设计题目及要求

1、第一章 绪论1-1 设计题目及要求一、设计题目及要求丹东黄海牌DD680K01客车空气弹簧后悬架设计1、将原客车钢板弹簧后悬架改为空气悬架；2、对原客车有系统的了解；3、掌握空气悬架的设计方法；4、掌握悬架结构强度的计算方法；5、了解悬架系统对整车性能的影响二、课题内容及工作量1、收集并阅读有关空气悬架设计和研究方面的资料，并进行结构分析，写出综述报告；2、进行空气悬架结构方案验证、结构设计及有关参数设计和选择；3、进行设计中的有关强度及性能的计算分析；4、绘制总成及零部件图4A0；5、编制设计说明书一份，字数约2万字；6、翻译相关方面的资料，合计约为5000字。三、简要技术参数外形尺寸 车长

2、/底盘长 8540/8192mm车宽/底盘高 2420/2306 mm车高/底盘高 3200/1735 mm轴距 4100 mm轮距（前/后） 1900/1800 mm通过性参数 接近角/离去角（整车/底盘） 11/10（13/10） 后悬/前悬（整车/底盘） 1790/2650（1550/2542）mm最小离地间隙 228mm 最小转弯直径 24 mm质量参数 最大总质量（整车/底盘） 10300kg 最大总质量条件下轴载质量 前轴3300kg 后桥7000kg变速器 型号 韶关SG135型 速比 ：6.602; ：3.473; ：2.130; ：1.297; ：1.000; R:6.070

3、5后桥 主减速器形式 双曲面齿轮，单级减速 桥壳形式 冲压焊接，整体式 半轴形式 全浮式 主减速比 4.33：1 悬架 空气弹簧配横向稳定杆加双向作用筒式减振器车架形式 前后端为槽形梁，中段为桁架式轮胎 规格 8.25R(K级) 轮辋规格 7.0-20气压 前轮胎5.6Mpa 后轮胎6.7Mpa动力性能 最高车速 105km/h 直接挡最低稳定车速 25km/h最大爬坡度 20%加速性能直接挡从25km/h加速到90km/h用时 80s原地起步换挡加速到100km/h的时间 70s经济性能 多工况100km体积油耗 18L 环保性能 排放 CO 4.5 g/(kWh) HC 1.1 g/(kW

4、h) NO 8.0 g/(kWh) PT 0.36 g/(kWh)噪声 加速行驶车外噪声82Db(A)50km/h匀速行驶车内噪声78 Db(A)驾驶员耳旁噪声80 Db(A)空气弹簧的发展、现状及其概述一、汽车空气悬架发展历史在汽车上采用空气弹簧悬架在我国还是一件比较新的事物，但却不是一种新概念。30年代初，美国法尔斯通轮胎和橡胶公司第一次真正把空气弹簧用于汽车工业。哈维?法尔斯通在其好友亨利?福特一世和托马斯阿瓦?爱迪生的技术支持下，研制出了空气柱形式的空气弹簧悬架系统。于是在1934年就诞生了AIREDE空气弹簧。1938年，通用汽车公司对在其客车上安装空气弹簧悬架系统发生兴趣。他们与法

5、尔斯通公司合作，于1944年进行了首轮试验。试验报告结果清楚地揭示了空气悬架系统的内在优越性。经过几年产品研制开发的大量工作之后，终于在1953年开始生产装有空气悬架的客车，这是商用汽车采用空气弹簧的开始。 50年代中叶，固特异轮胎和橡胶公司研制出了一种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负载变形关系曲线。 由于有这些研究成果和技术发展，今天北美洲公路上行驶的几乎所有客车、绝大多数8级载货车和架车都采用了空气悬架系统。当然，空气悬架控制系统的巨大进步也为空气悬架弹簧的应用起了不小推动作用。随后不久，空气悬架很快在欧洲发展并盛行起来。但欧洲发展商用汽车空气悬架所走的道路

6、与北美有些不一样。北美所走的路是福特-法尔斯通-爱迪生公司发展的延续。这些钢板弹簧悬架和空气悬架的专业厂家是作为汽车厂家的配套供货商。而在欧洲却是汽车厂家自己发展满足其特殊需要的悬架系统。只由一些零件厂家供应配套零件如空气弹簧和气动阀等。直到今天，欧洲一些汽车生产厂家都有他们自己的空气悬架设计，而只向一些零部件供应商外购零件。这种不同的发展道路使欧洲的空气悬架设计只适用于某些具体车型，并采用了一些复杂技术，因而使其成本较高。而北美发展的空气悬架系统通用性较强、应用较简单、成本较低。事实上，在过去的10年中，欧洲的不少汽车制造厂家如雷诺、依维柯、福莱纳、梅赛德斯等都发现美国设计的空气悬架系统较为

