（车辆工程专业论文）大客车双纵臂式四气囊空气悬架的结构分析与试验研究.pdf

摘要随着时代进步和人民生活水平的提高，国民出行对客车的舒适性、安全性要求也越来越高。客车乘坐舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架作为连接车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 之问的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，悬架及其结构形式往往是使用者( 用户) 十分关注的整车总成之一被编入技术规格表，作为衡量汽车质量及水平的重要指标。设计选型时悬架结构型式和性能参数的选择合理与否，不仅直接影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性，而且对缓和车辆行驶时对路面的冲击、减少道路损坏、延长路桥的使用寿命也具有十分重要的意义。由此可见，悬架系统在现代汽车上的重要作用。对空气悬架的研究我国虽然起步较早，但由于种种原因直到上世纪末才重新得到重视。随着国产客车技术发展和市场需求的强烈，围绕空气悬架的研究逐渐深入，但大多数集中在空气弹簧和主动悬架的研究范围，而对悬架受载和总成性能方面的研究则不多见。本文在研究了汽车空气悬架的现状与发展、悬架结构及基本理论的基础上，结合有限元分析仿真技术和振动试验技术，以某大型客车双纵臂式四气囊空气悬架总成为研究对象，首先利用有限元分析技术( a n s y s ) 对空气悬架各组成部分进行模拟分析，利用液压动力环境模拟系统对空气悬架总成进行载荷试验，得出悬架各部件的应变结果和悬架的静、动态刚度结果，然后将模拟分析结果和实际实验得出的应变数据进行了比对，最后对空气悬架总成进行运动效果仿真。研究表明，对空气悬架进行有限元分析和振动试验的有机结合研究，能够更好地优化空气悬架的结构和在实际使用中的刚度特性，从而有助于解决空气悬架在设计和生产中遇到的结构、性能和技术问题，提高安装使用空气悬架大客车的安全性和舒适性。关键词：大客车空、气悬架、双纵臂、四气囊、有限元、载荷实验、模拟、a n s y sa b s t r a c tw i t ht h ep r o g r e s so ft h et i m e sa n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，t h ep a s s e n g e rp u tf o r w a r dt oi m p r o v i n gt h e i rc o m f o r ta n ds a f e t yi n c r e a s i n g p a s s e n g e r sc o m f o r ti sr e l a t e dw i t ht h eb o d yo ft h ei n h e r e n tv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，b u tt h eb o d yo ft h ei n h e r e n tv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sa s s o c i a t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es u s p e n s i o n s t h e r e f o r e ，v e h i c l es u s p e n s i o ni sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tt oe n s u r ep e o p l e sc o m f o r t a tt h es a m et i m e ，a sat r a n s m i s s i o nc o n n e c t i o nc o m p o n e n tb e t w e e nt h ef r a m e ( b o d y ) a n dt h ea x l e ( w h e e l ) ，v e h i c l es u s p e n s i o ni sa l s oi m p o r t a n tt ot h es a f e t yo ft h ee a r t h e r e f o r e ，s u s p e n s i o na n ds t r u c t u r a lf o r mw h i c ha r ev e r yc o n c e m e da b o u tb yu s e r sa r ei n v o l v e di n t oo n eo ft h ev e h i c l ea s s e m b l ya n di n t oo n eo ft h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s b e f o r es u s p e n s i o nd e s i g n i n g ，w h e t h e rt h ec h o i c eo ft h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ri