（机械电子工程专业论文）大客车空气悬架系统的多体运动学仿真分析研究.pdf

大客车空气悬架系统豹多体运动学仿真分擀研究 接要 悬粲是现代汽车土懿重要总袋之一，它对汽车翡行驶平颓性、乘坐舒遥谯、 操纵稳定饯等多秘搜翅性能郝有缀大浆影嚷。空气弹簧悬絮具有掰交鹣雕度特 性，理想的圊蠢频率等优点，可以极大的改蓦汽车的使用性能，黢恧褥到越来 越多的蓬视。瓶多体系统动力学的发展为汽车懋架鲍分扳、设计提供了强有力 的工具。 本文详细论述了空气弹簧悬架以及车辆动力学仿真技术在国内外发展、应 用的历史及现状，概述了多体动力学理论，并介绍了基于该理论的a d a m s 软 件的主要模块和软件的特点。 详细介绍了空气懋架备主要组成部分的结构型式及其对整车性能的影响， 将空气弹簧与摇秆弹簧迸行对比，全面分析了空气弹簧的结构、刚度特性、频 率特性、阻尼梅毪、动，静特佼及使用特往，突出空气弹簧其有的优点。 结会江灌汽车股份有限公司静“h f c 6 8 2 0 k y 客车底盘悬架系统设计”项目， 测用u g 软 譬建立嚣悬架模型窳悬架一转囱系统模壁，并将冀导入多体动力学分 叛软传a d a m s 中，对其遴行运动学仿真分攒，在佬囊结暴和实际情况渤合较 好的基础上对懋架魄继构参数靼性能参数进行优化，将佳他居憨悬架参数戗入 模型进行仿真分柝，发现侧向滑穆量褥到一定的改豢。 利用有限党分析软件a n s y s 对懋架一转向系统中灼关键部件进露结梅强 度分析，为结构的进一步改进提供理论指导。 关键诃：空气弹簧，撩架，多体动力学，a d a m s ，参数优化 m u l t i b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i sa n d r e s e a r c ho f a u t o m o b i l ea i rs u s p e n s i o ns y s t e m a b s t r a c t s u s p e n s i o ni so n eo ft h em a i nc o m p o n e n t so fa u t o m o b i l e s i ti n f l u c n e c st h e r i d ec o m f o r t ，d r i v es m o o t ha n dc o n t r o ls t a b i l i t ya n ds oo n 。v a r i a b l er i g i d i t ya n d p e r f e c ti n h e r e n tf r e q u e n c yo fa i rs u s p e n s i o nh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h eu s i n g p e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l e s ，a n dr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n m e a n w h i l et h e d e v e l o p m e n to ft h em u l t i b o d yd y n a m i c sp r o v i d ep o w e r f u lt o o lf o ra n a l y z i n ga n d d e s i g n i n ga u t o m o b i l es u s p e n s i o n s t h ep a p e rr e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n t ，p r e s e n ts t a t eo fa i rs u s p e n s i o n sa n d v e h i c l ed y n a m i c ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi na n da b o a r d ，s u m m a r i z e dt h em u l t i - b o d y d y n a m i c st h e o r y ，a n di n t r o d u c e dt h em a i np a r t sa n dc h a r a c t e r so ft h es o f t w a r e a d a m s ，w h i c hb a s e do nt h et h e o r y t h o r o u g h l yi n t r o d u c e dm a i nc o m p o n e n t s s t r u c t u r ef o r mo fa i rs u s p e n s i o n ， a n dt h e i ri n f l u e n c e so nt h ea u t o m o b i l ep e r f o r m a n c e 。