汽車用空氣懸架系統(tǒng)

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1、汽車用空氣懸架系統(tǒng) 1空氣懸架發(fā)展概述 空氣彈簧誕生于19世紀(jì)中期，早期用于機(jī)械設(shè)備隔振。1947年，美國(guó)首先在 普爾曼車上使用空氣彈簧，到目前為止，美國(guó)在重型載貨車上空氣懸架的占有率 是85%，比1988年增長(zhǎng)了 54% ;大約82%的拖掛車使用空氣懸架，比10年前 增長(zhǎng)了 15%，歐洲大約與之保持相同的增長(zhǎng)速度。 空氣懸架在輕型貨車上的應(yīng)用 目前雖然只占市場(chǎng)份額的5%，但已呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，火石公司(Firestone) 預(yù)測(cè)到2003年，空氣懸架在輕型車市場(chǎng)占有率將達(dá)到 10%, 2008年將達(dá)到40%。 空氣懸架在旅游車、長(zhǎng)途客車及高速客車市場(chǎng)也占有極大的份額，到 1994年

2、， 聯(lián)邦德國(guó)生產(chǎn)的55種大、中型公共汽車中，已有38種使用了空氣懸架，國(guó)外高 級(jí)大客車幾乎全部使用空氣懸架；部分轎車也逐漸安裝空氣彈簧懸架，如 Benz300SE和 Benz600。 我國(guó)雖然從50年代就開(kāi)始了對(duì)空氣懸架的研究工作，但由于設(shè)計(jì)及制造等 復(fù)雜因素的影響，一直未能得到推廣應(yīng)用。近年來(lái)，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展及國(guó)外 空氣懸架的引進(jìn)，小部分國(guó)產(chǎn)高級(jí)旅游車開(kāi)始采用國(guó)外購(gòu)置的空氣懸架， 如沈陽(yáng) 飛機(jī)汽車制造廠、北方汽車制造廠、廈門金龍聯(lián)合汽車公司、亞星客車集團(tuán)公司、 丹東汽車制造廠等生產(chǎn)的客車。 For pers onal use only in study and research

3、; not for commercial use 隨著空氣懸架應(yīng)用的推廣，對(duì)空氣彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)的研究也得到 了重視。J. R. EVANS等人在1970年做了空氣彈簧垂直特性實(shí)驗(yàn)， 建立空氣彈簧 垂直動(dòng)態(tài)特性模型；1994年做了空氣彈簧的側(cè)向特性實(shí)驗(yàn)，在大頻率和大幅值 情況下，測(cè)量了空氣彈簧在不同載荷下的側(cè)向力和變形。 Katsuya Yoyofuku等通 過(guò)研究振動(dòng)頻率和彈簧反應(yīng)之間的關(guān)系，分析管道和氣室對(duì)彈簧特性變化的影 響。交通部重慶公路科學(xué)研究所的丁良旭對(duì)空氣懸架的一些性能進(jìn)行了探討， 擬 合了空氣彈簧的特性曲線。 Jon Bunne和Roger Jable研究了空氣懸

4、架對(duì)傳動(dòng)系 統(tǒng)振動(dòng)的影響。John Woodrooffe通過(guò)試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)了重型貨車空氣彈簧懸架和 鋼板彈簧懸架的路面附著性和行駛平順性。 2空氣懸架系統(tǒng)的特性 2.1空氣彈簧的特點(diǎn) For pers onal use only in study and research; not for commercial use （1）空氣彈簧具有非線性特性，可將其特性曲線設(shè)計(jì)成理想形狀。如圖 1 所示空氣彈簧特性曲線，靜、動(dòng)剛度隨著載荷的增加而增大。 Si空&禪黃特性曲線 For pers onal use only in study and research; not for

5、commercial use （2） 空氣彈簧質(zhì)量輕，內(nèi)摩擦極小，對(duì)高頻振動(dòng)有很好的隔振、消聲能力。 （3） 空氣彈簧的剛度和承載能力可以通過(guò)調(diào)節(jié)橡膠氣囊內(nèi)的壓力來(lái)調(diào)整。 （4） 空氣彈簧制造工藝復(fù)雜，費(fèi)用高。 2.2空氣懸架對(duì)整車性能的影響 （1） 空氣懸架為剛度可變的非線性懸架。當(dāng)簧載質(zhì)量變化時(shí)，剛度隨之變 化，以保持空載和滿載時(shí)車身高度相同，懸架固有頻率基本不變。根據(jù)需要，可 以選擇不同的氣囊工作高度，獲得理想的固有頻率，從而得到良好的行駛平順性。 （2） 空氣懸架質(zhì)量輕，彈簧剛度低，高速行駛時(shí)，輪胎與地面的附著能力強(qiáng), 制動(dòng)距離短；轉(zhuǎn)向時(shí)，過(guò)多轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向傾向減小，轉(zhuǎn)向穩(wěn)