sr e a s o n a b l eo rn o t ，a l ld i r e c t l ya f f e c t e dt ot h ec o m f o r t ，s t a b i l i t ya n dc o m f o r to ft h ev e h i c l e e a s i n gt h ei m p a c to fr e d u c i n gr o a dd a m a g ea n de x t e n d i n gt h es e r v i c el i f eo fr o a da n db r i d g ew h e nt h ev e h i c l e sa r eo nt h er o a di sa l s oo fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h u s ，s u s p e n s i o ns y s t e mi sv e r yi m p o r t a n ti nt h em o d e ma u t o m o t i v e a l t h o u g ht h er e s e a r c ho fa i rs u s p e n s i o ns t a r t e de a r l i e ri nc h i n a ，b u td u et ov a r i o u sr e a s o n s ，i tr e g a i n e da t t e n t i o nu n t i lt h ee n do ft h el a s tc e n t u r y w i t ht h ed o m e s t i cb u s st e c h n o l o g ya n dt h es t r o n gm a r k e td e m a n d ，w ea r er e s e a r c h i n go nt h ea i rs u s p e n s i o n ，h o w e v e r ,t h em a j o r i t i e sa r ec o n c e n t r a t i n go nt h ea i rs p r i n ga n da c t i v es u s p e n s i o na n dt h es c o p eo ft h es t u d y , t h er e s e a r c ho nt h ef o r c e ds u s p e n s i o na n da s s e m b l yp e r f o r m a n c ei sr a r e i nt h i sp a p e r , w ec h o o s eal a r g ep a s s e n g e rv e h i c l ew i t hd o u b l ev e r t i c a la r mt y p ef o u ra i r b a g sa i rs u s p e n s i o na st h er e s e a r c ho b j e c ta n du s ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dv i b r a t i o nt e s tt e c h n o l o g y f i r s t l y , w em a k eas i m u l a t i o na n a l y s i su s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g y( a n s y s ) t ot h ea i rs u s p e n s i o nc o m p o n e n t s ，a n dt h e nm a k ea na i rs u s p e n s i o nl o a dt e s tu s i n gh y d r a u l i cp o w e re n v i r o n m e n ts i m u l a t i o ns y s t e ma n ds u s p e n s i o na s s e m b l i e sf o rt h es i m u l a t i o n a tt h ee n d ，w em a k eac o m p a r i s o nb e t w e e nt h e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o m b i n a t i o nr e s e a r c ho ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dv i b r a t i o n1 1 1t e s t so nt h ea i rs u s p e n s i o ni sa b l et oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo fa i rs u s p e n s i o na n dt h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i