2 空气悬架结构

2 空气悬架结构 2.1 空气悬架结构简介 2.1.1 空气悬架系统的基本结构 空气弹簧悬架具有变刚度、刚度小、振动频率低、车身高度不变等优点。典型的机械 式空气悬架主要包括以下几个部分： (1)空气弹簧 空气弹簧是由橡胶囊所围成的一个密闭容器，在其中贮入压缩空气，利用空气的可压 缩性实现其弹簧的作用。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容 器内的定量气体气压升高，弹簧刚度增大。反之，当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚 度减小，故空气弹簧具有较理想的弹性特性。 (2)导向机构 导向机构是承受汽车的纵向力、力矩及横向力。由于空气悬架只能承受垂直载荷，所 以需要安装导向机构以承受横向力、纵向力及力矩以使车桥(或者车轮)按一定的轨迹相对 车身或车架跳动。 (3)减振装置 减振装置主要是用来消耗振动能量，衰减振动。空气作为空气弹簧的工作介质，内摩 擦极小，与板簧相比空气弹簧本身只有少量阻尼，所以空气悬架必须装有阻尼器，而且其 阻尼要相应增加以达到迅速衰减振动的目的。但如果阻尼过大又会使反应迟钝并向车身传 递过多的高频振动和冲击，所以减振器阻尼的匹配是否合理将影响悬架的性能。 (4)高度控制阀 高度控制阀是空气弹悬架系统的一个重要组成部分，其主要功能是：随整车载荷变 化保持合理的悬架行程；高速时降低车身高度，保持车身稳定性，减少空气阻力；在 起伏不平的路面上，可以提高车身高度从而提高了汽车的通过性，空气弹簧的优越性通过 安装高度控制阀充分的显现出来。 (5)其它附属装置 空气弹簧以压缩空气作为介质，所以必须装有压气机以产生压缩空气，另外为了进一 步提高空气弹簧的性能大部分空气悬架还装有辅助气室。现如今，随着科技的迅速发展， 很多高档的客车、轿车以及商用车上已经成功的使用了电控空气悬架，这种悬架使用高度 传感器和电子控制单元来控制空气弹簧的充气和排气，从而更加提高了空气悬架的控制精 度和反应速度。但在功能好的同时也有其缺点：这种汽车悬架的结构更为复杂，而且成本 非常高。 所以在国内应用的还不是很广泛，但是这是汽车悬架发展的必然趋势 。3 2.1.2 空气弹簧的类型 空气弹簧的结构可以设计成很多类型，根据压缩空气所用容器不同，可以将空气弹簧 分为囊式、膜式两种形式。 (1)囊式空气弹簧 囊式空气弹簧是由夹有帘线的橡胶气囊、密闭在容器中的压缩气体所组成。气囊的内层用 气密性好的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。根据橡胶气囊曲数不同可将其分为单曲、 双曲和多曲的囊式空气弹簧。气囊各段之间镶嵌有金属轮缘，用于承受气体的内压张力。 囊式空气弹簧的有效面积变化率较大，刚度较大，振动频率也较高。所以对于囊式空气弹 簧来说，适当的选择空气弹簧的有效面积变化率和辅助气室容积，可以有效地降低振动频 率。随着段数的增加，空气的弹簧的刚度会变小。主要是由于气囊的变形可由各个曲部平 均分担，因而曲段数越多，空气弹簧的有效直径变化率就会越小。 (2)膜式空气弹簧 膜式空气弹簧的构造是在金属外筒与内筒或缸筒与活塞之间放置橡皮膜，通过膜的变形实 现整体伸缩。在外筒的内壁与内筒的外壁上预先给出适当的倾斜或曲面，据此橡皮膜伸缩 时可沿该壁面发生变形，受压面积随变形而变化。