该:一、固定端同向;二、杆线平行;三、杆子等长。完全做到这三点很难,但应依序尽量做到。
(3) 其它考虑。
导向杆系还会影响整车的其它性能,如操纵稳定性中的稳态转向特性(不足、过度转向),主要是侧倾轴转向和侧倾拉杆转向、侧倾时车轮外倾角变化等;以及制动跑偏、制动点头等问题。这些都有专门论著,可参阅附件E、F。例如,转向节臂球头若置于板簧纵扭瞬时中心之上,就会引起右跑偏(对左置转向盘);若前悬架导向杆固定端在前,后导向杆固定端在后,如果悬架刚度较低,往往制动点头角就过大。
6.空气管路及相关系统各元件的气密性
1)空气悬架系统各元件(如:气簧、高度阀、储气筒、单向阀等)及管接头必须有可靠的气密性,并且气路要排除油、水,防锈,否则空气悬架就不可能可靠工作。
2)车的其它系统的元件、管路也应保证气密性,主要是气制动系统、离合器气助力等,它们漏气最终也会使空气弹簧塌下来。在整车各系统没有全面过关之前,建议空气悬架系统采用独立储气筒,并用单向阀与其它系统隔离开,这样可能延长停车后气簧塌下来的时间。
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