空气悬架设计总结

空气悬架设计
一、设计所需参数
（1）平顺性
m1=3000
m2=6000
前、后轴荷质量（kg）
m31=370 m32=590 m4= 汽车前、后非簧载质量（kg）
簧载质量绕其质心的转动惯量（kg.m2）
M5=驾驶员座椅坐垫上承受的那部分人
体质量（kg）
k1= k2=
K1=205 K2=305 前、后轮胎刚度（N/m）前、后悬架刚度(N/mm)
k5= 座椅刚度（N/m）
c1= c2= 前、后轮胎垂直阻尼系数（N.s/m）
c3= c4= 前、后减震器阻尼系数（N.s/m）
c5= 人座椅系统阻尼系数（N.s/m）
L1= 座椅中心到簧载质量质心的水平距离（m）
（2）操纵稳定性
l=3800（mm）轴距
I Z整车绕垂直轴线的转动惯量(kg.m2)
I XC悬架上质量绕通过悬挂质量重心的X轴的转动惯量(kg.m2) I XZ悬架上质量绕通过悬挂质量重心的X，Z的轴惯性积(kg.m2) K f前轮侧偏刚度(单轮)
k r后轮侧偏刚度(单轮)
f
N前轮回正力矩系数(N.m/rad)
r
N后轮回正力矩系数(N.m/rad)
f E
前侧倾转向系数 r E 后侧倾转向系数
1φC 前侧倾角刚度(N.m/rad)
2φC 后侧倾角刚度(N.m/rad)
f D 前侧倾角阻尼(N.m/rad/s)
r D 后侧倾角阻尼(N.m/rad/s)
h
侧倾力臂(m)
二、悬架布置要求
满载工况：为了在汽车驱动时车身后部能接近水平，所以车身前面要低一些。

δ=0.5-1.5 °。

满载工况前轮中心比后轮中心低31mm 。

轮胎：7.50—20 14PR 最大使用直径尺寸972mm
空气弹簧布置：在布置允许的情况下，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。

1、 前悬
[1] 前桥参数：主销内倾角7.5°，主销后倾角0°。

[2] 满载前桥仰角：动力转向（楔铁3.7°+ 板簧1°=4.7°，增加回正力矩）；非动 力转向（楔铁2°+板簧1°=3°）。

[3] 前轮最大转向：39°和32°
2、后悬
[1] 满载后桥仰角：悬架前仰角4°+ 后桥自身前仰角1°=5°
三、气囊选择
囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的挠曲获得弹性变形；膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的 卷曲获得弹性变形；混合空气弹簧则兼有以上两种变形方式。

1、 空气弹簧的刚度
F ：空气弹簧承受的载荷；P ：空气弹簧内的绝对气压；A ：有效面积，它随气囊高度变化；f ：空气弹簧垂直位移；k ：多变指数，当汽车振动缓慢时，气体状态的变化接近于等温过程，k=1，当汽车在坏路上行驶，振动激烈时，气体的变化接近于绝热过程，k=1.4，在一般情况下，k=1.3-1.38；00,V p ：静平衡位置时，气体的绝对压力和容积；V p ,：任意位置时，气体的绝对压力和容积；
A p F )1(-= （1）
k
V V p p ⎪⎭
⎫ ⎝⎛=00（2）
把（2）带入（1）得：
A V V p P k ⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=100（3）
将p 对空气弹簧垂直位移f 求导数，则空气弹簧刚度为：
df dV V k V Ap df dA V V p df dP C k k k 1000011+⨯⨯-⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛==（4） 在静平衡位置时，00,,0p p V V f ===，带入（4）可得静平衡位置时的刚度0C 为：
2
000)1(V A kp df dA p C +-=（5） 2、 空气弹簧的振动频率
m ：空气弹簧承载的质量； g ：重力加速度；0,n n ：分别为任意位置、静平衡位置的振动频率。