c si na c t u a lu s e ，t h u si ti sc o n t r i b u t i n gt ot h ea c h i e v e m e n to fa i rs u s p e n s i o ni nt h ed e s i g na n ds t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ea n dt e c h n i c a lp r o b l e m s ，t h e r e b ye n h a n c i n gt h es a f e t ya n dc o m f o r tb u sw h i c hi n s t a l lt h ea i rs u s p e n s i o n s k e yw o r d s ：b u sp a s s e n g e rc o m p a r t m e n t ；a i rs u s p e n s i o n ；d o u b l ev e r t i c a la l - mt y p e ；f o u ra i r b a g s ；f i n i t ee l e m e n t ；l o a dt e s t ；s t r e s sd i s t r i b u t i o n ；a n y s y s 论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：川年罗其西日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：导师签名：p 跨s 其够e t长安大学硕i 二学位论文第一章绪论1 1 本课题研究的发展现状在我国，虽然空气悬架在国产汽车特别是大客车上安装使用的时间较短，但开展研究的起步却较早。由于经费投入、设计技术、使用经验和基础工业( 橡胶加工、制造、材料等) 的限制，我国的空气悬架研究长期处于样品研究开发和断断续续的状态，且由于力量分散，大多是企业和高校与科研单位的个体行为，难以取得突破性进展。研究的主要方向集中在空气悬架总成开发、被动悬架实现主动控制和空气弹簧的性能等方面，而对空气悬架总成的应力分析研究，特别是对空气悬架系统总成的动态特性研究还较少见。究其原因主要是由于空气悬架结构复杂，工作时受力复杂，对各部件的工作可靠性要求高，难以运用经典力学的方法对其强度进行精确分析。随着c a e 技术和测试技术的快速发展，采用有限元分析技术与振动模拟实验技术结合进行空气悬架总成的整体性能研究已经成为可能，并开始被生产企业、科研院所和大专院校所关注。1 1 1 空气悬架的发展与现状【1 2 】汽车上使用的悬架中，主动悬架系统主要包括空气悬架、油气悬架、液力悬架和电磁悬架等。本文的研究对象为空气悬架。( 1 ) 国外空气悬架的发展空气悬架诞生于1 9 世纪中叶，早期主要用于机械设备隔振。1 9 4 7 年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧【2 1 ，随后意大利、英国、法国及日本等国家对空气弹簧作了大量的研究工作。到1 9 6 4 年，德国生产的5 5 种大中型公共汽车中已有3 8 种使用了空气弹簧悬架。目前，空气悬架在国外豪华汽车上已经被广泛采用，在高速客车和豪华城市客车上的使用率已达到1 0 0 ，而在中、重型货车以及挂车上也超过8 0 ，如美国的f o r d ，德国的b e n z 、m a n 、n e o p l a n ，瑞典的v o l v o ，法国的雷诺，日本的尼桑、日野、五十铃、三菱等。2 0 0 2 年欧洲的8 种主流重型载货汽车的后悬架全部采用了空气悬架，其中6种为4 气囊空气悬架。不仅商用车，部分高级轿车也开始选装空气弹簧悬架，如美国的林肯，德国大众的辉腾、奥迪a 8 和b e n z 6 0 0 ，以及日本丰田的凌志l s 4 0 0 等。在一些特种车辆( 如对防震性要求高的仪表车、救护车和要求带高度调节的集装箱运输车等)上【2 1 ，空气弹簧悬架的应用则更为广泛。面对市场需求的扩大，世界上先后出现了几大空气悬架和空气弹簧生产厂家，如美国的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 和德第一章绪论国的s a f 、b p w c o n t i n e n t a l 公司等。国外的汽车空气悬架发展经历了“气囊复合式悬架_ 机械式空气悬架- 电控空气悬架系统”的变化过程。其中，复合式空气悬架是钢板弹簧与空气弹簧混合在一起的悬架系统，是一种过渡结构形式，其钢板弹簧主要作为传力导向机构，同时也作为弹性元件承受部分垂直载荷。复合式悬架的减振性能受钢板弹簧的影响较大，其最大不足是弹性特性不能完全满足要求。机械式空气悬架主要由空气压缩机、组合式滤气调压阀、储气筒、空气弹簧、双向作用筒式减振器、高度控制阀、导向机构和横向稳定机构等组成，是上世纪九十年代初期产品，这种悬架能根据载荷变化调节悬架刚度，使车身高度不变，但它不能根据汽车操纵稳定性和行驶平顺性指标综合考虑控制因素来调节悬架刚度。随着电子技术和车辆控制技术的发展，电控空气悬架系统开始在汽车上得到了应用。由于电子控制系统不仅提高了操作舒适性和反应灵敏度，而且可以附加很多辅助功能，因此在中、高档汽车上逐渐成为主流。