7、简单，更适合用于他们在北美生产和使用的汽车。51年前，美国纽威?安柯洛克国际公司（Neway Anchorlok lnternational）成立时即作为一家架车悬架系统的生产厂家，为公路和非公路行驶的重型机车设计和制造钢板弹簧悬架系统。由于纽威在重型车辆市场上取得了成功，后来就向高速公路车辆悬架系统方向发展。35年前，纽威向市场上投放了世界上第一种实际应用的空气悬架系统。从此以后，纽威开发出一系列空气悬架产品，应用于世界各地的客车、载货车和架车。纽威提供的空气悬架产品约占北美和欧洲用于客车、载货车和架车市场的70。中国是最新的前沿阵地，正在把钢板弹簧更换为空气悬架弹簧。空气悬架发展的历史经验

8、告诉我们，引入空气悬架的国家一般是首先将其用于客车，随后就向载货车和架车方向发展，中国也会有这样的发展过程。二、空气悬架概述悬架是连接车身和车轮之间一切传力装置的总称，主要由弹簧（如钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧、扭杆等）、减振器和导向机构三部分组成。当汽车在不同路面上行驶时，由于悬架系统实现了车身和车轮之间的弹性支承，有效地降低了车身与车轮的振动，从而改善了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。采用空气悬架是提高整车技术水平的关键技术之一，采用空气悬架，汽车的乘坐舒适性、使用性能可以得到很大的提高，从而汽车的其它技术水平也可以相应提高。国家在制定十五计划时明确强调要提高我国汽车制造水平，空气悬架必将得

9、到广泛的应用和发展。随着我国加入WTO，中国汽车工业必将经受巨大的挑战和机遇，空气悬架汽车可以和外国同类汽车抗衡，增加国产汽车竞争力。随着汽车工业的发展，空气悬架必将显示出它强大的生命力。空气悬架系统一般由空气弹簧、减振器、导向结构，高度控制阀、空气弹簧辅助装置（如空气压缩机、单项阀、气路、贮气筒等）组成。如图所示，空气弹簧悬架系统主要由空气弹簧、空气弹簧悬架的减振阻尼器和高度控制阀系统三部分组成。其工作原理为：车体1和转向器2之间的空气弹簧4通过节流空5与附加空气室3沟通。用导管将附加空气室和高度控制阀8连接，高度控制阀固定在车体上，并通过杠杆6和拉杆7与转向架连接，空气经主风缸（贮气筒）引

10、至高度控制阀。假定空气弹簧上的载荷增加，这时，车体将下降，并且高度控制阀的杠杆在拉杆的作用下按顺时针方向转动，因此与主风缸（贮气筒）连接的高度控制阀的进气阀被打开。这时，空气因压力差而开始流入附加空气室和空气弹簧，一直到车体升高到原来位置为止。于是杠杆恢复到原来的水平位置，并且高度控制阀的进气阀被关闭。假定空气弹簧上的载荷减少，这时车体将上升，而高度控制阀的杠杆按逆时针方向转动。通往大气的高度控制阀的排气阀被打开，空气从空气弹簧和附加空气室排出，一直到车体下降到原来的位置，并且排气阀被关闭。所以，在高度控制阀的作用下，空气弹簧的高度可以保持不变。如果阀中再设置一个油压减振器和一个缓冲弹簧，起时

11、间滞后作用，则可以使高度控制阀对动载荷没有反应，只在静载荷变化时才起作用，这样，可以避免车辆在运行时空气的损耗。电子控制悬架系统汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标，但二者性能要求又相互排斥。平顺性一般通过车身或车身某各部位的加速度响应来评价，操纵稳定性可借助车轮动载来度量。例如：降低弹簧刚度，可使车身加速度减小，平顺性变好，但同时会导致车体位移增加，对操纵稳定性产生不良影响；另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但也将导致汽车对路面不平度很敏感，是平顺性降低。因此，理想的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能够满足操纵稳定性要求。

12、被动悬架因具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在结构设计上只能在满足平顺性和操纵稳定性之间进行矛盾折衷，无法达到悬架控制的理想目标。为了克服传统的被动悬架系统对其性能改善的限制，在现代汽车中采用了电子控制悬架系统，该系统可以根据不同路面条件，不同的簧载质量，不同的行驶速度等来控制悬架系统的刚度，调节减振器阻尼力的的大小，甚至可以调整车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳组合。电子控制悬架系统主要有班主动悬架和主动悬架两种。半主动悬架是指悬架元件中的弹簧刚度和减振器阻尼系数之一可以根据需要进行调节。为减少执行元件所需的功率，主要采用调节减振器阻尼系数法，只需提供调节控制阀、控

13、制器和反馈调节器所消耗的功率即可。主动悬架是一种具有做功能力的悬架，通常包括产生力和转矩的主动作动器（液压缸、气缸、伺服电机、电磁铁等）、测量元件（加速度、位移和力传感器等）和反馈控制器等。主动悬架系统需要一个动力源（液压泵或空气压缩机等）为悬架系统提供连续的动力输入。当汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件发生变化后，主动悬架系统能自动调整悬架刚度（整车调整和单轮调整），从而能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性等各方面的要求。主动式悬架其设计的基本工作原理就是指在汽车行驶过程中，根据实际需要，使悬架的基本参数如刚度、阻尼随时调节，从而达到最佳的行驶平顺性和操纵稳定性。例如：在好路面上正常行驶