g
A p m )1(-=（6） g
A
p df dV V k V Ap df dA V V p m C n k k k )1(112121
10000-⨯⨯-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛==+ππ（7） 则在静平衡位置时，空气弹簧的振动频率0n 为：
00000)1(21)1(21
V p kgA p df dA A g g A p C n -+=-=π
π（8） 一般前悬架5.125.1-=n Hz ，后悬架7.125.1-=n Hz
3、 空气弹簧的选择
主要考虑：气囊直径、高度、承载力、绝对气压、频率、刚度、内置缓冲块、行程 满载工况：
● 气压：0.4-0.6Mpa(基本同制动气压6-7个大气压，储气筒极限气压8个大气压) ● 高度：根据气囊特性曲线选取随高度变化而气囊刚度变化较小的高度范围
● 直径：布置空间
● 压力：载荷
● 频率：不大于1.5HZ
5、空气弹簧承受载荷计算
5．1、整车基本参数
整备质量：9000kg
考虑超载10人时总质量（超载30％，按75kg/人计算）：9750kg
空载时总质量（按满载减去30个人的重量计算，75kg/人）：6750kg
5．2、簧载质量和非簧载质量计算
1）标准状态下
前轴荷：3000kg
后轴荷：6000kg
非簧载质量：
前轴：370kg
后轴：590kg
簧载质量：
前轴：2630kg
后轴：5410kg
2）超载10人时（假设10人载荷均布）
前轴荷：3250kg
后轴荷：6500kg
非簧载质量：
前轴：370kg
后轴：590kg
簧载质量：
前轴：2880kg
后轴：5910kg
3）空载时
前轴荷：2250kg
后轴荷：4500kg
非簧载质量：
前轴：370kg
后轴：590kg
簧载质量：
前轴：1880kg
后轴：3910kg
5．3杠杆比的选择
1、前悬架采用两气囊，拖臂式结构，在大量参考其它车型的基础上，初步选择杠杆比为：（1）杠杆比：770/650（2）杠杆比：750/650，计算每一个空气弹簧的载荷：（按超载状态计算）
（1）杠杆比：770/650
前悬架一个空气弹簧载荷：1215.58kg(11.9kN)
（2）杠杆比：750/650
前悬架一个空气弹簧载荷：1248kg(12.23kN)
2、后悬架采用四气囊结构，四个气囊平行安装，分别布置在车轮的前后方和车架的外侧。

平均每个空气弹簧的载荷为1477.5kg（14.48kN）。

5．4根据承载能力，结合气源压力（0.8MP），按照contitech提供的空气弹簧型号系列，初步选择下列空气弹簧：前空气弹簧：788N、819NP01、819MB、895N、895M、975N、1819N，后空气弹簧：788N、817MB、819NP01、819MB、822N、832MB、879N、895N、895M、
921MB 、1788N 。

5．5根据安装空间的要求对上述空气弹簧进一步筛选。

这一步的主要思路如下：HFC6782高地板客车的地板高度提高了220mm ，这给空气弹簧在高度方向的布置留有一定的余地，主要目标是选择直径尺寸较小的空气弹簧。

其中前空气弹簧的直径和高度尺寸分别为：
786N ： h/D R ＝305/275
819：h/D R ＝230/255
975N ：h/D R ＝195/215
1819N ：h/D R ＝225/250
后空气弹簧的直径和高度尺寸分别为：
788N ：h/D R ＝305/275
819：h/D R ＝230/255
822 ：h/D R ＝240/285
832：h/D R ＝265/275
879：h/D R ＝200/285
921：h/D R ＝265/285
1788：h/D R ＝242/285
5．6后、前空气弹簧悬架的偏频匹配
1、根据赖姆佩尔教授给出的前后悬架偏频匹配经验公式，对于后置发动机应该满足下列条件：
2、原车钢板弹簧悬架系统偏频计算：
满载时前悬架偏频：
簧载质量：2630/2=1315 kg
弹簧刚度：205N/mm
偏频 1.987Hz =f f
满载时后悬架偏频：
簧载质量：5410/2=2705kg
弹簧刚度：305N/mm
偏频 1.69Hz =r f
后、前悬架偏频比：
空载时前悬架偏频：
簧载质量：1880/2=940kg
弹簧刚度：205N/mm
偏频 Hz 35.2=f f
空载时后悬架偏频：
8505
.0=f r
f f 83
.0≤=f r r f
f f ϖϖ
簧载质量：3910/2=1955kg
弹簧刚度：305N/mm
偏频 Hz 988.1=r f
后、前悬架偏频比：
原车的偏频匹配基本上满足要求。