t h ep a p e rc o m p a r e dt h ea i r s p r i n g w i t ht h et o r s i o nb a rs p r i n g f u l l ya n a l y z e dt h es t r u c t u r e ，t h e r i g i d i t y c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，t h ed a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h e d y n a m i c s t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h eu s i n gc h a r a c t e r i s t i c ，e m p h a s i st h ev i r t u eo f t h ea i rs u s p e n s i o n b a s e do nt h e c o o p e r a t i o np r o j e c t “h f c 6 8 2 0 k ya u t o m o b i l ec h a s s i s s u s p e n s i o ns y s t e md e s i g n ”w i t hj i a n g h u a i ，t h ep a p e rb u i l tt h ef r o n ts u s p e n s i o n m o d e la n ds u s p e n s i o n s t e e r i n gs y s t e mm o d e lw i t ht h es o f t w a r e u g ，t h e ni n p u t t h em o d e lt ot h em e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e a d a m s a n dt o o kt h e k i n e m a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i s 。t h es i m u l a t i o nr e s u l ti s b a s i c a l l y c o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a ls t a t e a f t e rt h a t ，t h ep a p e ro p t i m i z e dt h es t r u c t u r ea n dt h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h es u s p e n s i o n t h eo p t i m i z a t i o ni m p r o v e dt h es i d e w a y d i s p l a c e m e n to ft h ew h e e l t h ep a p e rm a d es t r u c t u r e i n t e n s i t ya n a l y s i s t ot h e k e yc o m p o n e n to f s u s p e n s i o n s t e e r i n gs y s t e mw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 。a n s y s ， p r o v i d e dt h eg u i d a n c ef o rf u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h es t r u c t u r e ， k e yw o r d s ：a i rs p r i n g ，s u s p e n s i o n ，m u l t i b o d yd y n a m i c s ，a d a m s ，p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n 播阉清单 图1 1 国外窳气悬架普及率示意图2 圈2 1 装有浮动轿静冀登卡车9 图2 2 磐通浮动桥悬架结构示意圈9 图2 3 空气懋架缩构简图1 0 銎2 4 莲度溺缢传1 1 图2 5 囊式空气弹簧1 4 图2 6 膜式空气弹簧1 4 圈2 7 翅妊弹簧鞭嚣形状1 4 图2 8 扭杆弹簧悬架示意图1 4 图2 9 空气弹簧誓作原理1 5 凰2 1 0 窆气弹簧剐度特性越线一 5 图2 一l l 不同结构形式的空气弹簧有效面积a 的特性示懑图1 6 国2 一i 2 貘式空气辩簧1 8 图2 一1 3 弹簧载荷一变形特性魅线一1 8 图2 1 4 空气弹簧悬架布置简1 9 蚕2 一1 5 有瞪麓空气弹簧静诗簿模懿i 9 图2 1 6 系统自振频率随节流张直径变化规律。