6、定性強(qiáng)，提高了整 車的操縱穩(wěn)定性。 （3） 空氣彈簧內(nèi)的空氣壓力直接反映了簧載質(zhì)量， 可取空氣壓力作為信號(hào), 控制制動(dòng)缸內(nèi)的氣壓，來(lái)控制制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力，更好地保證了行駛安全性。 （4） 可通過(guò)給空氣彈簧氣囊充氣或放氣來(lái)調(diào)節(jié)車身高度。在平坦的路面上， 降低車身高度，保持空氣阻力系數(shù)為最佳值，可以減小油耗或在功率不變的情況 下獲得最大車速。在崎嶇不平的道路上，為了通過(guò)障礙物，可以提高車身高度。 （5） 減少整車的振動(dòng)噪聲，提高汽車零部件使用壽命。 （6） 由于空氣懸架剛度低，輪胎動(dòng)載荷小，能夠降低載重汽車對(duì)高速公路 的破壞。 3空氣懸架系統(tǒng)的組成 空氣懸架系統(tǒng)主要由空氣彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、

7、高度控制閥、減振器、橫向穩(wěn)定 器和緩沖限位塊等組成。 3.1空氣彈簧的類型和特性 空氣彈簧是橡膠、簾布結(jié)構(gòu)的氣囊，以空氣為介質(zhì)，利用空氣具有壓縮彈性 的性質(zhì)制成的彈簧，其剛度呈非線性變化，通常是當(dāng)載荷加大時(shí)剛度也增大。由 于空氣彈簧的空氣介質(zhì)內(nèi)摩擦極小，工作時(shí)幾乎沒(méi)有噪聲，對(duì)于高頻振動(dòng)的吸收 和隔音性能極好。 根據(jù)橡膠氣囊工作時(shí)的變形方式，空氣彈簧分為囊式空氣彈簧和膜式空氣彈 簧兩種。圖2中左邊為囊式空氣彈簧，右邊為膜式空氣彈簧。 圖2兩種不同形式的空氣彈簧 囊式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊的卷曲獲得彈性變形，膜式空氣彈簧主要靠橡 膠氣囊的卷曲獲得彈性變形。囊式空氣彈簧壽命較長(zhǎng)、制

8、造方便、剛度較大，常 用于載貨汽車上，膜式空氣彈簧尺寸較小，彈性特性曲線更理想，剛度較小，常 用于轎車上。 3.2導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 由于空氣彈簧只能承受垂直載荷，所以在汽車空氣懸架中必須設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 來(lái)傳遞縱向力和側(cè)向力，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在空氣彈簧懸架設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的 方面，如果設(shè)計(jì)得不合理，會(huì)增加空氣彈簧的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)l(fā)生扭曲、摩擦等現(xiàn) 象，惡化減振效果，縮短彈簧的壽命。 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式很多，各有利弊，在設(shè)計(jì)時(shí)要分局整車的布置和性能要求進(jìn) 行。 3.3高度控制機(jī)構(gòu) 車架高度控制機(jī)構(gòu)包括一個(gè)高度傳感器、控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能為： （1） 隨車載變化保持合理的懸架行程； （2） 高速

9、時(shí)降低車身，保持汽車穩(wěn)定性，減少空氣阻力； （3） 在起伏不平的路面情況下，提高車身高度以提高汽車通過(guò)性。 在空氣彈簧懸架中，高度閥是用來(lái)控制空氣彈簧內(nèi)壓的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 高度閥固 定在車架上，其進(jìn)、排氣口分別與儲(chǔ)氣筒和空氣彈簧相接。 當(dāng)空氣彈簧上的載荷 增加時(shí)，彈簧被壓縮，儲(chǔ)氣筒內(nèi)的氣體通過(guò)高度閥的進(jìn)氣口向氣囊注入， 氣囊內(nèi) 氣壓增加，空氣彈簧升高直至恢復(fù)到原來(lái)的位置， 進(jìn)氣口關(guān)閉為止；當(dāng)空氣彈簧 上的載荷減少，彈簧伸張，氣體通過(guò)高度閥的排氣口排出，直至空氣彈簧下降到 原來(lái)的位置，排氣口關(guān)閉為止。所以在高度閥的作用下，空氣彈簧的高度可以保 持在平衡位置附近波動(dòng)，從而保證車身不隨載荷變化而變化