也可以适当考虑提高前悬架的偏频或适当降低后悬架的偏频。

但空载和满载时系统的偏频都偏高，在空气弹簧悬架系统的偏频匹配时，可以借用原来的偏频比，但要适当降低系统的固有频率。

对于空气弹簧来说，频率是固定不变的，通过前后悬架偏频的匹配和contitech 提供的空气弹簧型号系列中固有频率来确定空气弹簧及其频率。

另外在选择空气弹簧时还考虑到了同型号空气弹簧在其它车型上的应用情况。

考虑了市场保有量水平和使用普遍性原则。

经过以上分析和综合考虑初步确定前后悬架分别选用contitech 公司空气弹簧，型号分别为：975N 和819NP01，其行程分别为（-75，195，55）、（-80，230，70）；
5.7 结构参数
后气囊：
满载高度：230=95（固定）+60（缓冲块）+75；最大压缩量：80mm ，最大伸长量：80 mm 前气囊：
满载高度：195=80（固定）+115；最大压缩量：75mm ，最大伸长量：90 mm
四、减震器设计
1、汽车振动系统对减震器特性的要求：
由路面激励引起的汽车垂直、俯仰以及侧倾等运动都会影响汽车的乘坐舒适性、行使平顺性。

悬架减震器的一个重要作用是衰减因冲击引起的车身自由振动，并抑制在共振频率附近车身强迫振动的幅值，提高乘坐舒适性。

在频域内，由路面激励引起乘员振动加速度的幅频响应特性在系统固有振动频率附近存在峰值（车身-悬架系统、乘员-座椅系统、非悬挂系统）。

在以保证汽车最佳乘坐舒适性为目标的条件下，减震器的阻尼系数的选择在于如何有效降低乘员振动响应峰值。

对于轿车减震器，到阻尼比()
mk C 2/=ξ（C 阻尼系数，k 悬架刚度，m 簧上质量）在0.3左右、复员/压缩行程阻尼力分配为80/20时，通常可以获取较好的乘坐舒适性。

当汽车直线行使时，随车速的升高，由路面激励引起的汽车位移、速度和加速度功率谱密度增大，使得控制汽车的垂直、俯仰和侧倾等运动变的困难。

此时需要增加减震器的阻尼比以提高汽车的行使安全性。

汽车在某些非稳态工况下所产生的车身运动，如加速或制动导致的俯仰运动、转向导致的侧倾运动等，都需要由悬架减震器衰减，此时要求减震器阻尼比为0.8-1.0、复员/压缩行程阻尼力分配为60/40，才能够保持较好的汽车操纵稳定性。

2、空气弹簧与减震器的匹配
因空气弹簧本身没有衰减作用，因而希望减震器性能稳定可靠；为防止气囊过度拉伸， 减震器要起锁止作用，要求能承受几吨的极限拉脱力。

拟参考纽威减震器结构及其提供的样品性能参数让厂家试制。

纽威减震器使用的条件：空载及满载每个车轮上弹簧所承受的力；安装位置：轴前或轴
8459.0=f
r f f
后；减震器行程；减震器连结方式。

五、导向杆设计
1、纽威连接衬套
前Ф5.84cm 后Ф8.276 cm Ф9.204 cm Ф8.236 cm
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，引起骑马螺栓甚至使整个导向臂折短。