14、时，希望软一点，在坏路面或起步制动时，希望硬一点；低速时软一点，以满足乘坐的舒适性，高速时则希望硬一点，以提高操纵稳定性，同时可以根据路面状况随时对车身高度进行控制。比如：当汽车行驶在良好路面上高速行驶时，可使整车高度下降，使空气阻力系数达到最小，降低油耗，增加行驶稳定性，而在较差路面上行驶时，可让车体高度上升，以改善行驶性能，如提高越野汽车的通过性等。使车身高度不随乘员人数和装载质量的变化而变化。主动悬架系统能根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元（ECU）接收这些信号，发出相应的指令控制悬架执行机构，从而改变悬架系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数，从而使汽车

15、具有良好的乘坐舒适性、操纵稳定性和越野情况下的汽车通过性。电子控制主动式空气悬架系统，主要有空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、带有减振器的空气弹簧、悬架控制执行器、悬架控制选择开关以及ECU等组成。空气压缩机由直流电机驱动产生压缩空气，压缩空气经干燥器干燥后，有空气管道经空气电磁阀送至空气弹簧的主气室。如图所示：当车身需要降低时，ECU控制电磁阀使空气弹簧主气室中压缩空气排到大气中去，空气弹簧压缩，车身降低；当车身需要升高时，ECU控制空气电磁阀使压缩空气进入空气弹簧的主气室，使空气弹簧伸长，车身升高。在空气弹簧的主、辅气室之间有一连通阀，空气弹簧的上部装有悬架控制执行器。ECU

16、根据各传感器输出信号，控制悬架执行器，一方面使空气悬架主、辅气室之间的连通阀发生改变，使主、辅气室之间的气体流量发生变化，因此改变悬架的弹簧刚度；另一方面，执行器驱动减振器的阻尼调节杆，改变减振器的阻尼力。在主动使空气悬架系统中车身高度、弹簧刚度可以同时得到控制，具体数值由ECU根据当时的运行条件和驾驶员选定的控制方式决定。以车身控制高度来说：通过车身高度传感器，将车身高度的变化转变为电信号，并输入电子控制单元（ECU）。ECU接收左右前轮和左后轮三个车身传感器发出的车高信号，经过处理后对执行器发出指令，对车身高度进行调整，之所以只装三个，其原因是三点确定一个平面，如多于三个，则会出现调整干涉

17、现象。四、空气悬架的弹性元件空气弹簧空气弹簧是在柔性密封容器中加入压缩空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。它具有优良的弹性特性，用在车辆悬挂装置中可以大大改善车辆的动力性能，从而显著提高车辆的运行舒适度。1、空气弹簧的特点从空气弹簧的工作原理，可以看到空气弹簧具有以下特点：1）利用高度控制阀系统，使空气弹簧在任何载荷下保持一定的工作高度，这一点对载荷变化大的车辆十分有利。2） 弹簧的刚度是随载荷的变化而改变的，因而在任何载荷下自振几乎不变，而普通钢板弹簧，因其刚度室不变的，所以它的自振频率范围较窄，且随着载荷的变化而变化。图片： 如图所示，是钢板弹簧与空气弹簧的静特性比较，图

18、A为载荷挠度特性，图B为载荷频率特性。由图可以看出，对于钢板弹簧，静挠度随着载荷的增加而增加；对于带有高度控制阀的空气弹簧，静挠度在所有载荷条件下几乎保持不变，因而其自振频率也几乎保持不变。 3）空气弹簧具有非线性特性，可以将它的特性曲线设计成理想的形状。如在车辆悬挂系统中最理性的形状是S形，即在曲线的中央区段具有比较低的刚度，而在拉伸和压缩行程的边缘区段则刚度逐渐增加。这样，可以保证车辆在正常行车是运行性能柔和，而在通过弯道和岔道等偶然场合下，空气弹簧被大幅度拉审和压缩时，它逐渐变硬，从而能限制车体的振幅。而普通钢板弹簧，它的特性曲线是线性的，要是这种弹簧悬挂装置具有上述非线性特点，是必要使

19、结构复杂化。4）空气弹簧的刚度，不管载重量是多少，都可以依靠改变空气压力加以选择，因此可以根据需要将刚度选的很低，例如用增加附加空气室的办法增加其内容积，可以使刚度减小。5)对于同样大小的空气弹簧，当内压力改变时，可以得到不同的承载能力。这使得同一种空气弹簧可以适应多种载荷要求，因此经济效果好，此外，还可以通过高度控制阀的作用，使空气弹簧在一定的载荷下具有不同的高度，因此，空气弹簧能适应多种结构上的要求。6)吸收高频振动和隔音效果好。7)在空气弹簧与附加空气室之间加设一个截流孔，空气流经截留孔时要发生能量损失，因而能起到衰减振动的作用。如果截流孔的大小选择适当，可以不设减振阻尼器。8)与钢板弹