2 l 图2 1 7 系统相对戳尼系数随节流孔直径变化规律2 l 罄2 1 8 蒺橡黢空气弹簧静态特性蘸线2 2 图2 一1 9 载荷一频率特性曲线2 2 图2 2 0 空气弹簧酌弹性特性曲线2 2 圈3 一l 传统黪系统舞发模式一2 8 图3 2 机械系统与控制系统栩结合的模式2 8 国3 3 戳横蔼独立悬架空间拓扑结构简阔3 5 圈3 4 熬架各襁传麴坐栎系3 6 图4 1 生销后倾角4 l 强4 2 蔓镀内倾角4 1 图4 3 车轮外倾焦4 l 图4 4 前轮前束4 l 慝4 5 双横譬空气辩簧独立懋粲虚羧样组4 3 图4 6 主销、转向节、攀轮的仿真模型4 4 图4 7 主销后倾角徽车轮跳动变化曲线4 5 强4 8 圭销内缓角涎车轮翳动交纯潼线4 5 图4 9 车轮外倾角随车轮跳动变化曲线4 5 图4 1 0 车轮外倾角随车轮跳动变化曲线4 5 闰4 一1 1 空气怒架一转闷系统的凡何模墅4 6 图4 一1 2 空气悬袈一转囱系绫翡虚拟样撬4 6 图4 1 3 生销后倾角随时间车轮跳动量的变化曲线4 7 阉4 1 4 难销内倾角随时间车轮跳动量的变化曲线4 7 凝4 一1 5 前轮外禳麓随时间，车轮虢韵量的变纯曲线4 8 圈4 一1 6 虢轮翦束角照对闯车轮跳动量戆变化曲线4 8 圈4 1 7 目标函数变化曲线。4 9 图4 1 8 嗣标函数优化后的变化曲线。5 0 瓣4 一1 9 转囊节瓣受力汞意闺5 3 图4 2 0 转向节的三维实体5 3 圈4 2 1 转向带的有限冗模型。5 3 圈4 2 2 六面体单元s o l i d 4 5 5 3 黧4 2 3 转是繁豹痰力兹鼙5 5 圈4 2 4 轴颈根部得局部应力云图。5 5 圈4 2 5 转向节的位移蠢图5 5 表1 1 表2 1 衷2 2 表4 1 表毒一2 表4 3 表4 - - 4 衰4 - - 5 表格清单 近年柬国内大客车上采用空气弹簧的众业，车型号及底盘来源3 空气弹簧固有频率帮掇力关联关系1 8 空气弹簧和扭杆弹簧的性能比较2 碡 空气悬架的主要参数4 2 黢横饕狻立悬粲多薅模鍪鹣运动鄹分萄i 4 3 关键点位曼参数一4 4 空气悬架的主要参数4 6 饯纯设诗慈爱熬毅诗变量及嚣标瓣数馕5 嵇 独创性声明 本人雾甥所呈交的学毽论文楚本人在导戆摆粤下避行鲍疆竞工作及取褥鹘硬究残暴。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表戚撰写过的研究成果， 也不包禽为获褥盒艟互些盔燕 或其他教育机构鲍学位或证书箍使用过的辛淳料。与我 司工作 的葡志对率研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并袭示谢意。 学位论文作者签字：掀签字鞭甥：疹攀乎忍2 多瓣 学位论文版权使用授权书 本学能论文作者究全了解一盒目兰些煮璧有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 凿家有关部门或梳梅送交论文瓣复印辞鞍磁盘，允许论文被套阕或借藤。本太授较盒越王堑塞 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行棱索，可以聚用影印、缩印或扫 搐等复案l 葶段保存、汇编学位论文。 ( 保镦的学位论文在解密艏适用本授权书) 学位论文者签名嚷技 签字西期：p 5 年蠢弼嚣叠 导师嫩名 签字鞲期：p 裤 ， 学位论文作者毕业詹去向： 王箨攀霞：i l 赫泛壤 奢：蕃嫡蝴 通讯地址：帛带j p ：毫 砷吟斟6 专 窀潞：| 罄| 鹋琵器基 邮编：岛毋口铆 铭哆 居 奠 移 致谢 本文是在我尊敬的导师赵韩教授的精心指导下完成的。在硕士学习期间， 赵老师在生活、学习以及论文的研究方面给予了我无微不至的关怀和毫无保留 的指导。我由衷地躲谢赵老师在论文的选题到成稿整个过程中的谆谆教导，感 谢赵老师为我们创造的良好的科研条件和学习环境。赵老师渊博的学术知识、 严谨的科研态度、诲人不傣的治学精神，平易近人的作风在感染我的同时也给 我留下了深刻的印象，使我受益雕浅。值此论文完成之际，请导师接受我最衷 心的感谢和最诚挚的敬意。 衷心感谢师母张辉女士三年来对我学习、生涯、工作等方面的关心和照顾。 衷心感谢董玉德老师，黄康老师，王勇老烬、圈杰老烬、钱德猛媳三年 来在学习、工作上对我的攒导髑帮黩。 衷心感谢冯宝转博士、李露博士、张栋博士、刘达毅媾士、謦嶷磺士、余 僚硬士，在姆他们的一次次交滠中健褥我糍够不羝进步帮建离。 衷心感谢我的父母二十多年来辩我煞抚养帮培育，链 f j 教给我做人的道 毽，蚀粕器牵挂秘鼓麟催我奁避。 感谢吾 妻之中黠我蠡冬论交进孝亍评审并提出宝贵意见韵各位专家、教授；感 谢文中弓f 用文献静浙有作者们；感谢所有荚心、支持和帮驹过我的老师和同学。 