10、。 圖3高度控制閥 3.4減振器 空氣作為空氣彈簧的工作介質(zhì)，內(nèi)摩擦極小。與板簧相比，空氣彈簧本身只 有少量阻尼，所以空氣懸架要安裝減振器，以達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的 3.5橫向穩(wěn)定器 安裝橫向穩(wěn)定器的目的是為了提高汽車抗側(cè)傾能力和保證汽車具有良好的 轉(zhuǎn)向特性。如果空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有足夠的側(cè)傾角剛度時(shí)可以沒(méi)有橫向穩(wěn)定器。 3.6緩沖限位塊 空氣懸架系統(tǒng)中緩沖限位塊的安裝形式有兩種，一種為安裝在空氣彈簧的蓋 板或底座上，另一種為安裝在空氣彈簧以外的車架或車橋上。緩沖塊的作用是避 免車架和車橋或?qū)驐U件之間的剛性沖擊。 在車輛行駛過(guò)程中，緩沖塊經(jīng)常受到 間斷性的沖擊壓縮，因此，緩沖塊

11、應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度且內(nèi)部應(yīng)力分布要均勻。 當(dāng) 空氣彈簧漏氣或氣囊損壞時(shí)，緩沖塊起到橡膠彈簧的作用。 4汽車空氣彈簧懸架基本理論 4.1空氣彈簧剛度特性 由于空氣彈簧的支承、彈性作用取決于空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣，可采用氣體 定律來(lái)描述氣體壓力P和容積V的關(guān)系 PV"二 const （ 1） 指數(shù)n的選擇取決于彈簧變形的速度， 變形速度慢為等溫過(guò)程，n =1;變形 速度快為絕熱過(guò)程，n =1.4?？諝鈴椈傻某休d能力由下式得出 F = P Ae ⑵ 剛度k可以通過(guò)空氣彈簧承載F對(duì)彈簧行程S求導(dǎo)得出 殲 譏 A k=JP= n(p0 P)A 所以空氣彈簧的剛度由有效面積 Ae、工

12、作壓力Pi和工作時(shí)的容積V決定。 在工作壓力已知的情況下，減少有效面積的變化率，增大空氣彈簧的容積，可以 減小其剛度。 在實(shí)際工程中是用試驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定空氣彈簧剛度， 通過(guò)測(cè)定在不同壓力下 空氣彈簧載荷F和位移、的關(guān)系，得出一組空氣彈簧剛度特性曲線，該曲線縱坐 標(biāo)為載荷，橫坐標(biāo)為空氣彈簧高度（位移），曲線的的斜率就是空氣彈簧剛度。 4.2空氣彈簧有效面積特性 rA 表示有效面積Ae變化率對(duì)空氣彈簧剛度的貢獻(xiàn)，由于空氣彈簧氣囊 Ss 是一個(gè)彈性體，一般情況下在空氣彈簧變形時(shí)有效面積 Ae不是固定不變的，不 同結(jié)構(gòu)形式的空氣彈簧，有效面積 Ae的變化是不同的，通常由生產(chǎn)廠家的給出 有效面積

13、變化曲線。。 圖4空氣彈簧有效面積變化曲線 4.3空氣彈簧固有頻率 我們?cè)谠O(shè)計(jì)汽車時(shí)希望保持彈簧固有頻率不變，雖然空氣懸架的固有頻率是 變化的，即不是等頻懸架，是隨著空氣彈簧內(nèi)部氣體有效壓力的變化而變化的， 但變化幅度很小.例如對(duì)于ContiTECH公司975 N空氣彈簧，當(dāng)載荷為9.5 kN時(shí), 空氣彈簧內(nèi)部氣體壓力為0.5 MPa,空氣彈簧剛度為86 100 Nm-1，固有頻率為 1.5 HZ;而當(dāng)載荷為17.3kN時(shí)，氣體壓力為0. 9 MPa,剛度為144 500 N m-1, 固 有頻率為 1.44.可以看出載荷變化 82%，而固有頻率只變化 4%左右，變化很小，

14、因此將其稱之為準(zhǔn)等頻懸架。作為對(duì)比，如果采用鋼板彈簧按最大載荷 17.3 kN 設(shè)計(jì)，保持固有頻率為1.44 Hz不變，鋼板彈簧的剛度應(yīng)為144 500 N m- 1，而 在載荷為9.5 kN時(shí)，固有頻率則為1.94 Hz，固有頻率的變化幅度高達(dá)30%. 5 空氣彈簧懸架發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù) 隨著人民生活水平的提高， 對(duì)乘坐汽車舒適性的要求越來(lái)越高， 特別是對(duì)汽 車高速行駛時(shí)的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，隨著高速公路的迅速發(fā) 展，空氣彈簧懸架在汽車上的應(yīng)用必將得到推廣。 另外隨著對(duì)汽車對(duì)路面破壞機(jī) 理的認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深和政府對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)的進(jìn)一步重視， 也必將進(jìn)一步推動(dòng) 空氣懸架在汽車上的