20、簧比较，空气弹簧在承受剧烈振动载荷时，空气弹簧寿命较长。图片： 空气悬架的控制元件高度控制阀高度控制阀是空气弹簧悬架系统的一个重要组成部分，它的作用是使空气弹簧在载荷下都保持一定的高度。空气弹簧的优点，也只有在采用了高度控制阀的情况下才能充分体现出来。1、控制阀的用途及工作原理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。工作原理如图所示，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f转动，带动凸轮转轴e转动，从而使活塞g和顶杆d上移，将排气门b关闭，进气门a打开，此时，从11口进来的压缩空气通过21口进入气囊。随着气囊内气压的上升，空

21、气弹簧高度增加，车身也随之上升，进气门a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f转动，带动凸轮轴e转动，从而使活塞g和顶杆d下移，使排气门c打开，进气门d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c关闭，高度阀又处于一个平衡状态。当车辆载荷变化较大时，控制气压作用在活塞面A上，使得活塞g顶杆d上移（或下移），既而打开（或关闭）进气门a，关闭（或打开）排气门c，从而使气囊气压迅速上升（或下降）到正常值，高度控制阀又达到新的一轮平衡。高度控制阀的结构及形式高度控制阀

22、一般分为机械式和电磁式两种，也可以分为有延时机构的和没有延时机构的两种。延时机构的作用是：当静载荷变化或来自工作机械如钢轨的冲击等，使空气弹簧的高度发生变化时，高度控制阀开始调整高度的开闭动作，在时间上能够较前者有一个滞后过程，这个时间通常称为作用滞后时间。高度控制阀的延时机构一般是由缓冲弹簧和油压减振器组成的。大客车空气悬架上使用的高度控制阀主要有以下两种形式：1、无阻尼的高度控制阀这种高度控制阀的工作原理是：当摇臂轴1处于中间位置时，阀杆2和阀垫3接触，此时即不充气也不放气。当载荷增加时，阀杆2随同摆臂轴1下移，储气筒内高压空气的压力大于气囊的压力，高压空气顶开球阀，经阀门4中间的小孔再推

23、动阀杆2下移，通过下端小孔进入气囊，进行充气。当车身载荷减小时，摆臂轴1上移，时气囊中的气体与大气相同，进行放气。用充放气的交替进行来保证车身高度不变。这种高度控制阀虽然能保证车身高度不随汽车载荷变化，但在汽车行驶过程中，当车桥与车身有相对位移时，哪怕是微小的位移，高度控制阀都有充放气动作。为了避免它的这种频繁工作现象，在结构设计上应使阀杆2的上端有一端1毫米长的配合面，这样，车身相对于车桥的位移在某一范围（SP641C型大客车为±30mm）内时，虽然阀杆2有垂直位移，但1毫米长的配合台肩并没有脱离接触。因此高度控制阀不工作。2、有阻尼的高度控制阀这种高度控制阀不仅能保证车身高度不随

24、载荷的变化而变化，而且还能避免汽车在行驶中因冲击而引起的充放气现象。因此减少了气耗，减少了阀中各种零件的磨损，延长了高度控制阀的使用寿命。这种高度控制阀的工作原理是：当车身的载荷增加时，车桥通过摆臂使活塞2缓慢的向左移动，推动阀杆3，使高压空气由储气筒进入气囊，进行充气。反之，当车身载荷减少时，摆臂使活塞2向右移动，推动阀杆1，使气囊中的高压空气与大气相同，进行放气。活塞左右移动时，由于速度缓慢，高度控制阀内的硅油可从左面的节流孔A慢慢地流到活塞右部，几乎没有阻尼作用。若车桥和车身相对位移度很大时，也就是说活塞速度较大时，硅油流经节流孔时将产生一个较大的阻尼力，当阻尼力大于弹簧的压力时，摆臂和

25、壳体就一起带动弹簧座在弹簧的作用下，推动摆臂轴转动，使活塞左右移动，进行充放气。这种带硅油阻尼的高度控制阀，虽然结构比较复杂，但从发展来看，在高级大客车上还是应该使用的。我们曾在WH644型大客车上试装过这种高度阀，效果较好。在我们研制的几种车辆上，大部分都装有无阻尼的高度控制阀。目前，在国外一些空气悬架的车辆中也有采用电磁阀控制的高度控制阀，车身高度可在几个挡位上进行调整。因此，汽车司机可根据路面条件把车身高度控制在适用的范围内，从而提高了汽车的通过性及稳定性。没有延时机构的高度控制阀，在工作过程中，由于进气阀和排气阀不断的开闭，因而空气的消耗量比较大。为了减少空气的消耗量，通常在空气弹簧和