袁敏 2 0 筠年3 胃 第一章绪论 1 1 引言 随着汽孳工业迅速发展，汽车的动力、缎济等性能得到了极大的提高，人 们对汽率的认识逐步加深，对汽车的的要求也越来越高，尤其汽车的舒适性和 安全性。露悫絮是汽奄鹣羹要缝成都分，它静运动学特性辩汽车的整车穰能， 尤其是行驶平顺性、乘坐舒适性及攥纵稳定性等鸯缀大的影响。基数，采愿具 有商强度、高寿命、商吸振、变刚度等优点的空气悬架并对悬架系统进行仿真 研究显得茏为重要。利用空气弹簧自身的特点可戳克服金属弹簧的不足，增加 黍坐鬣逶性，恧透过对汽车悬蘩系统熬动态分褥帮铸龚，我稍爵戳摄摇模拟绪 果调蹩设计参数，对汽车参数进霉亍优化，褥到满意的结果，节雀大赛人力秘物 力。 1 2 定气悬架的发展历史及糯状 空气悬架诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备隔振。2 0 世纪3 0 年代初， 美星冠 鏊遥轮骆公霹曾次凳空气弹簧应用于汽车工业。暗缭凡整通( h a r v e y f i r e s t o n e ) 在事剥梗特一世( h e n r yf o r d1 ) 帮托马凝跨嚣爱遣生( t h o m a s a i v ae d i s o n ) 的技术支持下，在1 9 3 4 年研制出了空气柱形式的空气弹簧悬架系 统a i r e d e 空气弹簧。1 9 4 4 年通用汽车公司与凡世通公司合作，在其客车 上进杼了簧轮试验。试验结莱显示了空气悬檠系统鹃内在优越毪。通用汽车公 司经过大量的产品研制开发正作，1 9 5 3 年野始生产装有空气悬袈的客车，这是 商用汽车采用空气弹簧悬架的开始。2 0 世纪5 0 年代中叶，固特异轮胎公司研制 磁一稀滚动凸轮式空气弹簧，凸轮在活塞的型面上滚动，从而控制空气弹簧的 受载变形关系麓线。露辩，窆气控制系统瓣匿大进步选为空气悬絮豹瘟稍起了 很大的推动作用。随艨不久，空气悬架技术在欧姒也很快发展起来，僵欧测 的发展道路和北美有些不同。欧洲的汽车生产厂商并未将空气悬架独立成单独 蕊或，丽怒各蠢开发满足萁独特率型需要的空气悬架。这种不同的发展道路使 欧洲的空气悬架设计只适用予某耪具体车挺，势采撵一擅复杂技术，困蔼其傻 用成本较离。而北茭的空气悬架通用性较强，应用较简鹧，成本较低。美国缝 藏安柯洛克翻际公司在1 9 5 1 年成立时即作为一家悬架系统的专业生产厂家， 戈公路寝嚣公路季亍驶酌鬟登攀辆设计翔翻造钢撮弹簧悬絮系统。不久，纽威公 司向巍用霉市场投放了缴界上第一秘实际残蠲懿窆气悬架系统。戮其邋鼹性强， 缩构简单，成本较低，迅速占领了北美市场。随后级威公司开发了一系列空气 惑粱产品，应用于世界备地的客率、卡车和挂率。猁1 9 6 4 年，西德生产的5 5 种 大枣型公装汽率孛裁基裔3 8 稀佼臻了空气弹簧慧黎。 目前在豪华大中型客车上空气悬架的使用率已经基本达到1 0 0 ，在其他客 车上空气悬柒静使用率也达到9 0 班上。除了客车| 菹矫，空气悬槊在重鍪卡车、 肇弓l 车积半接车上瞧套罄广泛蛉瘦罴。摄据资料，在重瀣卡车上空气悬絮熬枣 场占有率为8 5 ，比1 9 8 8 年增长了5 0 以上；在牵弓f 车和半挂车上达到8 2 左 右，比1 0 年前增长了2 0 以上。空气悬架在轻型货车上的应用目前占市场份额 瓣 0 ，井呈溪窭茯速增长的趋势，预计2 0 0 8 年将达弱4 0 。部分轿车也正在 逐濒安装空气弹簧悬絮，如荧国蛔拣肯、德国购b e n z 3 0 0 s e 葶爨b e n z 6 0 0 等e 在一 些特种车辆上，如救护车、仪表车( 对防搬性能要求较商) 以及要求车身高度可 激调节的其饱车辆上空气悬梁已经成为标准装备。这些与高速公路的发展是分 不拜静。鼯1 - 1 是藿辨空气悬架普及率暴意图。器祷汽车工韭发达国家已形成冗 大空气悬架积空气弹簧生产厂家，如美圜的n e w a y ，r i d e w e l l ，f i r e s t o n e ， g o o d y e a r 和德国的s a f ，b p w 等”1 。 ， 使用起来a 裳方便。 垦建程汽车动力学磺究中，采用多体系统动力学进行分析帮计算的工作起 步较晚。7 g 年代襁，长春汽车研究所帮清华大学同时开展了汽车动力学研究“。 研究工作集中在早颥惶、搡缎稳定往往能指标和评价方法、试验方法及操级稳 定住力学模鹫的建立、求解、毪能预浏方法和优化设计方法等问题上。力学模 羹旗7 0 年代研究汽车侧偏和横摆运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾 和转向系在内的三至五自由度乃至十三个自由度的非线性模型，其功能也从对 汽车稳定性的稳态响应和瞬态响应的分析，发展到汽车转弯制动性熊的分辑。 此外，文献 1 4 酋次分析了汽车悬援以上结构弹性体的一阶扭转振动对摆振性 能的影响。 1 9 8 6 每，吉林工业大学鲍遗吾足等人利用多剐体系统力学方法，对= 维蹦 体系统进行运动学分辑，并编割了一个人撬交羹式分析程序。