这就可以获得在标准高度下很软，而在 大位移时变硬的特性，即合适的非线性弹簧特性。膜式空气弹簧在国内外大客车上的应用 日益广泛。因膜式空气弹簧有效直径变化较小，其刚度较低，自振频率较低膜式空气弹 簧的底座同时也是活塞，该空气弹簧的有效直径能通过改变活塞的外形从而得到改变。从 而可以得到所需的弹性特性。许多膜式空气弹簧的底座还作为辅助气室以增加空气弹簧的 总容积，改善空气弹簧的性能。这是提高空气弹簧系统隔振效果的有效措施之一 。 2.1.3 导向机构 导向传力机构是空气悬架的重要组成部件，要承受汽车的侧向力，纵向力及其力矩。因此 要有一定的强度，布置的方式要合理。空气弹簧悬架中空气弹簧主要承受垂直载荷。如果 导向机构布置的不合理则会给空气弹簧带来很大的负担，使其发生扭曲，摩擦等现象，恶 化减震的效果，从而缩短了空气弹簧的寿命。 汽车空气悬架导向机构主要有以下几点作用：在车架或车桥之间传递力矩。是车桥或 车轮按一定轨迹相对车身或车架跳动。这是空气悬架中导向机构的最重要的一个作用。 2.1.4 高度控制阀 高度控制阀是空气悬架系统的重要组成部分，其作用是保证车辆在任何静载荷下与路面保 持一定的高度，而且空气弹簧的优势也只有在采用了高度控制阀的情况下才能得到充分的 体现。汽车空气悬架的高度控制阀一般分为机械式和电磁式，按其组成可分为带延时机构 高度控制阀和不带延时机构高度控制阀-由于目前在国内空气悬架多采用机械式高度阀，因 而在此针对带延时机构和不带延时机构的两种机械式高度阔进行简单介绍。延时机构由缓 冲弹簧和油压减振器组成。其作用是：在车辆运行时的正常振动中，保证空气弹簧的高度 虽有变化但不起进、排气作用，而当静载荷变化或以极低频率振动时，保证空气弹簧进行 充、排气，以使在汽车正常的振动中高度阀的进、排气阀不会频繁地打开，从而减少压缩 空气的浪费。在使用不带延时机构的高度阀时，车辆在运行过程中高度阀的进、排气阁不 断地关闭，空气消耗量大，为此一般在空气通道上设置一节流孔，或在排气通道外加一长 橡胶软管，以便限制空气流量，避免空气中的水分和灰尘堵塞小孔。 2.2 空气悬架系统的工作原理 在理想状态下，装有空气弹簧悬架的汽车通过压缩空气的压力能够随载荷和道路条件变化 进行自动调节，不论满载还是空载整车高度几乎不会发生变化。可以大大提高乘坐的舒适 性。空气悬架的工作原理：空气压缩机供给储气筒压缩空气，储气筒上装有压力保护阀， 当储气筒的压力超出设定压力时，压力保护阀会自动打开把过载压力卸掉。当车辆在平直 路面上行驶时，高度阀的充气阀门和排气阀门均关闭，空气弹簧气囊内即不充气也不放气， 车架高度保持不变。当车辆行驶在不平路面或转弯时，车轮产生跳动或转弯离心力都会使 车架产生倾斜，连接在车架上的高度控制阀的控制杆就会转过一定的角度，当车辆载荷增 加时，空气弹簧被压缩，车架整体下移，高度控制阀控制杆向上旋转，使控制阀的充气阀 门打开，压缩空气经高度控制阀向气囊内充气，在气压的作用下，车架回升，高度控制阀 的控制杆随之向下旋转，使控制阀的充气阀门的开度逐渐变小直至关闭，此时车架恢复到 设定高度，即空气弹簧气囊回升到原来的高度；当车辆载荷下降时，空气弹簧气囊在其腔 内压缩空气的作用下伸长，车架整体上移，高度控制阀控制杆向下旋转，使控制阀的放气 阀门打开，压缩空气经高度控制阀向外界排出，车架下降，高度控制阀控制杆随之向上旋 转，使控制阀的放气阀门的开度逐渐变小直至关闭，此时车架逐渐恢复到设定高度。