26、高度控制阀之间的通道上设置一个小孔加以限制空气的流量，但孔不宜太小，否则由于空气中的水分和灰尘将可能使之堵塞，因而影响高度控制阀的作用和灵敏度。孔径一般选为毫米。这种没有延时机构的高度控制阀虽然结构简单，但由于在工作时空气的消耗较大，所以很少实际采用。对于有延时机构的高度控制阀，在受到突然位移或高频振动位移时，由于油压减振器的阻力，仅仅缓冲弹簧的伸缩变形，而进气阀，排气阀并不作用，因而空气弹簧在工作过程中，高度控制阀的耗气量很小。第二章 方案论证2-1 空气弹簧悬架与机械弹簧悬架比较不论是采用空气弹簧还是4片钢板弹簧，悬架系统的设计目的都是要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

27、架系统如果设计不当也可能会加强振动。路面的小跳动，如路面接缝这样的小跳动，就可能会引起机械弹簧共振，从而产生巨大的破坏性振动力而传给车辆。一、无与伦比的形式性能空气悬架系统消除振动的性能使车辆的行驶平顺性-乘坐柔软性和舒适性是机械弹簧悬架系统所无法比拟的。在空气悬架系统中，空气弹簧中的气压自动调节以保持离地高度不变。行驶平滑而且平稳。机械弹簧要想得到同样的乘坐柔软性，则满载时弹簧的柔性变形将达5英寸，这只是在静止状态下的变形。机械弹簧的柔性变形将使车架离地高度减小，与车轮的间隙只剩下50mm左右，这显然太小。只要有很小的跳动，轮胎就会与拖车连接杆相撞。这种情况显然不能令人满意。因此，设计时就需

28、要提高机械弹簧的刚性，使其在满载时能保持离地高度。这样就限制了这种系统吸收路面振动的能力。二增加弹簧刚性所带来得后果空气弹簧能吸收路面的破坏性振动，路面上很小的跳动都可能被机械弹簧的刚性增强很大的路面振动。差不多每一个司机都经历过公路的路面接缝对汽车产生的有害共振。只要把你的汽车在路面比较差路面上颠簸行驶一遍，你就会体会到机械弹簧的这种共振试验。上图表示满载的拖车/挂车在道路上以公路速度所受到的振动力。在这样的条件下，机械弹簧悬架比空气弹簧悬架的吸振效果要差至少50%。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%。很容易想象拖车司机在这种振动力

29、下的感受。连续振动所受的影响不说，连续振动会磨损导线、振裂灯泡和仪表、使电器系统接线松脱、损坏空调系统、使车身焊缝产生疲劳裂纹、并将拖车结构振松，行驶起来就哗啦啦响个不停。三、空气悬架的优点(1)独特设计保证性能优越驱动轴空气悬架才使用独特的高强度刚度设计。不用板簧和U形螺栓，消除了金属弹簧的振动和断裂问题。此刚性导向臂与空气悬架其它零件一起提供 了最佳性能组合：乘坐舒适、安装容易和维修工作量少。空气悬架按独特的平行四边形设计原则。其扭矩杆，总是与导向臂连线相平行，使小齿轮角（P）变化最小，从而减少花键和万向节的磨损、减少传动轴摆动，使车辆行驶平稳安静。此外，悬架系统在车辆加速和刹车时，还能保

30、持载荷均衡。(2) 车桥安装特点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）系统简单性车桥上下运动行程越大，则乘坐舒适性就越好，悬架系统吸收路面振动的能力就越大。空气悬架的最大行程超过其它任何形式悬架，由于独特的设计使车桥在垂直方向的行程更大，所以在车桥达到其行程极限之前，空气弹簧可以吸收更大的振动负荷。其它空气悬架的垂直行程较短，经常达到其行程极限，从而造成硬

31、冲击。（4）没有大的冲击载荷空气悬架缓冲垫急转弯和在装卸地区过洼坑时，任何悬架系统的车桥都可能会运动到其上极限行程。空气悬架气囊中有橡胶缓冲垫来承受这种情况下的冲击载荷。缓冲还有一个作用就是在万一气囊损坏时，此缓冲垫可起到橡胶悬架的作用，使车辆可继续以较低的速度行驶。空气弹簧的种类及布置大客车空气弹簧悬架上使用的空气弹簧主要有囊式和膜式两种。1、囊式空气弹簧在四平牌SP641C和SP650以及捷克生产的SL-11-1307等大客车上采用的是囊式空气弹簧，这种弹簧较早的应用在大客车的悬架上。它的特点是：a、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

32、弹簧来说，弹簧刚度较大，振动频率较高。b、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。c、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，因而曲数愈多，有效直径变化率就愈小。可见增加气囊曲数会减低囊式空气弹簧的刚度，降低弹簧的振动频率。在四平牌SP641C及SP650等大客车上采用了三曲的囊式空气弹簧。另外，在一些资料中介绍，囊式空气弹簧的寿

33、命是比较长的。2、膜式空气弹簧随着汽车工业和橡胶工业技术的发展，高强度尼龙、卡普龙等帘布的使用，近年来在国内外大客车的悬架上广泛采用了膜式空气弹簧。例如在利兰、武汉牌WH644和WH643等大客车上就采用了该种型式的弹簧。它的特点是：a、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。特别值得提出的是，膜式空气弹簧可以用改变活塞形状和尺寸的方法，控制其有效面积的变化率