15、應(yīng)用， 例如新近推出的交通部標(biāo)準(zhǔn) 《營(yíng)運(yùn)客車類型劃分及等 級(jí)評(píng)定》及其 2002 年修訂稿都明確提出高一、高二、高三級(jí)客車的懸架必須采 用空氣懸架，目前空氣懸架研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)為： （1）空氣懸架的匹配技術(shù)：由于空氣懸架對(duì)整車的平順性、操縱穩(wěn)定性和制動(dòng) 安全性有很大的影響， 所以空氣懸架與整車的匹配是目前研究的重點(diǎn)。 目標(biāo)是建 立空氣懸架的非線性動(dòng)力學(xué)特性模型以及精確的空氣懸架汽車計(jì)算機(jī)模型， 通過(guò) 計(jì)算機(jī)仿真， 得到空氣懸架的動(dòng)態(tài)特性和影響空氣懸架汽車平順性、 操縱穩(wěn)定性 和制動(dòng)穩(wěn)定性的主要參數(shù)并確定調(diào)整原則， 最終從理論上解決空氣懸架及其與整 車的匹配設(shè)計(jì)問(wèn)題。 因?yàn)榭諝鈴椈傻膭偠忍匦?/p>

16、是一組非線性彈性特性曲線， 研究這一類剛度非線 性系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞規(guī)律是空氣懸架匹配的關(guān)鍵。 研究的重點(diǎn)是空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模 型的建立。在模型建立過(guò)程中需要考慮到以下非線性問(wèn)題： ① 材料非線性： 空氣彈簧膠囊和橡膠堆主要是由橡膠制成， 并且膠囊中含有 軸向剛度較大的簾線層 ,這就需要采用非線性特性材料來(lái)描述； ② 幾何非線性： 空氣彈簧在運(yùn)用中的變形量較大， 這就使得傳統(tǒng)有限元計(jì)算 的小變形理論就不再適用，必須采用大變形理論對(duì)其進(jìn)行描述； ③ 邊界非線性：因高度控制閥的作用，車身高度基本上不隨載荷的變化而變， 所以必須對(duì)邊界條件進(jìn)行特殊處理，采用邊界非線性對(duì)其進(jìn)行描述； ④ 內(nèi)壓變化大

17、：由于空氣彈簧裝置在運(yùn)用中是通過(guò)膠囊內(nèi)部氣體壓力的不斷 改變來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐力與載荷的動(dòng)態(tài)平衡。 其內(nèi)部壓力變化較大， 所以必須應(yīng)用流體 力學(xué)對(duì)其進(jìn)行描述。 綜上所述，空氣彈簧動(dòng)態(tài)特性的模型是包括固體力學(xué)中所有類型非線性及固 體—流體耦合的復(fù)雜模型， 所以就要求必須選擇一種能夠很好的處理各類非線性 問(wèn)題的有限元軟件和理想的有限元模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。 空氣彈簧的模型建立研究就目前的情況來(lái)看，尚有不少技術(shù)問(wèn)題需要解決。 理論上，由于空氣彈簧的膠囊由交叉的多層簾布線和內(nèi)外橡膠層組成， 具有各向 異性的非線性特性。 同時(shí)由于空氣彈簧在工作載荷下變形很大， 應(yīng)用小變形的線 性理論分析已難以求解， 而如果

18、考慮空氣彈簧金屬蓋板的影響則涉及更復(fù)雜的非 線性接觸問(wèn)題， 從而使空氣彈簧的剛度特性的理論分析具有較大的難度。 目前應(yīng) 用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)新型空氣彈簧的設(shè)計(jì)可靠性有待探討， 其特性數(shù)據(jù)主要靠實(shí)物試驗(yàn) 獲得，從而給空氣彈簧的設(shè)計(jì)帶來(lái)了較大的難度。 目前還不能夠?yàn)榭諝鈴椈稍O(shè)計(jì) 提供一個(gè)有力的理論依據(jù)。 所以，對(duì)空氣彈簧進(jìn)行有限元模型建立研究大有工作 可作。 （2）空氣懸架系統(tǒng)的控制技術(shù)：空氣懸架的控制包括空氣彈簧的剛度控制、車 身高度控制、車身姿態(tài)控制等多方面?？諝鈶壹茉诮Y(jié)構(gòu)上保證了控制的方便性， 因此控制算法、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) （包括控制硬件 ）應(yīng)是研究的關(guān)鍵。今后電子控制 式空氣懸架將成為空氣懸架發(fā)