3. 空 气悬架系统结构方案设计 3.1 空气弹簧悬架与机械弹簧悬架比较 3.1.1 空气弹簧悬架与机械弹簧悬架性能的比较 空气弹簧与机械弹簧悬架的目的是一样的，都是为了保护车辆不受振动和路面冲击振动的 影响。但是，机械弹簧悬架也可能加强振动，因为一些小的来自路面的跳动都可能引起共 振。而空气弹簧消除振动的性能从而提高车辆的行驶平顺性-乘坐柔软性和舒适性是机械弹 簧悬架系统所无法比拟的。机械弹簧悬架的吸振相差太大，在俯仰摆动时，机械弹簧悬架 的减振效果更差，只有空气弹簧悬架的 25%。 3.1.2 空气弹簧的优点 1.性能优点：由于空气弹簧可以设计得比较柔软，因而空气悬架可以得到较低的固有振动 频率，同时空气弹簧的变刚度特性使得这一频率在较大的载荷变化范围内保持不变，从而 提高了汽车的行驶平顺性。空气悬架的另一个优点在于通过调节车身高度使大客车的地板 高度随载荷的变化基本保持不变。此外，空气悬架还具有空气弹簧寿命长，质量小以及噪 音低等一些优点。而这些都明显优越于机械弹簧悬架。 2. 空气弹簧的刚性导向臂与车架支架用橡胶衬套相连接，在加速和刹车时，允许车桥有控 制的运动，以减少桥壳应力，防止损坏。对于高扭矩/低转速发电机车辆而言，这是一个重 要考虑因素。刹车时，车桥略向前和向下运动，保持轮胎贴近地面，缩短刹车距离刹车 不跑偏，从而更安全。轮胎和刹车片寿命增加。 3.系统简单，没有大的冲击载荷。 3.2 空气弹簧的种类及布置问题 空气弹簧有三大类，包括囊式，膜式和复合式空气弹簧。 3.2.1 膜式空气弹簧的特点 可以把它看成是囊式空气弹簧下盖板变成一个活塞而形成的。由于这种改变大大改善了空 气弹簧的弹性特性，得到了比囊式空气弹簧更为理想的反“S”形弹簧特性曲线。可看出膜 式空气弹簧在其正常工作范围内，弹簧刚度变化要比囊式空气弹簧小，因而就振动性能来 说，膜式空气弹簧要比囊式空气弹簧优越的多。但是载荷不高。 3.2.2 囊式空气弹簧和复合式空气弹簧的特点： 囊式有可以分为圆形膜式和椭圆形膜式，还可以分为单节式，双节式和三节式，节数越多， 弹簧显的越柔软。囊式较膜式寿命长，载荷高，制造方便，但刚度大。空气弹簧的刚度与 弹簧的有效面积的变化率 dF/dx 有关，所以对于有效面积变化率较大的囊式空气弹簧来说， 弹簧刚度较大，振动频率较高。 复合式空气弹簧兼有膜式空气弹簧和囊式空气弹簧的优点，但是结构复杂，制作成本较高， 在此选用囊式空气弹簧。 3.2.3 空气弹簧的选用及布置问题 由于大客车轴载荷很大，所以我在这里选用囊式的空气弹簧，由于囊式弹簧的刚度较大， 最好解决这方面的问题，有一个办法比较好，就是采用 2 个空气弹簧，可以有效的减低空 气弹簧的刚度，并且，2 个空气弹簧可以增加负荷，提高客车的性能。对于囊式空气弹簧 振动频率高的问题，由空气弹簧频率计算公式可以看出，当空气弹簧的容积愈大时，其刚 度愈低。因此，采用辅助气室能减小空气弹簧的刚度。在压力较高的情况下，增加辅助气 室的容积对刚度的影响更明显。但这种影响将随容积的增加而减小。所以，对囊式空气弹 簧来说，适当选择弹簧的有效面积变化率和辅助气室的容积，可得到较低的振动频率。所 以可以选用囊式空气弹簧。 