( 2 ) 我国对空气悬架技术的研究和应用早在二十世纪五十年代我国就开始了对空气弹簧的研究。1 9 5 7 年初，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作，进行了空气弹簧橡胶气囊的设计工作，同年底制造出我国第一辆空气悬架货车。1 9 5 8 年，长春汽车研究所在北京、天津、上海等地设计和协助设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等多种车辆的空气悬架。其中，最早试制的是北京公共汽车公司第一保养场的道奇t 一2 3 4 公共汽车，改装后行驶里程超过6 万公里。同年底，长春汽车研究所和北京交通运输局基本建设处一起完成了高度控制阀的设计，这种高度控制阀由车门的开关信号来控制车身高度。第二年又设计出高级轿车使用的具有举升系统的高度控制阀。这段时期，我国共设计出十余种空气弹簧和三种高度控制阀，其中最早的高度控制阀是一种带有油压迟滞机构的延时型阀。但这阶段的研究工作也存在一些问题，如高度控制阀的可靠性、整个系统的密封性、悬架的稳定性以及空气弹簧的特性理论等问题没有得到很好的解决，同时也存在对空气悬架发展和应用的认识问题。上世纪八十年代初，长春汽车研究所再次进行了空气悬架的研究，并为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设计了空气悬架，使用这种悬架后车身自振频率可降低到1 1 1 2 h z ，平均车速提高了1 7 ，悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了5 0 6 0 k g 。同年，长春汽车研究所还为沈阳电车公司修配厂试制了沈阳s y 6 6 2空气弹簧无轨电车并运行了6 万公里，使用及试验结果表明车身、车桥及联接部件基本2长安大学硕十学位论文没有损伤。1 9 8 7 年长春汽车研究所与沈阳飞机制造公司汽车厂共同开发了c a l 5 1 d 1 8空气悬架客车底盘，并装在s f q 6 9 8 1 a 型客车上。这期间国产空气悬架存在的主要问题是橡胶空气囊的寿命偏低和高度控制阀泄漏等，这些问题一直没有得到很好解决。进入上世纪九十年代，由于高速公路的修建和一批低等级公路的改造，我国道路条件得到了极大改善，特别是火车的四次提速，国民对公路客车提出了更高的要求。面对公路客运的新形势，各客车厂纷纷从国外购置空气悬架或装备空气悬架的客车底盘，制造高档豪华客车，以提高产品的技术含量，满足国内高档客车市场的需求，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司、西安飞机制造厂、安凯汽车股份有限公司、亚星客车集团公司和丹东汽车制造厂等。同时，国内各大汽车厂、研究所、大专院校也开始重视对空气悬架的开发设计和理论研究，如东风汽车工程研究院设计了混合式空气悬架；中国重型汽车集团公司在斯泰尔车上安装了浮动桥空气悬架；上海汇众汽车制造公司重型汽车厂对k l 6 1 2 0 h f 3 型旅游客车底盘进行了安装空气悬架的改进设计；淝河汽车制造厂自行开发设计了空气悬架，并安装在h f f 6 1 2 0 d 0 5 型大客车上；1 9 8 7 1 9 9 1 年交通部重庆公路科学研究所对大客车非独立空气悬架进行了较系统的研究( 包括导向机构、高度控制阀、减震器和橡胶气囊等) ，所开发的产品被装备在了j 6 1 2 0 客车底盘上；1 9 9 9年交通部重庆公路科学研究所又对w d 6 8 9 0 h 型客车安装n e w a y 空气悬架的整车进行了研究；江苏省交通科学研究院与亚星客车集团公司共同开发了中型客车用混合式空气悬架；湖北大学提出了根据振幅的变化范围确定具有非线性弹性元件的悬架固有频率计算方法；同济大学曾对空气弹簧系统的动特性进行过研究；北京理工大学开展了日野r c 4 2 0 型客车空气弹簧的台架试验，并进行了空气弹簧静、动特性和气室容积特性的分析。在这段时期，沈阳飞机制造公司和交通部重庆公路科学研究所起草了g b l l 6 1 2 8 9客车空气悬架用高度控制阀和g b t 1 3 0 6 1 9 4 汽车悬架用空气弹簧一橡胶弹簧，为高度控制阀和橡胶气囊国产化提供了标准依据。为了满足空气悬架使用和维修配件的需要，近年来国内部分企业开始生产空气悬架零部件，如贵州前进橡胶有限公司、山东莱州市橡胶厂、铁道部四方车辆研究所等，其主要产品是各种膜式和囊式空气弹簧气囊，应用于汽车、铁路车辆和一些机械设备上。也有一些曾经生产过或正在生产高度控制阀的厂家，如铁道部科学研究院机车车辆研究所设计了空气阻尼制动高度调整阀，主要配置安装在有空气弹簧的地铁车辆、铁路车辆、汽车和一些机械设备上；华中理工大学也曾设计开发过机械式高度控制阀；中国电子工程设计院研制了无延时机构机械式高度阀；交通部重庆公路科学研究所重庆康吉车辆技3第一章绪论术开发公司研制生产的g d f f 高度控制阀主要应用于空气悬架的大客车上；浙江瑞安市东欧汽车零件厂生产g d f 气囊高度控制阀的系列产品。特别值得一提的是，中国公路车辆机械总公司在消化国家“七五”攻关项目子项专题“j t 6 1 2 0 空气悬架开发技术”的基础上，完善产品性能，增加工艺装备，经过l o 余年的努力，现已形成年产各种型号空气悬架5 0 0 0 套的能力，并批量为各客车制造厂配套。