为了克服这一点，多是将导向臂与车桥及车架相连的地方做成弹性连接，使导向臂与车桥有一定的变形能力。

①特性试验
●径向力特性（F—D径向变形）
●轴向力特性（F—S轴向变形）
●扭转力特性（M—θ扭角）
●扭曲力特性（M—δ挠角）
●耐久性试验：
经历下述条件的耐久性测试后各部分不得有裂纹,破损及其他缺陷
10（5）室温（1）径向载荷；（2）扭转角度θ；（3）循环频率:2.5HZ；（4）循环次数:5
②材料
天然橡胶或丁苯橡胶：橡胶硬度HS70±5，抗拉强度大于17.16MPa,延伸率大于300%；耐热性，70C，70h后抗拉强度变化率±25%，延伸变化率±35%以内，硬度变化率HS±10；压缩永久变形，70 C，22h后，永久变形小于50%；耐寒性：—40 C，3min后不得有裂痕；耐臭氧性：50亿分之一浓度，10%伸长率，96h后不得有裂痕。

③关键尺寸
2、横向推力杆
作用：汽车行驶中左右单侧路面凸起、转弯行驶或高速侧向风行驶过程中受的侧向力均由横向推力杆承受，以免车桥和悬架相对车体向一侧偏移。

安装方式：（1）横向推力杆一侧与车架相连，另一侧与车桥相连；（2）推力杆为V形，推力杆在水平面内倾斜布置，构成一个三角形架，三角形架除传递汽车的纵向力外，可传递汽车的侧向力。

在布置这种导向机构时，一般多是希望上面两推力杆的交点尽可能布置在垂直后桥的横向平面内，若交点不在该平面内，则在悬架导向杆系内会产生一个附加力矩，因此在设计时，应尽可能把两斜推力杆交点布置在垂直于后桥的横向平面内。

将横向推力杆尽量水平布置，且横向推力杆尽量长一些，以减小车桥相对于车架（车身）的跳动时的横向窜动量。

六、稳定杆设计
安装稳定杆的目的，一方面是为了提高汽车抵抗侧倾的能力，另一方面是要保证汽车有良好的转向特性。

因为空气弹簧在经常工作区域内垂直刚度很小，而且由于空气弹簧的直径较大，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。

为了提高汽车的横向角刚度，并使前后悬架的角刚度之比接近前后轴的负荷之比，以保证汽车的转向特性为不足转向，特设计前后稳定杆。

前悬架只使用一个高度控制阀且无隔离阀，左右气囊是串通的，其横向角刚度为零，为了使整车具有较好抗侧倾性能，对前悬架应采用较强的稳定杆。

七、高度控制
1．高度控制阀的功能：随车载变化保持合理的悬架行程；高速时降低车身，保持汽车稳定性，减少空气阻力；在起伏不平的路面情况下，提高车身高度以提高汽车通过性。

2．空气弹簧工作原理：当空气弹簧上的载荷增加时，弹簧被压缩，储气筒内的气体通过高度阀的进气口向气囊注入，气囊内气压增加，空气弹簧升高直至恢复到原来的位置，进气口关闭为止；当空气弹簧上的载荷减小时，弹簧伸张，气体通过高度阀的排气口排出，直至空气弹簧下降到原来的位置，排气口关闭为止。

所以在高度阀的作用下，空气弹簧的高度可以保持在平衡位置附近波动，从而保证车身不随载荷变化而变化。

每车的高度阀不得超过3个，否则“多余的”定位将使各轮的载荷变化不定，从而出现对角线的过载和振动。

3．高度控制阀检测：中立位置（不冲气也不排气）、空行程、延时时间（3±1秒）、最大工作角度。

检测步骤：（1）使系统压力超过6个大气压；（2）松开连杆，向上转动控制阀45度，维持10秒，空气应该流入空气弹簧；（3）控制臂转向中立位置，阀应能关闭空气的流动；（4）控制臂向下转动45度，维持10秒，空气应从空气弹簧中排出；（5）控制臂转向中立位置，阀应能关闭空气的流动。