关于布置方面的问题， 对比各种布置方法和理论，可以知道，空气弹簧的中心距在考虑到 车身及车架尺寸时可以做的越大越好，因为这样，可以提高汽车的抗侧倾性能，关于这方 面的理论，在后面关于侧倾刚度的计算中可以有更加明确的解释 3.3 高度控制阀 在大客车的空气悬架中，都装有高度控制阀。高度控制阀安装在车身上，根据车辆载荷， 调节气囊气压以保持车身高度为一恒定指。 当车辆载荷增加时，装有高度控制阀的车身将下移，连接车桥和高度控制阀的摆杆转 动，带动凸轮转轴转动，从而使活塞和顶杆上移，将排气关闭，进气门打开，。随着气囊 内气压的上升，空气弹簧高度增加，车身也随之上升，进气门则因为摆杆的移动而关闭， 此时高度控制阀处于一个平衡状态。当车辆载荷减少时，因气囊内多余的气压，使空气弹 簧升高，从而车身也上升，因此，摆杆转动，带动凸轮转动，从而使活塞和顶杆下移，使 排气门打开，进气门关闭，气囊中多余的气压排至大气。车身又回到正常水平，此时，顶 杆又上移，将排气门关闭，高度阀又处于一个平衡状态。 它的主要作用时： 1) 保证汽车高度不随汽车的载荷而变化，汽车高度可以调整，保持一定高度，便于乘客 上下车。 2) 保持空气弹簧中的空气容积为一定值，从而保证在不同载荷下，得到大致相同的振动 频率。 3) 当空气弹簧出现微量泄漏时，可由高度控制阀不断进行充气，以保证空气弹簧正常工 作。 为了保证汽车的车身稳定的平置于悬架上，在后轴上布置两个高度控制阀 图 3.1 高度阀控制原理图 车身的升降是通过车身升降电控开关的控制，在二位三通电磁阀 A、二位三通电磁阀 B、单 向阀和空气弹簧高度控制阀（以下称高度阀）的共同作用下空气弹簧内充气或排气而实现 的。下面将各种状态及其调节过程中悬架的主要元件的工作状况介绍如下： 1、车身定高位置的自动调节： （1） A 阀的气源口被打开，排气口被关闭。 （2） B 阀的气源口被关闭，排气口被打开。（3） 杠杆保持在水平状态。 （4） 高度阀的充、排气阀均为关闭状态。 （5） 空气弹簧中的压缩空气被高度阀封闭。 车身载荷变化是原始定高位置的自动调节过程： 当车载增加，车身相对下降（气囊被压缩）时，杠杆相对于高度阀向上回转，使高度 阀的充气门打开，气源的高压空气经 A 阀和高度阀的气源阀门和充气阀门向气囊内充气， 这时车身开始回升，杠杆随之向下回转，高度阀充气阀门的开度逐渐变小，直到重新关闭 为止。此时车身恢复到定高位置（气囊回伸到原来高度）。空气弹簧的压缩空气重新被高 度阀封闭。 当车载减小，车身相对升高（气囊在其腔内压缩空气的作用下伸长）时，杠杆相对于高度 阀向下回转，使高度阀的放气门打开，气源的压缩空气经高度阀的放气阀门和排气口排入 大气，这时车身开始回降，杠杆随之向上回转，高度阀放气阀门的开度逐渐变小，直到重 新关闭为止。此时车身恢复到定高位置（气囊回伸到原来高度）。空气弹簧的压缩空气重 新被高度阀封闭。 2、 车身由原高位置降至最低位置： a) A 阀的气源口被关闭，排气口被打开。 b) B 阀保持气源口被关闭，排气口被打开。 c) 杠杆由水平位置向上回转。 d) 高度阀的气源阀门被关闭，充气阀门在杠杆作用下被逐渐打开，放气阀门保持关闭的 状态。 e) 空气弹簧被放气而缩短。 气囊的放气和车身的降落过程： 由于 A 阀的气源口被关闭，排气口被打开，所以气囊内的压缩空气通过单向阀沿充气 管路经 A 阀的排气口排出，车身开始下降，使杠杆向上回转而逐渐打开高度阀的充气阀门， 但是，因为 A 阀的气源口被关闭，使高度阀的气源阀门也相应关闭，所以此时高度阀的充 气阀门并无气流通过，气囊中压缩空气仍有单向阀经 A 阀的排气口排出，直至气囊内的气 压降到大气压力。