此外一些外资企业也开始在中国进行空气悬架的生产和销售，如美国的n e w a y 公司。、r i d e w e u 公司、德国的s a f公司等，其产品主要是客车、挂车和半挂车用空气悬架系统。进入本世纪后，随着我国高速公路网的基本形成和国民经济的高速发展，快速客运和直达客运已成为公路客运的重要组成部分。为促进客车技术水平的提高，适应国民对公路客运的更高要求，规范客运市场的客运收费，交通部和建设部分别组织制定了j t t 3 2 5 营运客车类型划分及等级评定、c j j 1 6 2 城市客车分等级技术要求与配量标准，规定了不同等级车型必须达到的技术指标和总成配置要求，其中，高三级客车和高级城市客车必须配置空气悬架。标准的实施推进了客车技术的发展，也对空气悬架的设计、制造和推广应用产生了极大的推动。目前，空气悬架主要应用于国产高等级客车上，由于多方面因素的制约，其在中级客车上的配置率还很低，基本上属于“导入 阶段。据不完全统计，国内应用较多的企业主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、扬州亚星、一汽客底、东风杭汽等规模较大的客车整车及底盘厂家。2 0 0 2 2 0 0 3 年郑州宇通通过自主开发，加上选配n e w a y 及r e y c o 空气悬架，年装车近5 0 0 8 0 0 台套；扬州亚星年产客车及底盘8 0 0 0 多台，分别选用了n e w a y 和r e y c o 空气悬架；一汽的高档客车底盘主要选用n e w a y 和r e y c o 空气悬架；而厦门金龙、苏州金龙既选用n e w a y 、科曼或其他国外公司产品，又选用了部分中国公路车辆机械总公司的产品。此外，国内其他一些客车厂家的高档客车也都以选用国外空气悬架产品为主。此外，特别值得一提的是空气悬架在载货汽车上使用能够更好地保护道路、提高货物完好率。但目前国内空气悬架在载货汽车上的应用尚处于起步阶段。据奥尔威咨询公司分析，目前国内客车与卡车空气悬架市场存在较大差异。交通部营运客车类型划分及等级评定标准规定，2 0 0 7 年1 月1 日起，大型高一级客车、中型高二级客车也必须采用空气悬架，从而使得2 0 0 7 年我国空气悬架装配量大大提高，装配率也从2 0 0 5 年的8 上升到2 0 0 7 年的18 4 。反观卡车空气悬架市场，随着“假悬桥 的泛滥以及大量卡车用户的违规操作，使得部分省市在2 0 0 7 年下半年相继推出了一系列政策限制空气4长安大学硕十学位论文悬架桥的推广，让本来便不景气的卡车空气悬架市场变得扑朔迷离。不过，随着我国高等级公路的发展、运输量的增加和政府对高速公路养护的重视，将使空气悬架在重型车市场的使用进一步扩大。可见无论是在客货运输需求方面还是在商用汽车技术发展方面，空气悬架都代表着我国未来的车辆发展技术。可以预见，我国商用汽车市场对空气悬架的需求将是爆发性的。1 1 2 有限元分析技术的研究现状【3 3 】从“有限元 这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，目前理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限单元法的思想早在上世纪4 0 年代初期就有人提出，但真正用于工程中则是在电子计算机出现后。上世纪5 0 年代该方法首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用，上世纪6 0 年代中期开始在汽车结构分析中得到应用。1 9 6 5 年英国o c z i e n k i e w i c e 教授及其合作者解决了将有限元法应用于所有场的问题，使有限元法的应用范围更加广泛。几十年来有限元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题；由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题；分析的对象从弹性力学扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。归纳起来主要表现在以下几个方面：增加产品和工程的可靠性；在产品的设计阶段发现潜在的问题：经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；缩短产品投向市场的时间；5第一章绪论模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。1 2 本课题研究的目的和意义1 ) 随着我国公路条件的改善、道路保护意识的增强、汽车技术的提高、良好的政策和法规环境的创造，以及人们对舒适性越来越高的要求，空气悬架在我国汽车特别是大客车领域必将得到广泛的应用。但同时也应该看到，虽然我国对空气悬架的研究起步较早，但由于各种原因，空气悬架在我国的应用已经落后国外几十年，中国车用空气悬架行业突出存在着“技术空心化 的问题。这就需要我们不断地探索和研究，进行技术积累，从而掌握空气悬架核心技术，缩小与国外空气悬架技术的差距，并最终实现国产汽车整体技术水平和竞争力的提升。2 ) 大客车空气悬架作为整车的一个关键总成，其产品技术水平对整车的舒适性和操纵稳定性有着很重要的影响。