34、，以获得比较理想的弹性特性。这一点对于囊式空气弹簧是不容易做到的。b、膜式空气弹簧的有效面积的变化率比囊式空气弹簧小，因此，膜式空气弹簧在辅助气室较小的情况下，可以得到较低的自然振动频率。而囊式空气弹簧要想弹簧频率设计的很低是不容易的。c、目前，使用的膜式空气弹簧的密封形式，一般采用压力自封式，而囊式空气弹簧的密封一般是用螺钉夹紧，因而膜式空气弹簧的密封简单、拆装方便。d、膜式空气弹簧制造简单，便于大量生产。空气弹簧的布置应考虑汽车的横向角刚度。在布置允许的情况下，应尽可能把空气弹簧布置在车架以外，以便加大弹簧的中心距，提高汽车的横向角刚度，在日野、本茨0303等大客车的后悬架上（见图6），采

35、用了一种弯梁结构，在每个弯梁的端部安装了和前悬架气囊尺寸相同的两个气囊。又如在曼、利兰等大客车的后悬架上（见图4），采用了A形架结构，把空气弹簧布置在后轮附近，增加了弹簧中心距，提高了汽车的抗侧倾能力，所以，有人把这样布置的空气弹簧称之为抗侧倾悬架。但是，也有些大客车如日本的三菱（MITSUBISHI）、五十菱（ISUZU）、日产-柴油机（NISSAN-DIESEL）等大客车，基本是在汽车底盘钢板弹簧的位置上安装空气弹簧。这样，无论是钢板弹簧还是空气弹簧汽车，弹簧放置的位置不变。有人把这种空气弹簧悬架称之为标准型空气悬架。这种悬架尽可能做到了用统一的汽车底盘，装用不同的弹簧元件，来满足不同用户

36、的需求。这样做可简化生产工艺、降低汽车的制造成本。但由于该种布置的中心距小，不能保证汽车有足够的横向角刚度，因而当汽车受侧向力作用时，车身倾角较大，给人以不舒适之感。3、高度控制阀在大客车的空气悬架中，都装有高度控制阀。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。另外，为了保证汽车的车身稳定的平置于悬架上，通常使用三高度控制阀，分别在前桥上装一个，后桥上装两个。在装一

37、个高度阀的情况下，有的车还装了隔离阀，以防止车身倾斜时高压空气从一侧气囊流向另一侧气囊，加剧车身的倾斜。但是，由四平牌SP641C、SP650等汽车使用试验结果表明，隔离阀的作用不明显，因而在以后的设计中取消了隔离阀。4、反弹限位有些弹性元件（如钢板弹簧），它们的反向刚度较大，因此在采用这种弹性元件的悬架中，几乎不考虑反弹限位问题。然而，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

38、)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。5、减振器因空气弹簧和螺旋弹簧、扭杆弹簧等一样，本身没有衰减振动的能力。因此，对减振器的性能提出了较高的要求，希望减振器的性能稳定可靠。另外，为了满足汽车空载及满载时对减振器的要求，减振器的性能最好能随载荷的增加而改变，并将非周期系数保持在一个大致不变的范围内。 综合上述分析，我选择了如图 的空气悬挂作为本次毕业设计的方案，图中选用及确定的主要零部件有：Neway公司生产的AD-160型空气弹簧；由一根横梁、两个纵梁组成的辅助车架；导向钢

39、臂两个，各由四根钢板焊接而成；可调式横向推力杆一个；导向钢臂车架支架两个；车桥适配座及车桥盖各两个；双向作用减震器两个。图片： 设计计算3-1 辅助车架的设计计算一、辅助车架结构的选择 1、 车架的功用此车架作为一个辅助车架，它与空气弹簧、减振器、横向推力杆及车桥用连接件连接，而后将其焊接到黄海牌DD680K01大客车的整体式车架上。他承受后载质量和有效载荷，并承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩，车架要承受各种静载荷和动载荷。2、 对车架的要求为了使车架能达到以上功用，通常对车架有如下的要求： （1） 有足够的强度 保证在各种复杂受力的情况下车架不受损坏，要求有足够的疲劳强度。 （2） 有足够

40、的弯曲强度 保证汽车在各种复杂受力的使用条件下，固定在车架上的各总成不至于因为车架的变形而早期损坏。 （3） 有适当的扭转刚度 当汽车行驶于不平路面时，为了保证汽车对路面不平行度的适应性，提高汽车的平顺性和通过性，要求车架具有适合的扭转刚度。 （4） 尽量减轻质量 由于车架较重，对于钢板的消耗量相当大，因此车架应按等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料的消耗量。3、 车架结构的确定本车架选用边梁式车架。这种车架由两根纵梁，及连接两根纵梁的横梁组成。这种结构被广泛应用于货车和大客车上。图片： 车架的强度计算1、车架所受载荷汽车使用工况复杂，作用于车架上的载荷变化也很大。汽车静止时，车架