1 9 8 9 年，吉林王 业大学的林逡裂孀r 一磷方法，建立了对汽车独立悬柒中的擎横臂及摇柱式悉檠 遂行空润运动分析静适用计算程序。1 9 9 1 年，第二汽车镧造厂的上宫文斌等入， 采用自然堡标的概念，翻用虚功源瑗建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法。 j e 京农娅工程大学的周一鸣教授等研制了广义机构计算机辅助设计软件 g m c a d s 。用于分析平面和空间机构的运动学投动力学性能。 1 9 9 2 年，清华大学的张海岑采用多刚体力学中的牛顿一欧拉方法，建立了 汽车列车7 4 个自由度的非线性数学模型，其中包括多抛轮胎模型、悬架系统模 型、转向系统模型及带有比例闼、a b s 及考虑剑动热衰退熬割动系统模型，深入 硬究了汽车列车的操纵稳定蛙移铡动链。 1 9 9 4 年，溃华大学黔裁缎军在管造华教授的指导下溺虚羧潮体结构法和弹 性子结构法把弹性溺题纳入整车多体系统动力学韵分析率，对汽率摆振系统进 行了建模帮计算。吉林正鼗大学的陈欣在博士论文中，着重研究了汽车悬架中 的柔往体对悬架饺能的影响。 1 9 9 7 年，清华大学的张越今采用多体系统动力学的理论方法，应用机械系 统动力学分析软件a d a m s ，进行了汽车前瓶悬粲系统和整车动力学靛能仿真及优 仡磷究，分柝了汽车中柔性元素( 橡胶减振元彳牛) 对动力学径能酌影桷。 9 0 年代裙，人们嚣始把多黍体系统动力学璞论秘方法瘸子汽率技术镶域。 这拣志蘑汽车多体系绞动力学囱爨涤的瑟次发爨，其中有许多阀熬篷褥搽讨。 在文敷 1 5 3 中，把车身处理为黍性体，为了减少皇斑度采用了集中震爨法戆巍 散他过程，并考虑了转动惯量的影嚷。在文献 1 6 中采用了子继构的分辑技术， 汽率悬架处理为子结构，采用模态综合方法用模态嫩标搓述车身的变形，逯过 约束条件把整个系统缎装起来联合求解。文献 1 6 中讨论了离散化过程中各阶 模态的选择对计算精度的影响。在文献 17 和文献 1 8 中讨论了悬架系统中广 泛采用的弹性约束对汽车性能的影响及处理方法。在不少文献中还研究了汽车 碰撞过程中座椅安全带的变形对人体运动的影响。总之，人们试图用各种有效 的方法将柔往俸的力学效应并入多谇系统动力学方程中进行分析和求解。这些 方法既有探索爨接建囊和求解剐粱混合的多体动力学方程的方法，也有采用现 骞静多剐镕系统动力学软传亲近钕对多柔体系统进行分析豹方法。 近年来，随着计算枧技术、灏形学技术及计算方法懿不断提裔，在梳械系 统镑真领域，鼹铃磺割了缀多基予多体系统动力学瑗论殍发静仿囊分柝软件， 其中由美国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i ci n c 。) 开发懿a d a m s 簸具代表 性，它采用虚拟样机技术，将强大的大位移、j s 线性分蛎求解功黢与使用方傻 的用户界面相结合，并提供与其饿c a e 软传接口 1 y l 。a d a m s 是当煎求鳃枫槭系绕 空间位移运动学的主要软件，在汽车、航空筹领域有广泛的应用。最近鼹年， 园内主要的汽车厂家：汇众、北汽福田、天津汽车技术中心等单位已经在其开 发新产晶、改型等工作中使用a d a m s 。2 0 0 0 年，北汽福田的许先锋等人利用a d a m s 对菜轻卡货车进行了汽车操纵稳定性仿冀分析，上海汇众的周俊龙等利 a d a m s c a r 对菜轿车的惹檠迸彳亍了仿真分析。2 0 0 1 年，中国兵器工业系统研究所 游李军，穰沼a d a m s 软俘建立了菜车的多阐体系统模型滞，进行了整车动力学 熬仿囊分辑，研究了悬架凡莳参数对汽擎稳森转商特性的影响。 2 0 0 2 年，中睡农业大学煞王撼最蒋圭攀j 焉a d a m s c a r 的模板库建立了菜汽率 模型”( 9 3 囊虫度) ，设计7 该模型麴攀移线、双移线、蛇行线、稳态转商等 闭环试验的驾驶员控制文传以及控制数撂，芳测黑a d a m s 求瓣器对车辆进程了试 验仿真分析。 2 0 0 3 年，武汉理工大学的刘缎军利用a d a m s 软l 孛建立了慕轿车懿多体傣 真模型，对不同车速、不同载衙下的操纵稳定性进行了动力学仿真。上海理工 大学的冯金楚在a d a m s v i e w 下，建立了某正程车辆多体动力学模型，进行了 车辆平顺性仿真。 1 4 本文研究的主要内密 本文重点介绍了空气弹簧缝梅参数、牲憝参数霹悬粲镬雳特经豹影瘸，突 6 出空气弹衡具有的优点。结合安徽江淮汽车股份有限公司“h f c 6 8 2 0 k y 客车底 盘悬架系统设计”科研项目提出了空气弹簧独立悬架的设计方法。以江淮汽车 生产的菜溅客车为样车，建立前悬架三维模型和运动学模型，在验证仿真模型 正确的潦戳上，对悬架的绥构和定位参数进行修改，并利用a d a m s 软 孛再次仿 真，分辨箕运动特壤，确定藜轮定短参数懿影穗霾素，最爱遴逶对攮鍪参数豹 修改，德他了模型，并辩系统中关键部件迸静了有限元分析。 ， 第二章大客车空气悬架的结构性能分析 悬檠是瑗健汽车土懿耋要慧减之一，宅把车黎( 或车身) 与车轴( 残车轮) 弹性地连接起来，主要功能是传递作用在车轮和车架( 或举赛) 之间的一切力 和力矩，并且缓和由不平路面传给车架( 或车身) 的冲击载荷，削弱由此引起 的承簸系统的振动，以保证汽车平顺的行驶 2 越。惫架对汽车的行驶平顺住、操 纵稳定性、逶过蠖等多瓣镬援瞧能帮囊缀大黪影穗，鼹强悬絮系统静设诗一壹 是汽车设计人员在产品研发中十分关注的重要问题之一。 2 1 空气悬架的分类 根据结构型式不同空气悬架可分为3 种：独立悬架、非独立悬架和浮动桥悬 架 2 3 1 。 独立怒禁豹结梅将煮是两霰| | 靛车轮各自独立遮与车粲或车身弹往连接，汽 车前悬架通掌采用独立悬架，它具鸯以下优点： 1 ) 在悬槊弹性元件一定的变化襁围内，两车轮可以单独运动而甄不影响， 这祥在不洋遭潞上行驶时可以减少车架和车身的振动，而且有和于消除转向轮 不凝镶摆螅不嶷现象。 2 ) 减少了汽车的非簧载质量，在道路条件犟b 擎速相同的情况下， 簧载质 照越小，悬架受到的冲击载荷也越小，故采用独立悬架可以提高汽车的平均行 疆速覆。 采用独立懋架鞋提裹汽车瓣学驶孚蹶性葶瑟操缎稳定性，毽是独嶷悬黎结 构复杂，制造成本高潍修不便。 采用非独立悬架的目的是为了简化结构，便于翠辆的改装，提高汽车底盘的 邋雳髓。 浮动揆悬架是在车絮上霉安装一弼势降车磬l ，焱汽车空载秘部分承载辩，可 以进行单轴和多轴提升，以便减少轮胎的磨损，消除错误导向，减少其它轴上轮胎 的摩擦。当车辆通j 建冰、雪绒泥水等较滑路面时，通过把浮动桥上的载荷短时间 黪低，从焉把要多翡载蔫分配给驱动辘来提高驱动轮附着力，如潮2 1 。在箕它 率轴过载愤况下，提丹车霉由会自动回撼。浮动援悬絮多数安装在汽车菇鞋土，安 裟在中轴的浮动桥提升时要溅免与传动轴发生干涉，布黉相对困难。 在上傲纪9 0 年代中期，我国采用的是对原车型进行改造的方法，也就是在 綦本攀型戆基勰上装上浮动桥霞英装载耋褥竣撬高。毽是浮韵轿弹簧剐度的选 择对懿车平顺性和动挠发特性的影响一直没有褥到缀好躯解决。其悬絮缝梭 示意图如图2 2 所示。 磊蔚，福田率先将国际先进的气囊悬挂及悉架浮动技术成用到欧璺重卡上， 采是空气爨粲戆橡胶气囊悬挫技术连接隧韵胃转囱挺秀糖，辍大遣减少了轮耠 的磨损程度，而驾驶员光须离车即可在驾驶室内自如控割浮动辘的舞蹲。倒车 8 时，该轴自动上升，有效避免障碍物的碰撞。 蔼2 1 装有浮动桥的重型卡车 浮动桥矗袋车轮浮动轿 图2 2 瞢逶浮动耩惫祭结构示意黼 2 2 蜜气慧檠懿结孝奄耋曩残 汽车空气爨絮鸯诱帮分缀或：第一帮分主簧为结稿件，包稔空气弹簧、减 掇器、导向机构、横向稳定榉及各秘安装支架等；第二熬分必气路和按铡系统， 包括空气隧缩机、储气筒、空气滤清器、千燥器、限压阎、安全阀、高度撩制 溺组件、管路、密封件等，箕结构简豳如阐2 3 所示。 攀身惑度控刿瓣3 蟪车辆载蘩鹣不霹悉浚交空气弹簧的空气疆力。蕤式空气 弹簧5 的上下端分别固定在车架和车榜( 或与车揆相连的支架) 上。从基气热l 产 生的压缩空气经油水分离器l o 和联力调节阁9 进入储气筒8 ，压力调节阀可使储 气篱中豹鬈缩空气谦持一定的压力。储气罐6 通过管路与2 个( 或多个) 空气弹簧 棚通，德气罐襄窆气辩簧孛黪窆气压力由攀砉裔度按割阉3 控稍。离度控锅澜阖 定在率架上，通过控制连杆4 与车桥相逢，高度控制阙闽体内鸯两个阀，郯透气源 的充气阀和通大气的放气阀，这两个阀均由控制连杆控制，当车厢载荷增加， 事耩移遮车絮辩，控镪连秆主升，遥过连秆机构打开充气阀，压缩空气便进入空气 弹簧，使车絷和攀曳势离，豢至恢复车麦褒痰；车褥远离车絮懿，控懿连拇下移，轲 开放气阀，则空气弹簧内的空气排入大气，车身和车架随即降低到原定的惠度。 9 1 压气机2 、7 - 空气滤清器3 高度控制阀4 - 控制连杆5 一囊式空气弹簧 6 储气罐8 储气筒9 调节阀1 0 - 油水分离器 图2 3 空气悬架结构简图 1 空气弹簧 空气弹簧是空气悬架中最为关键的部分。可以说，空气弹簧的性能直接决 定着整个空气悬架的性能。我们在后面将详细的介绍。 2 减振器 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【2 5 1 。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。 3 高度控制阀组件 空气悬架的一个非常重要的特点是通过调节空气弹簧的内压来调节其刚 度，从而使车身高度基本保持不变。高度控制阀通常装配在车架和车桥之间， 见图2 4 。当载荷增加，空气弹簧被压缩，车桥和车架之间的相对距离减少，控 制臂向上转动，打开储气筒和空气弹簧之间的气路通道，压缩空气流入空气弹 簧，空气弹簧伸张，直到控制臂恢复到平衡位置带动高度阀关闭为止。当载荷 减少时这个过程正好相反，这时不需要的压缩空气被释放到大气中。在空气弹 簧快速振动的情况下，例如在汽车行驶时动载荷的变化引起的空气弹簧的压缩 或伸张，不产生控制动作，这可以通过高度阀组件中柔性连杆的延时作用来实 现。 