同时，汽车悬架作为车架( 或车身) 与车桥之间连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，悬架往往作为重要总成被编入客车的技术规格表，成为衡量整客车质量和技术水平的指标之一。3 ) 由于空气悬架结构复杂，其强度、刚度问题又是关系到整车结构安全的关键所在，因此了解、掌握其在静、动态载荷作用下的应力分布，对悬架结构的设计和优化具有非常重要的意义。4 ) 要保证悬架的强度和刚度，必须精确而高效地掌握其工作时的应力状况。随着现代c a e 技术和先进的测试手段在汽车行业的广泛应用，应用有限元分析技术和振动测试平台所获得的实验数据，可以迅速实现汽车关键部件的应力状况分析，找出悬架关键部位的最大动应力区域，这对防止悬架结构因为应力集中而造成的结构损伤有着非常重要的现实意义。1 3 主要研究内容和技术路线本文将有限元分析技术和振动试验技术有机结合在一起，以某大型客车双纵臂式四气囊空气悬架为研究对象，进行空气悬架总成结构的静动态特性分析和研究。1 ) 运用有限元分析技术对空气悬架气囊的上下支架在垂直静载荷作用下的应力分布特性进行较为深入的研究，得出结构应力和变形的分布规律；2 ) 应用第四强度理论对悬架进行强度校核。3 ) 将校核结果与相同载荷下的有限元分析结果进行对比，相互校验。4 ) 利用环境动力模拟激振系统( m t s ) 对双纵臂四气囊空气悬架总成进行台架斜6长安大学硕上学位论文波正弦载荷激振试验，得出其在激振响应下的变形特性和气囊上下支架的应力分布特性，并对结果进行分析对比，从而得出对空气悬架开发、应用和完善产品结构的有价值的结论。1 4 本课题研究需要解决的关键技术本课题需要解决的关键性技术主要包括以下几方面：1 ) 利用先进的大型有限元分析软件a n s y s 进行空气悬架结构的静应力分析，判断该悬架气囊上下支架结构在满载情况下危险点的位置，初步确定台架试验中的应力测点位置：同时建立下支座整体模型，并通过软件进行模型的模态分析。得出其在不同变形下的固有频率特性。2 ) 采用动力环境激振模拟系统对悬架总成进行斜波、正弦模拟试验，获得总成在激振下的变形和气囊上下支架的应力分布特性，为进一步进行结构改进和优化设计提供试验依据。3 ) 通过试验和仿真，得到双纵臂式四气囊空气悬架总成的刚度特性。4 ) 利用先进的模型仿真软件c a t i a 对空气悬架的运动过程进行动画仿真模拟。将其在试验中的动态效果在计算机中得到模拟再现。7第一二章宅气悬架研究的理论基础第二章空气悬架研究的理论基础2 1 空气悬架结构与空气悬架研究的基本理论2 1 1 空气悬架的结构组成【3 巧】汽车空气悬架由空气弹簧、减振器、导向机构、高度控制阀及各种安装支架等组成。( 1 ) 空气弹簧空气弹簧由气囊( 薄壁橡胶件) 、盖板、活塞座、橡胶限位块等组成，其内部充满压缩空气，以压缩空气作为工作介质，满载工作压力通常为0 6 m p a 左右。当空气弹簧压缩时，气囊沿活塞座轮廓面向下挠曲变形。空气弹簧一般分为两种，即膜式和囊式【3 堋，如图2 1 、图2 2 所示。图2 1 囊式空气弹簧图2 2 膜式空气弹簧囊式空气弹簧较早应用在大客车上，优点是寿命长，制造工艺简单；缺点是刚度大，振动频率高，要得到比较柔软的特性，需要另加较大的附加空气室。其主要特点是：1 ) 囊的形状对弹簧的弹性特性有明显影响，增加自由变形膜的弧度可以显著减小弹簧的刚度。2 ) 空气弹簧的刚度与弹簧的有效面积变化率d f d a 有关，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。3 ) 空气弹簧的容积愈大，刚度愈低，采用辅助气室能减小空气弹簧的刚度。4 ) 囊式空气弹簧可以根据需要设计成单曲、双曲或多曲的形状。在相同的容积下，曲数愈多，刚度愈低。但考虑到多曲空气弹簧的制造工艺比较复杂，且弹性稳定性也较差，因此曲数一般不超过四曲。当增加气囊的曲数时，由于气囊的变形可由各个曲部平均分担，有效直径变化率愈小。近年来，在国内外大型客车的空气悬架上广泛使用了膜式空气弹簧。膜式空气弹簧的优点是刚度小、振动频率低、特性曲线的形状容易控制。缺点是由于橡胶囊的工作8长安大学硕十学位论文情况较为复杂，耐久性比囊式空气弹簧差。其主要特点是：1 ) 膜式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塞而形成的。由于采用了活塞底座设计，空气弹簧变形时其有效面积的变化特性就决定于活塞的形状，所以可以将活塞设计成不同的形状，以得到所需要的弹性特性。这个优点是囊式空气弹簧所不能比拟的。此外，膜式空气弹簧在其工作范围的内弹簧刚度变化要比囊式空气弹簧优越得多。2 ) 在弹簧伸张或压缩时，膜式空气弹簧的有效直径变化很小，所以膜式空气弹簧有效面积变化率比囊式空气弹簧小，可获得相对较低的自然振动频率。3 ) 目前，广泛使用的膜式空气弹簧的密封形式一般采用压力自封，即利用空气囊内部的空气压力将气囊端面与盖板( 或内外筒) 卡紧加以密封。而囊式空气弹簧的密封一般使用螺钉紧封式，即利用金属卡板和螺钉夹紧加以密封。两相比较，膜式空气弹簧的密封简单，拆装方便。( 2 ) 导向机构嘲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。大客车上采用的空气弹簧悬架从结构型式上看，分为独立悬架和非独立悬架两种。