41、只承受弹簧以上部分的载荷，它由车架和车身的自身质量，装在车架上各总成与附近的质量和装载质量所受的重力组成，其总和称为车架的静载荷。汽车在平路上以较高车速行驶时，路面的反作用力使车架承受对称垂直载荷。它使车架产生弯曲变形，其大小取决于作用在车架上各处的静载荷及其垂直加速度。汽车在崎岖不平路面上行驶时，汽车四个车轮可能不再同一平面内，从而使车架产生扭转变形，其大小取决于路面不平度及车架与悬架的刚度。此外，汽车加速或制动时会导致车架前后部载荷的重新分配。汽车转弯时，惯性力将使车架受侧向力的作用。当前轮正面撞向路面凸起障碍时，将使车架产生水平的剪力。安装在车架上各总成工作时所产生的力由于载荷作用线不通

42、过纵梁截面的弯心，将会产生附加的局部扭矩。由此可见，汽车车架受力情况复杂，所承受的载荷属于空间力系。车架纵梁于横梁的节点结构又是各种这样。更导致问题的复杂化。目前正在迅速发展用有限元法来精确地分析和计算车架的强度。其计算工作由电子计算机来进行，效率较高。但考虑到理解此方法需要更深的基础知识，故现在只用简单的计算方法对其校核，虽所得结果精度有限，但在初始设计阶段，由于简便易行，对初选车架截面尺寸也是又用的。2、 车架强度的设计计算主要内容是对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，以用来确定其截面尺寸。注明：本车架通过焊接的方式与主车架相连，纵梁为简支梁，簧载质量可以看作均布在纵梁上。所有作用力均通过截

43、面的弯心（忽略不计局部扭转所产生的影响），载荷工况如图所示：由设计要求可知：该大客车后桥轴距为4100mm,根据汽车设计，取后簧长L = 4100 * 36% = 1476 mm（1） 确定弯矩根据图 3-1所示载荷工况可求支反力为：F = F = G / 2 = ( 7000-1120-220 ) * 10 / 2 = 28300 N所以，最大弯矩在车架的中点附近则 Mmax = F * L / 2 = 29300 * 1.476 / 2 = 20885.4 Nm如果要考虑汽车行驶受动载时的最大弯矩，可在最大弯矩前乘一动载系数k=4.0 (k取3-4.7)，此动载系数考虑了实际行驶中遇到最高

44、路障时的载荷增值。如果再考虑纵梁在动载荷作用下将产生疲劳，对疲劳的影响可用疲劳系数表示，此值取1.4，故动载荷下的最大弯矩为：Mdmax = 1.4 * 4 * 20885.4 = 116958.24 Nm（2） 纵梁截面尺寸的确定应力 式中：h腹板高；b翼缘宽；t 梁断面后度；解得： 117N/mm 按上式求得的弯曲应力不超过纵梁的疲劳极限 ，车架选用16Mn, =220260N/mm 。由于当纵梁变形时，翼缘可能受力而破裂，因此应按薄板理论进行较核，此时临界弯曲应力 为：0 N/mm 式中：E弹簧模量 泊松比3、 梁抗弯刚度较核为了保证整车和其他装置件的正常工作，对纵梁的最大弯曲挠度应加以

45、限制。根据使用经验，认为车架纵梁中点受1KN 集中载荷时的变形量不能超过0.085cm，由材料力学关于简支梁的挠度公式可求得下列关系：Jx / l > 12 , 即抗弯刚度必须大于12 l 。图片： 导向机构的设计计算一、 后悬架的结构特点此后悬架采用单纵臂式非独立悬架。导向杆为纵向刚臂，它控制桥的位置，承受客车的纵向力及部分垂直负荷；桥连接装置中上下支架有可压缩垫片以保证和桥壳完全接触；整体是稳定梁允许有效载荷中心有更大的变化，同时减少了加在桥上的扭矩并保持很高的抗客车摇摆能力；横向稳定杆固定桥的侧向位置并承受侧向力。由于后悬架的侧倾角刚度足够，所以没有装配横向稳定杆。 采用这种机构的

46、目的，是为了降低汽车纵向倾覆力矩中心的位置，增架悬架系统的抗车身的纵向倾斜能力。在布置单纵臂式导向机构时，一般多是像利兰大客车一样把前悬架导向臂与车身相连的铰接点布置在后轮之前。采用这种导向机构，当车轮上下跳动时，主销后倾角变化较大。因此，一般将导向臂做的较长。另外，当车身有横向摆动时，由于左右两导向臂绕支点转动的角度不一样，产生导向臂扭转车桥的趋势。当车桥的扭转刚度很大时，悬架系统会产生过大的附加载荷，引起U型螺栓甚至整个导向臂的折断。为了克服这一缺点，多是将导向臂与车桥及车架相连的地方做成弹性连接，使导向臂与车桥具有一定的变形能力。二、 截面尺寸的确定及较核考虑到后簧总长，取导向臂两端中心