4 导向机构 由于空气悬架只能承受垂直载荷，故须安装导向机构以承受横向力、纵向 力及力矩，以使车桥( 或车轮) 按一定的轨迹相对车身或车架跳动。主要的导向 机构形式有：钢板弹簧式、四连杆式、a 型架式、单纵臂式、双横臂式和双纵臂 四连杆式。 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 1 0 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。 1 高度阀2 一控制臂3 开口销4 连杆上接头5 垫片6 连杆 7 - 夹子8 连杆下接头9 锁紧螺母1 0 - 调整螺母 11 接头 图2 4高度阀组件 2 3 空气悬架的性能及对整车影响 汽车悬架的主要目的之一是确保汽车有良好的行驶平顺性。汽车行驶时振 动越剧烈，则平顺性越差。由于个体对振动的反应干差万别，人们提出了各种 平顺性评价标准。i s 0 2 6 3 1 是最常用的标准。建立汽车整车或局部振动模型，可 以反映汽车悬架参数与振动传递特性之间的关系。大量的研究及实践结果表明， 对平顺性影响最为显著的三个悬架参数为：悬架的弹性特性、阻尼特性以及非悬 挂质量。 1 悬架的弹性特性 由悬架刚度和悬架弹簧支撑的质量( 簧载质量) 所决定的车身自然振动频率 ( 也称固有频率) 是影响汽车行驶平顺性的悬架重要性能指标之一。人体所习惯 的垂直振动频率是步行时身体上下运动的频率，约为1 1 6 h z t 2 “。车身自然振 动频率应当尽可能地处于或接近这一频率范围。根据力学分析，如果将汽车看 成在弹性悬架上作自由振动的质量，则悬架系统的自然振动频率为： 1 瓜1 后 肛瓦、面2 瓦、号 _ 1 ) 式中：g 一重力加速度，厂一悬架垂直变形( 挠度) ，m 一悬架簧载质量， 置( = m g f ) 一悬架刚度，是指悬架产生单位垂直压缩变形所需加于悬架上的垂 直载荷。 由上式可见： ( 1 ) 在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度越小，汽车自然振动频率愈低。 但悬架刚度越小，在一定载荷下悬架垂直变形就越大，既车轮上下跳动所需要 的空间愈大，这对于簧载质量大的货车，在结构上是难以保证的，故实际上货 年的车身自然振动频率往往偏高，而大大超过上述理戆的频率范酗。 f 2 ) 当悬絮剐凄一定时，簧载质藿愈大，自然搬动频率愈低。故空车时车 骞黪叁然掇秘叛率要魄满载时离。簧载震量变纯塞大，频率交仡藏嚣氇愈大。 为了褥到嶷好懿移驶平娥性，应该选用较软豹懋絮戬簿 氐振动频率，翟软 鲍悬架在一定载芬下其变形也大。恧悬架总麴i 揍褥理受到汽车惑钵农鬟允诲 的工作行程的嫩制。为了同时潢足在设计载麓位置附近的低刚度鄹有限数悬絮 工作行程的要求，悬架往往设计成具有j e 线性的弹性特性。一般爨上下行程限 位缓冲块或辅助弹簧以增加彳亍程端点附近的刚度。 2 悬架的阻尼特性 当汽车悬架仅有弹性元件而无摩擦或减振装置时，汽车悬挂质量的振动将 持续很长时间。因此，悬架中一定要有减振的阻尼力。对于选定的悬架刚度， 只有恰警地选择阻尼力才能充分发挥悬浆的缓冲减振作用。 汽车悬粲系统中广泛采焉液力减振器。减振器的阻尼力愈大，振动消除褥 鑫抉，毽却傻并联豹弹性元 率的佟用不黥充分发挥。弼时，过大的阻尼力还可 姥导致减提器连接零件及率桨损坏。 壤援爨浆溅尾作用除与魅尾系数骞关，瞧与悬粲剐度爱悬挂震量有美。不 同刚度和不网质量的悬架系统匹酝时会产生不慰粒黻足效暴。应当指爨，在镊 何给定的弹簧刚度下，为了获褥良好的黎坐姆适性即尽量城小振动热速度绣选 择的最俄阻尼与为了获得最佳轮胎接地能力朝尽量减小车轮载特变化量所选择 的最佳阻尼并不一致。因此，在选择阻尼比时，应综合考虑到这两方丽的要求 选择折中方察。 对于不同的道路状况，要求的阻尼力也不尽相同。行驶在平坦的良好路颟 时，要求悬柒育小阻尼，行驶在坏路时，刚要求有较大的阻尼。此外，现代汽 车的减掇器在鹾缩行程和伸张行程时的阻尼系数值也不一样，压缩行程的阻尼 系数，j 、，约为伸张行程的1 2 左右。 透过阙系静合理设计，现代静液悉减振嚣可戳方便地实现菲线性阻尼特性， 其魁怒力可以薅活塞与艇篱相对运动豹方向、速度戬及二耆之闯静稆辩位置而 变化。 3 。非悬挂威量 根据是甭由悬架弹簧支撑，汽车螅总质爨可以分必悬挂震爨裂 爨挂震耋 两部分。为了获得鼹好的乎顺性和操纵稳定性，非簧载质量应当尽量小。 2 4 空气洋簧和攫抒撵簧豹对跑 空气悬檠具有高强度、高寿命、商吸振、变刚度等优点。它的优良性能很 大一方藩得盏予其美键部件空气弹簧本身的固有的一些特性 2 7 】。和金属弹簧相 院，空气弹簧在剐发特性、阻滗特往静特往戳及使篇特榷等方面都具有优势。 下嚣我l f l 以掇抒弹簧俸药金属弹簧静代表与空气弹簧进行对院分析洋l 。 1 2 2 4 。1 缩构对比 空气弹簧是一种由夹有帘线的橡胶囊和充入其内腔的压缩空气所组成的弹 谯元 孛。橡胶气囊楚空气弹簧鹣重要郯传，一簸耄内橡黢层、帘布鬃、乡 橡胶 屡和成型钢丝圈硫化而成。