因为空气弹簧在正常工作区域内垂直刚度较小，且由于直径较大在整车上布置困难，所以提高悬架的横向角刚度是空气弹簧悬架设计的一个重要问题。对于独立悬架来说，悬架的横向角刚度与弹簧中心距无关，它相当于把弹簧中心距增加到和轮距相等的非独立悬架的横向角刚度。因此，采用独立悬架能够大大增加悬架系统的横向角刚度，提高汽车的横向稳定性。另外，采用独立悬架能降低汽车的簧下质量，使汽车在高速行驶时减少了车轮跳离地面的倾向，并能减少悬架的冲击载荷。而前悬架采用独立悬架还有助于消除前轮的偏摆现象，所以，大客车采用独立悬架有助于提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。空气悬架的导向机构通常有以下几种型式：1 ) 钢板弹簧式导向机构采用钢板弹簧式导向机构的空气悬架亦称为混合悬架，这种悬架在日本的日野( h i n o ) r r 、德国的曼( m a n ) i s o f o c 、匈牙利的依卡露斯( i a k r u s ) 等大客车上都有采用。其钢板弹簧不仅起导向作用，也兼起一部分弹性元件的作用。通常在标准状态下，钢板弹簧承受约3 0 的垂直载荷。采用钢板弹簧式导向机构的空气悬架有两种结构形式：9第一辛牛气悬架研究的理论摹础空气弹簧布置在钢板弹簧中部这种结构璋! 式，空气弹簧直接布置在钢板弹簧中部的上方，如图2 3 所示。采用返种结构的优点是，易于在原柬的钢板弹簧悬架大客车上实现变形结构简单。其实质是钢板弹簧与空气弹簧并联，多数用于前悬架。空气弹簧柿置在钢板弹簧的一端卒气弹簧柿置往钢板弹簧一端的结构如图2 4 所示。这种结构可视为一种不对称的串联弹簧，多用于汽牟的后悬架，其优点同前一种导向机构。对于混合式空气悬架柬i 兑，山于汽车行驶中的纵向力、侧向力及其力矩均由钢板弹簧承受，要求钢板弹簧应具有很高的强度和刚度，因此难以得到理想的弹性特性。但是这种导向机构对于具有纵粱或类似纵梁的汽车底盘结构，如置比较方便：对于传统的工字型锻造前梁和铸造后桥壳，不需要进行改造，可直接装置空气悬架。图23 气囊中置空气恳架0，7 | l i图24 气囊边簧空气悬架2 ) 单纵臂式导向机构采_ l | j 这种导向机构的空气悬架在瑞典沃尔沃( v o l v o ) 、h 本尼桑( n i s s a n ) 和德国曼( m a n ) 等大客车的空气悬架中得到应用，如图2 5 所示。该导向机构可以降低汽车纵向倾覆力矩中心位置，增加了车身抗纵倾能力。在弗置单纵臂导向机构时，一般把前悬架导向臂与车身相连的铰链点布置在前轮之后，把后悬架导向臂与车身相连的铰链点布置在后轮之前。客车悬架采用这种导向机构后，当转向车轮上、下跳动时，主销后倾角变化较大，因此般都将导向臂做得较长。此外，当车身有横向摆动时，由于左、右二导向臂绕土点转动的角度不一样，将产生导向臂扭转车桥的趋势；当车桥的扭转刚度很大时，悬架系统会产生过人的附加载荷，引起螺栓甚至使整个导向臂折断。为了克服这一缺点，大多数生产商将导向臂与车桥及乍架相连的地方做成弹性连接，从而使导向臂与车桥具有莨女 学 ：学论立定的变形能力，消除了刚性连接应力集中的影响减少了噪声的传递圈25 单纵臂空气弹簧悬架3 ) a 形架导向机构德国的曼( m a n ) s l 2 0 2 和尼奥普兰( n e o p l a n ) 等大客车后懋架采用的a 形架导向机构如图2 6 所示。该机构类似于两根纵向导向臂的铰链点在车架的连接处合并，在传递纵向力的同时还传递侧向力。为了减少轮胎磨损，避免空气弹簧有过大的垂直位移，常把a 形架做得很大以增加摆臂长度，从而使得导向机构尺寸和质量变大。由于a 型导向机构的窄气弹簧中心距近似等于轮距，因此使整车具有很好的抗侧倾能力。采用该结构的客车可以把整个后桥看成是用一根纵向臂做导向机构的悬架。图26a 形架导向机构图27 双横臂式空气弹簧悬架4 ) 舣横臂式导向机构德国尼奥普兰( n e o p l a n ) 、瑞典沃尔沃( v o l v o ) 等部分低地板大客车前悬架采用的双横臂式导向机构如图2 7 所示。这种结构通过上下横臂长度的合理布置，可使轮距及前轮定位参数的变化均在限定范围内，从而保证汽车具有良好的行驶稳定性。但其结构复杂，车身受力点集中，对f 无车架的承载式车身不利。当采用前置发动机前驱动时，双横臂布置更为困难。因m 若前悬架采用双横臂式空气悬架，则发动机多为后置。5 ) 耿纵臂式导向机构第一章守气悬架研究的理论毕础匈牙利依卡露斯( i k a r a s ) 2 5 5 、德国奔驰( b e n z ) 等大客车前悬架上采用了双纵臂四连杆导向机构。而五十铃p l v 7 1 9 r 、依卡露斯2 8 0 等大客车的后悬架则采用了与之不同的另一种双纵臂式四连杆导向机构。后者的上而阿根纵向推力丰t 在水平面内倾斜枷置，构成一个三角形架，浚三角形架可看成是一根纵向推力杆，它和f 面的两根纵向推力杆构成一个四连杆机构，三角形架除传递汽车纵向力外，还可以传递侧向力，凼而可省去一根横向推力杆。双纵臂式四连杆导向机构的上纵臂有两种布置：一种是布置在两边，如图2 8 所示；另一种是将两根j 二臂合并在一起，抽置在中间。为了提高汽牟纵向稳定性，并适当照顾到主销后倾角的变化以及轮胎磨损和前轴受扭等情况，通常小采用等长的上r 臂水平都簧，而是州不等长的上下臂倾斜布簧。为了避免转向纵拉杆与上下臂的运动干涉，在夼置转向纵拉杆时，应使纵拉杆的轴线通过上下臂的交点。