47、点间距离为900mm,前后两端中心点到驱动桥中心的距离分别为530mm,370mm，前段中心点高200mm。导向臂静载时受力分析如图3-3：图片： 由汽车设计知, 对于空气悬架，簧下质量取后桥总质量的16%，即7000 *16% = 1120 kg每个导向臂上的B点受力为F = 3500 560 = 2940 kg。由力矩平衡得：F = 12087 N F = 17313 N由于汽车行驶工况复杂，所以从以下三个方面入手进行设计计算汽车紧急制动时图片： 假设汽车滑动系数为0.8，则 F = 0.8 * 3500 *10 * 2 = 28000 N由设计要求可知，车轮半径r = （D + 2B ）

48、* 25.4 / 2 r = ( 20 + 2*7 ) * 25.4 / 2 = 431.8 mmM = F * r = 28000 * 0.4318 = 12090.4 Nm由图3-6所示，对A点取矩得F * 0.204 + F * 0.9 + M = F * 0.53代入数据得： F = 830.7 N对B点取矩得F * 0.204 + F * 0.37 + M = F * 0.9代入数据得： F = 34169.3 N对上图进行力的分解，如图3-5 在Y方向上：F = F F = F *sin F *cos 解得： F = 22086.2 N在X方向上：F =F + F = F *sin

49、 + F *cos 解得： F = 38258.9 N M = F * 0.53 / cos = 12511.4 NmM = F * 0.37 = 307.4 NmM= M +M =12818.8 Nm所以，危险截面载车桥中心线稍左侧，即螺栓孔处，可近似认为车桥处。假设导向臂的臂厚为7mm。由材料力学可知： = 即 = + < 对于45号钢， =355*10 。设安全系数为n=2,所以 a 120mm, 这里取a =140mm,b=80mm再代入上面的式子得： =161Mpa此时的安全系数 n = 2.2 。2、加速行驶时 发动机最大扭矩T =470 Nm；变速器最大传动比i =6.60

50、2；主减速器传动比i =4.33；传动效率 =0.85；车轮半径r = 431.8 mm；有汽车理论可知：车轮最大扭矩T =T * i * i 所以，驱动力F = = 26448.4 N不计风阻，坡度阻力，假设一般沥青或混凝土路面 f = 0.019 ,则滚动阻力 F = 35000 * 0.019 = 665 N , 加速阻力 F = , = 1 + = 2.98 ( = 0.04 ) M = （F - F ）* 0.4318 =11133.27 Nm由图3-7可知：对A点取矩得（F - F ）* 0.204 + F * 0.9 + M = F * 0.53代入数据得： F = 2396.7

51、 N对B点取矩得（F - F ）* 0.204 + F * 0.37 + M = F * 0.9代入数据得： F = 32603 N对上图进行力的分解，如图3-5在Y方向上：F = F F = （F - F ）*sin F *cos 解得： F = 21403.3 N在X方向上：F =F + F = F *sin +（F - F ）*cos 解得： F = 35631.7N由弯矩图3-6可知：M = F * 0.53 / cos = 12155 NmM = F * 0.37 =886.8NmM= M +M =13041.8 Nm= = + =157*10 < 所以汽车在加速时，导向臂是安

52、全的。上坡时不计空气阻力和加速阻力，最大爬坡度 （满载，无托挂，在干燥硬实路面上等速行驶），则i=tg 0.2, 解得； 道路阻力F = G ( f + i) = 35000 * ( 0.019 + 0.2 ) = 7665 NM = F * r = 3309.7 NmF * 0.204 + F * 0.9 + M = F * 0.53代入数据得： = 15196.3 N对B点取矩得F * 0.204 + F * 0.37 + M = F * 0.9代入数据得： F = 19803.7N对上图进行力的分解，如图3-5在Y方向上：F = F F = F *sin F *cos 解得： F = 1

53、5823.3N在X方向上：F =F + F = F *sin + F *cos 解得： F = 21152.4N由弯矩图3-6可知：M = F * 0.53 / cos = 8986NmM = F * 0.37 = 5622.6NmM= M +M =14608.6Nm = = = 158 *10 < 所以汽车在最大爬坡度爬坡时，导向臂处于安全状态。综上所述，此导向臂完全合格。膜片空气弹簧的设计计算一、概述空气悬架的主要元件是空气弹簧。它由夹有帘线的橡胶气囊内的压缩空气组成。从结构上分为两类：囊式空气弹簧和膜式空气弹簧。本次设计采用膜式空气弹簧。对于汽车悬架弹性元件的负荷特性及其刚度式重要参数，空气弹簧也不例外。下面是膜式空气弹簧的符合特性及刚度曲线的计算方法。二、空气弹簧的负荷特性设空气弹簧上受到载荷P的作用，弹簧内充气后，绝对气压为p，如图3-9所示，则有： P=(p0.1)A (1)式中：A-有效面积，它随着气囊高度一起变化。由于空气密封于容器内，弹簧上载荷变化时，内腔的体积和压力也发生变化，其变化规律可由气体状态方程式确定，即：p=p0( ) (2)式中： p、v任意位置时气体的绝对压力和容积； p0