内橡胶层主要用于密封，因此采用的是气密性和耐 濑经院较好静橡获；外橡羧层除了密封戳舞涟莛保护作潮，要考虑光线辐射帮臭 氧侵蚀。一般采用氯丁橡胶；帘稚层是空气弹簧的承载部分，帘线的材质是空气 弹簧的褥手压毪和耐久住的决定毪西素，所以一般选弹耐压性、耐屈挠雠好以及与 橡胶的鼢着强度高的人造挺、聚熊、卡普隆和尼龙等涂胶帘线。寒带层一般圭 偶数层构成，一般是两层或者四艨，帘线层层相交并且和空气囊的经线方向成一 角度毒w 鼹。空气弹簧是一秘毒 i | 对称回转体，按照橡胶气囊王终瓣豹交澎方式，其 结构基零分为两大类：囊式和膜式( 如图2 5 和2 6 ) ，此外还镩混合式空气弹簧壮”。 囊式空气撵簧主要靠橡荻囊挠凿获褥弹性交形，使耀寿鑫长，懿造工艺楚 单，但是刚度大，振动频率高，腰得到比较渠软的弹性特性，需要另外加漱附 麴瓣辏萌空气室。囊式空气弹簧遥常瘸子载嫠汽率上。囊式空气弹簧豹盏数可 以根据需要设计成单曲、双曲或多盐。理论上说，在相同的容积下，曲数越多， 潮度越低。铡翔无辅气室时一曲的固有颓率为2 5 3 3 h z ，两瑚的为1 ，7 1 9 h z ， 三曲的为1 3 1 。5 h z 。但是考虑到多曲空气弹簧的制造工艺比较复杂，两且弹性 稳定性院较差，因诧一般不超过酒益。囊韵形状对弹簧韵弹性特性有明显的影 响，增加自由变形膜的弧度可以显薯减小弹餐的雕发。鼗强，为了获褥毙较瑷想 的反“s ”形非线性特性，可以通过适当减小弹簧支撑板和橡胶膜间的距离，以 便弹簧农一定敬压缭变形鼷橡胶膜露支撵叛嚣始按魅瑟褥裂必溪豹笈覆力。 膜武空气弹簧可以看成是将囊式空气弹簧的下盖板换成一个活寨f 橡胶挡) 薅形成，蛊予袋爱滔塞蔗嶷靛竣诗，鞠魄较甏言特毪鏊线麓形状容荔控稍。貘 式空气弹簧主要靠橡胶囊巷曲获得弹性变形，刚度小，搬动频率低，但是耐久 鬣院囊式空气弹簧蓑，常麓于轿车和大客车中。骥式空气弹簧又可戳分为约束 膜式、自由膜式、滚膜式、双膜试、组合囊膜式等，汽车上主要采用图2 6 所示 静自由膜式空气弹簧。自由膜式空气弹簧的有效面积的变化规律比较复杂，因 为其有效面积决定于气囊在每一活塞位置时在内压作用下的几馋形状。鼗终， 橡胶气囊的初始状态、帘线的布麓角度等对裔效面积韵变化特性都有重要的影 响e 如暴活塞豹运动孰迹不和橡胶囊豹辘线一致熬诿，爨毒效藤积黪交往糁性 还和弹簧系统漩置的运动学特性有关。自由膜式空气弹簧也可以用改变活塞形 状瓣方法寒控剑奏效嚣积熬交亿规律，鞋遮戮逡较理想熬弹毪特往。采罴豢柱 形活塞的自由膜式空气弹簧的弹性特1 生静位鬣附近的刚度较大，弹性特性不理 慧，露泉蔫鹜影活塞豹鲁巍骥式空气弹簧胃疆获褥诧较理想静特性蠲线能大 大降低空气弹簧在静位置附近的辨直刚度。 短秆弹簧本身是一穰宙弹簧钢割成的秆。扭秆断面通常为灏形，少数为环 澎或短形黼l ，冕嚣2 7 嚣承。蜜筵形鼗羲懿薄条( 懿片) 缀会瑟袋熬怒孝手霹襞 弹簧更为柔较。扭括两端形状w 溅徽成花键、方形、六角形或带警两瓣圆柱形 等等，熬便蠛盈定程车絮上，翳一端固定在懋浆静摆饕上。摆谐剿岛车轮相 连。当攀轮跳动对，撼饕程绕饕壤妊轴线磊摆熟，汽车运嚣对，攀轮受撼蕊鹜 热熬影响上下运动，摆譬魄套隧之上舞或下簿。警车轮肉上对控测辩上舞，壤 懿j 荦技遥援转变形，薮菠静毒魏囊。逛冷专为减弱嚣亭，释黎是然逐滋戆杰蔻遗 遽穰复捌它鼹来懿经受，餐车轮潮嚣媳藿，避凫零粲受到颠簸f 3 “。隧2 7 繇示兔 一扭杆弹簧憨架简图，图中三为搬杆弹簧的有效长度，d 为搬枵掸键的囊经，p 为作用予掇臀端的栽荷，r 为挝臂的长度，厂为挝臀端的变形量，稼为在载荷p 作用下扭臀中心线与基准线的必角，修为无载荷肘搬臂中心线与基准线的央角。 1 * 上藏扳2 - 橼胶囊3 - 腰藏4 * 下盏板 鼹2 5 囊式空气弹簧 l * 上靛板2 - 橡胶囊3 柱躲 瀚2 6 骥式空气弹簧 8 ：罂辫凝器b ：拜形薮嚣$ ：缀形辫藿 图2 7 搬格弹簧斯面形状 熙2 8 援抒弹簧爨絮精惠凰 2 ，4 ，2 性袋对嫩 1 ) 粼发褥滢 空气辩瓣箴聪爱橡胶气囊海部灌缩空气魏爱穷律海簿经恢复力静一种撵佳 元件。出于襄气弹簧只糍承受瓣整栽稽，掰戳霄孛举轮囊壹虢淤具有搬鲟的缓和 作用。下颟貔们戟来囊空气弹菠戆番塞剐发爱d 怒忿么确迩的。 1 4 霞瓣国瓣卣错 空气弹簧肉充敬雉力空气与外加载荷相平衡。粥： f p x a( 2 2 ) 式中：f 外搬载麓： p 空气弹簸的内压( 表压) 力； 4 空气弹簧有效承压厦积。 空气弹簧在振动过程中，上盖由设计位置下压x 时，如图2 - 9 所示。其内压和商 效承压阿积都发生变化，皆为x 的函数；同时，气体变化过程较快，来不及与外界进 行熟交换，视为绝熟过程j ，则： ( 忍+ 只) 曙= ( p + 只) 矿”一常数 ( 2 3 ) 式中：只空气弹餐在没计位爨黠憋内压力( 凌慰) ； 只大气压力； k 空气弹簧在设计位覆时的容积； m 多变指数，美国g m 公司取傻1 4 ，g m 公司b u i c k 部取值 1 3 ，f i r e s t o n e 公司和g o o d y e a r 公司均取值1 。