图28 双纵臂式空气弹簧悬架( 3 ) 减震器空气作为空气弹簧的工作介质，内摩擦极小。与板簧相比由于空气弹簧本身只有少量阻尼，所咀空气悬架必须装有阻尼器，且其阻尼要相应埔加，以达到迅速衰减振动的目的。但如果阻尼过人，又会使反应迟钝并向车身传递过多的高频振动和冲击。因此，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悬架系统的一个重要组成部分，其主要作用是调节空气弹簧的内部气压，使之保持在一定的高度范围内，以此甲衡外界的载荷并使车身高度保持一定。此外，1 汽车高速行驶时，通过高度控制阀的调节作用，使车身高度降低，保持车身稳定性，减少空气阻力：当汽车在高低不平路面上行驶时，通过高度控制阀的调节作用，增加车身高度，提高汽车的通过性。高度控制阀根据阀门开闭刘车身振动反应刚间的不同，分为即时型和延时型。所谓长安大学硕l 学位论文即时型高度控制阀，即当车身和车桥有很小的相对位移时，高度控制阀就产生冲气或放气动作。在工作过程中，由于进气阀和排气阀不断地开闭，因而空气消耗量较大，同时要求零部件加工精度高，气路密封性好。另外由于所有的零件每时都处在工作状态，因而工作负荷较大，阀的磨损较大。对于延时型高度控制阀，当静载荷变化，空气弹簧的高度发生变化时，它开始调整高度的开闭动作在时间上较前者有个延迟，延迟时间一般为1 6 s ，即在约两个振动周期左右不敏感，从而节省了压缩空气，减少了阀中各零部件的磨损，延长了高度控制阀使用寿命，减少了排气噪声。延时型高度控制阀的延时装置常采用弹簧、油压或二者的联合结构，主要是用来产生阻尼，延缓阀门的动作2 1 2 空气悬架的工作原理【7 】大客车空气悬架通常采用非独立悬架，图2 9 为空气弹簧非独立悬架示意图。囊式空气弹簧6 的上下端分别固定在车架和车桥上，从压气机1 产生的压缩空气经油水分离器1 0 和压力调节器9 进入储气筒8 ，压力调节器可使储气筒中的压缩空气保持一定的压力，储气罐5 通过管路与两个空气弹簧相通，储气罐和空气弹簧中的空气压力由车身高度控制阀3 控制。空气弹簧和螺旋弹簧一样只能传递垂直力，对纵向力、横向力及其力矩由纵向推力杆和横向推力杆来传递。此外这种悬架必须要装备减振器。采用空气弹簧悬架，容易实现车身高度调节。图2 9 中的高度控制阀3 即起这个作用。高度控制阀固定在车架上，通过控制杆4 与车桥相连。当汽车载荷增加，车桥移近车架时，控制杆上升，通过摇臂机构打开充气口，压缩空气进入空气弹簧，使车架和车l 一压气机2 、7 空气滤清器6 一空气弹簧汪储气筒3 高度控制阀4 一控制臂5 一储气罐9 一压力调节器l o 一油水分离器图2 9 空气悬架示意图身升高，直至回到车身与车桥原定位置为止。而当载荷减小车桥远离车架时，控制杆下1 3第_ 二章空气悬架研究的理论皋础移，打开排气口，空气弹簧内的空气排入大气，车身与车架高度随即降低直到设定数值。为了使空气弹簧获得较软的刚度，常采用增加辅助气室的办法来增大总的空气容积，以达到减小刚度的目的。增加辅助气室后，可使空气弹簧的弹性特性更接近于理想的弹性特性。2 1 3 汽车空气悬架的基本特性( 1 ) 空气弹簧刚度特性空气弹簧是在橡胶囊所围成的密闭容器中加入压力空气，利用空气的可压缩性实现隔振作用的一种非金属弹簧。由于空气弹簧具有变刚度特性，容易得到较低的振动频率，因此采用的空气弹簧具有非线性刚度特性。理论计算时，空气弹簧刚度可以直接由载荷，对位移s 求导得到，即c = d f d s ，考虑到f = a e ，所以有c ：p e 墼+ 以车( 2 一1 )2 - + 以- 二l 1 ，d sc l s式中：见为空气弹簧内部气体有效压力；4 为空气弹簧的有效承载面积。考虑到空气弹簧变形时其内部气体变化满足气体状态方程：p v ”= c o n s t ，其中p 为空气弹簧内气体绝对压力，刀是热力学指数( 常数) 。将其两边对位移s 求导，得到一d p ：亟：一翌坐：一一n p a e( 2 2 )凼d svd sv式中负号表示压力的变化趋势和容积的变化趋势相反，即容积减小时压力增加，在计算刚度时取其绝对值。注意到其中华：a e ，将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得c = 以警+ 印拿v汜3 ，口s式( 2 3 ) 即为计算空气弹簧刚度的一般表达式，而常用的是空气弹簧的静刚度q 胁，和动刚度。所谓静刚度是指空气弹簧低频振动时的刚度( 一般认为频率f 0 2 ) ，由于空气弹簧振动比较快，假定振动时空气弹簧内部气体和外界没有热交换，其内部气体的热力学变化过程为绝热过程，取胛= 1 4 。在实际工程中常用试验的方法来测定空气弹簧刚度，即通过测定在不同压力下空气弹簧载荷f 和位移s1 4长安大学顾十学位论文的关系，得出一组空气弹簧刚度特性曲线，该曲线纵坐标为载荷，横坐标为空气弹簧高度( 位移) ，曲线的斜率就是空气弹簧刚度。( 参见图2 1 0 )梧籁动刚度。多静嗣少一度图2 1 0 空气弹簧刚度曲线( 2 ) 空气弹簧有效面积特性在式( 2 3 ) 中，见d a e d s 表示有效面积4 变化率对空气弹簧刚度的贡献。由于空气弹簧的气囊是一个弹性体，一般情况下其变形时有效面积彳f 不是固定不变的。但不同结构形式的空气弹簧，有效面积4 的变化是不同的，所以对于膜式空气弹簧当活塞座轮廓为圆