19、展的必然趨勢(shì)。 為什么要發(fā)展半主動(dòng)和主動(dòng)式空氣懸架？ 衡量懸架性能好壞的主要指標(biāo)是汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性， 但這兩個(gè)方 面是相互排斥的， 往往不能同時(shí)滿足。 怎樣在二者之間取得合理的平衡以達(dá)到最 好的效果，一直是工程師們的研究課題。 平順性一般通過(guò)車體或車身某個(gè)部位 （如車底板、駕駛員座椅處 ） 的加速度響應(yīng) 來(lái)評(píng)價(jià)，操縱穩(wěn)定性則可以通過(guò)車輪的動(dòng)載來(lái)度量。例如，若降低彈簧的剛度， 則車體加速度減少使平順性變好， 但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致車體位移的增加。 由此產(chǎn)生車體 重心的變動(dòng)將引起輪胎負(fù)荷變化的增加， 對(duì)操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響； 另一方面， 增加彈簧剛度會(huì)提高操縱穩(wěn)定性，但硬的彈簧將導(dǎo)致汽車對(duì)

20、路面不平度很敏感， 使平順性降低。 所以，理想的懸架應(yīng)該在不同的使用條件下具有不同的彈簧剛度 和減振器阻尼，既能滿足平順性要求又能滿足操縱穩(wěn)定性要求。 但是普遍使用的被動(dòng)懸架不可能達(dá)到設(shè)計(jì)師們的理想要求。 被動(dòng)懸架因?yàn)榫?有確定的懸架剛度和阻尼系數(shù)， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上只能是滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之 間矛盾的折衷， 無(wú)法達(dá)到懸架控制的理想境界。 因此出現(xiàn)了懸架剛度和阻尼系數(shù) 可調(diào)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)。 （3）減振器模型建立：空氣作為空氣彈簧的工作介質(zhì)，內(nèi)摩擦極小。與板簧相 比，空氣彈簧本身只有少量阻尼， 所以空氣懸架的減振器阻尼就要相應(yīng)增加， 以 達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。 但如果減振器阻尼過(guò)大， 又會(huì)

21、使反應(yīng)遲鈍并向車身傳 遞過(guò)多的高頻振動(dòng)和沖擊。所以減振器阻尼的匹配是否合理將影響懸架的性能， 進(jìn)而影響到整車的性能。 （4）空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)：由于空氣彈簧只能夠傳遞垂直載荷，在空氣懸 架當(dāng)中必須設(shè)置導(dǎo)向桿系來(lái)傳遞縱向力和側(cè)向力， 而導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)汽車穩(wěn)定性的影 響較大?？諝鈶壹芟到y(tǒng)中的導(dǎo)向桿系通常會(huì)形成過(guò)約束， 在車輪跳動(dòng)過(guò)程當(dāng)中在 導(dǎo)向桿內(nèi)產(chǎn)生超靜力， 導(dǎo)向桿系的設(shè)計(jì)必須使這種超靜定力盡可能地小。 導(dǎo)向桿 系的設(shè)計(jì)還涉及到車輪定位參數(shù)的變化， 傳動(dòng)軸角度的變化， 與轉(zhuǎn)向系干涉的問(wèn) 題。另外導(dǎo)向桿系的設(shè)計(jì)與汽車縱傾中心、 側(cè)傾中心也有密切關(guān)系。 最終會(huì)影響 到汽車的平順性、 操縱穩(wěn)定性和制

22、動(dòng)穩(wěn)定性等性能參數(shù)， 因此要綜合考慮以上因 素，建立精確的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型。 1 2 3 4 5 6 7 1-前支架*2—定位塊;3—板賛鶴；4—柔性 桿5 5—意定擇*-吒M; 7-可週轉(zhuǎn)矩桿: 截振器 圖1甫豪架箱枸赤倉(cāng)圖 J —支架門一如梁組件曲一導(dǎo)向桿宀TE E-汽簧 被振器；7—角攆板: BB2 JSMtt構(gòu)示童BB 僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途 For personal use only in study and research; not for commercial use. Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden. Pour l ' e tude et la recherche uniquement a des fins personnelles; pas a des merciales to員bko g^A.nrogeHKO TOpMeno^b3ymrnccH6yHeHuac^ egoB u HHuefigo^^HM ucno 員 B30BaTbCE b KOMMepqeckux qe 員 ex. 以下無(wú)正文