这时车身降落在 6 个弹性限位块上，当限位块的变形回弹力与车重力达 到平衡时，车身停止下降，此时即为车身的最低位置。 3、 身由最低位置直接升到最高位置： a) A 阀的气源口被打开，排气口被关闭。 b) B 阀的气源口被打开，排气口被关闭。 c) 杠杆由最高位置向下回转。 d) 高度阀的气源阀门被打开，充气阀门打开到最大开度，放气阀门保持关闭的状态。 e) 空气弹簧被充气而伸长升高。 气囊的充气和车身升高过程： 由于 B 阀向高度阀的控制腔充气使高度阀的充气阀门打开到最大开度，此时由 A 阀气 源来的高压空气从高度阀的气源阀门迅速向气囊充气，当气囊内达到一定气压时，车身开 始回升。此时杠杆向下回转，在其作用下高度阀的充气阀门由最大开度逐渐变小，充气速 度和车身的升速也随之变慢，当车身达到最高位置时，在杠杆的作用下，高度阀的充气阀 门被关闭而停止向气囊充气，使车身停留在该高度，即车身的最高位置。4、 车身由最高 位置直接降到最低位置： a) A 阀的气源口被关闭，排气口被打开。 b) B 阀气源口被关闭，排气口被打开。 c) 杠杆由最低位置向上回转。 d) 高度阀的气源阀门被关闭，充气阀门打开到最大开度。 e) 空气弹簧被放气而被压缩。 气囊的放气和车身的下降过程： 由于 A 阀的气源被关闭，切断了向气囊充气的气源，而 B 阀的气源口被关闭，排气口 被打开。车身升高时高度阀控制腔内的压缩空气由 B 阀的排气口排出，即第一路通过单向 阀由充气管路经 A 阀的排气口排出，另一路经高度阀门的放气阀和排气口排出，车身迅速 下降，杠杆则随之向上回转，在杠杆的作用下，高度阀的放气阀门逐渐变小，当车身降至 定高位置时，高度阀的放气阀门被关闭，气囊内的压缩空气由第一路 继续向外排出，直至 气囊内的气压降至大气压力，车身降落在弹性限位块上，当限位块的变形回弹力与车重力 达到平衡时，车身停止下降，达到最低位置。 5、车身由最低位置升至定高位置，或由最高位置降至定高位置时，将 A 阀和 B 阀恢复到定 高状态即可。 3.4 反弹限位 由于空气弹簧的反向刚度很小，如不采取反向限位措施，必然会出现以下几个问题： 1)因为气囊的自由度有限，所以无止境的反弹，必然会出现脱囊（若无夹紧措施）或拉断 气囊（有夹紧措施）的现象。 2)因为减振器的自由长度及连接强度有限，所以无止境的反弹，必然会造成减振器的破坏。 3)囊式气囊在反跳时的有效承压面积最小，泄压面积最大，所以，反弹行程过大易于引起 气囊的爆破。 考虑以上情况，在大客车的空气悬架系统中一般均装有钢丝绳反向限位装置。 3.5 减振器 3.5.1 减振器的分类 减振器的功能是吸收悬架垂直振动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减。减振 器大体上可以分为两类，即摩擦式减振器和液力式减振器。由于双筒式减振器运用很普遍， 所以在这里我想主要讨论下双筒式减振器。 3.5.2 双筒式减振器的组成与工作原理 双筒式液力减振器由活塞，活塞杆，工作缸筒，储油缸筒，底阀座，导向座，回流孔活塞 杆，油封，防尘罩组成。在活塞以及底阀座上分别装有两个单向阀，且称之为 1，2，3，4. 车轮向上跳动即悬架压缩时，活塞向下运动，油液经过阀 2 进入工作腔上腔，但是由于活 塞杆占据了一部分体积，必