4．高度控制阀维护：（1）定期目视检查阀控制臂或定位调节块周围的间隙，以及是否有损坏；（2）空气管路内的赃物或异物会防碍阀的工作，虽然高度控制阀有保护滤防止异物侵入，但仍应定期维护控制制动系统；（3）定期排除储气罐的水汽；（4）在特别寒冷的气候条件下，建议采用空气干燥器或酒精蒸发器，以免阀冻坏和损坏；（5）绝不要给阀上油脂。

八、6782后桥结构的调整
在后桥壳上焊接铸刚座，通过两销定位，再把铸刚座与气囊托臂限位。

仅靠骑马螺栓无法限位气囊托臂的左右摆动，此问题反复装车整改2次才得以解决。

九、6782车架结构的调整
要求车架有足够的弯曲刚度和适当的扭转刚度，通常车架两端的扭转刚度大些，中间部分的扭转刚度适当小些。

对称的垂直动负荷使车架产生弯曲变形；斜对称的动负荷时车架产生扭转变形；由于载荷作用线不通过纵梁截面的弯曲中心而使纵梁产生附加的局部扭转。

十、整车平顺、操纵稳定性理论计算
1、平顺性分析、计算
（1）建立模型：
采用5自由度汽车模型进行计算，自由度包括2个车轮的垂直运动自由度、悬挂质量的1个垂直运动和1个俯仰振动自由度，同时包括1个人—座椅系统垂直振动自由
度。

（2）采用ADMAS软件进行仿真计算。

计算内容包括座椅垂直振动加速度和车轮动载荷。

（3）根据ISO 2631对系统进行评价。

3、操纵稳定性分析
（1）根据操纵稳定性涉及的具体内容进行如下几个方面仿真计算：
(a)时域计算、频域计算。

(b)瞬态响应计算、稳态响应计算。

(c)角输入响应计算、力输入响应计算。

(d)回正能力计算。

(e)撒手稳定性仿真试验。

(f)转向灵敏度、稳定性因数。

（2）参考下列标准对计算结果进行评价。

(a)《汽车操纵稳定性指标限值和评价方法》GB/T13047-91
(b)《美国试验安全车操纵稳定性性能要求极其试验方法》
（3）优化设计计算。

优化设计的参数为前后悬架的刚度和阻尼系数，设计的目标函数是确定最小的垂直加速度均方根值或者是最小的动载荷。

十一、试验
1、行驶平顺性
道路试验：以不同速度在沥青路和砂石路行驶测得汽车的前、后座椅“疲劳-工效降低T。

界限”
FD
（1）偏频试验
测定簧载质量的固有频率和阻尼比、非簧载质量的固有频率。

（拆除减震器、缓冲块）（2）总加权加速度振级
3、操纵稳定性
稳态回转试验：前后轴侧偏角（轮胎侧偏、侧倾转向、侧向力转向等总的侧偏角）之差与侧向加速度的关系，车身侧倾角与侧向加速度的关系蛇形试验：前后平均横摆角速度与速度的关系、前后平均侧向加速度与速度的关系、前后平均车身侧倾角与速度的关系。

4、可靠性试验
5、试制问题汇总
（1）前悬
（A）横向拉杆横梁强度要加强；（B）前固定支架孔位不对，造成纵梁衬板开孔在棱上；（C）纵梁及其衬板漏前稳定杆的安装孔位；（D）横向拉杆横支架孔位不对，且与缓冲块支架干涉；（E）减振器反弹限位不够；（F）减振器移到车架外侧
（2）后悬
（A）纵梁后气囊后上支架孔位错位；（B）后桥托座的修改，解决后托臂左右摆动问题；（C）托臂与后推力杆支架间隙太小；
十三运输
1．底盘吊装时，要把前、后桥与车架固定，防止拉脱减振器
2．前、后桥与车架，防止在运输中气囊磨损
十四参考文献：
[1]丁良旭空气弹簧悬挂的计算机模拟中国公路学报，1997（1）
[2]董学锋膜片空气弹簧的设计计算汽车技术，1990（3）。