空气悬架系统

对汽车空气悬架系统的认识和了解

1 空气悬架发展概述

空气弹簧诞生于19世纪中期,早期用于机械设备隔振。1947年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧，到目前为止，空气悬架系统(AIRMATIC)是流行于当今发达国家汽车行业的先进产品。在发达国家，100%的中型以上客车都用了空气悬架系统，40%以上的卡车、挂车和牵引车用了空气悬架系统。其最大的优点是：不仅可以提高乘员的乘坐舒适性，而且可以对道路起到重要的保护作用。

我国虽然从50年代就开始了对空气悬架的研究工作，但由于设计及制造等复杂因素的影响，并没有开发出实用的空气悬架系统，一直未能得到推广应用,目前国内各种车辆采用的空气悬架基本依赖进口。为了提高我同空气悬架的自主开发能力．目前国内各大汽车厂、研究所和大专院校加大对空气悬架基础理论和设计方法的研究力度，并在各种车辆上尝试采用空气悬架。

随着空气悬架应用的推广，对空气弹簧、导向机构及控制机构的研究也得到了重视。J. R. EVANS等人在1970年做了空气弹簧垂直特性实验，建立空气弹簧垂直动态特性模型。1994年做了空气弹簧的侧向特性实验，在大频率和大幅值情况下，测量了空气弹簧在不同载荷下的侧向力和变形。Katsuya Yoyofuku等通过研究振动频率和弹簧反应之间的关系，分析管道和气室对弹簧特性变化的影响。交通部重庆公路科学研究所的丁良旭对空气悬架的一些性能进行了计算机模拟，拟合了空气弹簧的特性曲线。 Jon Bunne和Roger Jable研究了空气悬架对传动系统振动的影响。John Woodrooffe通过试验分别评价了重型货车空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架的路面附着性和行驶平顺性。

2 空气悬架系统的特性

2.1 空气弹簧的特点

（1）空气弹簧具有非线性特性，可将其特性曲线设计成理想形状。如图1所示空气弹簧特性曲线，静、动刚度随着载荷的增加而增大。

（2）空气弹簧质量轻，内摩擦极小，对高频振动有很好的隔振、消声能力。

（3）空气弹簧的刚度和承载能力可以通过调节橡胶气囊内的压力来调整。

（4）空气弹簧制造工艺复杂，费用高。

2.2 空气悬架对整车性能的影响

（1）空气悬架为刚度可变的非线性悬架。当簧载质量变化时，刚度随之变化，以保持空载和满载时车身高度相同，悬架固有频率基本不变。根据需要，可以选择不同的气囊工作高度，获得理想的固有频率，从而得到良好的行驶平顺性。

（2）空气悬架质量轻，弹簧刚度低,高速行驶时，轮胎与地面的附着能力强，制动距离短；转向时，过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性。

（3）空气弹簧内的空气压力直接反映了簧载质量，可取空气压力作为信号，控制制动缸内的气压，来控制制动时的制动力，更好地保证了行驶安全性。

（4）可通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。在平坦的路面上，降低车身高度，保持空气阻力系数为最佳值，可以减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速。在崎岖不平的道路上，为了通过障碍物，可以提高车身高度。

（5）减少整车的振动噪声,提高汽车零部件使用寿命。

（6）由于空气悬架刚度低，轮胎动载荷小，能够降低载重汽车对高速公路的破坏。

3 空气悬架系统的组成

空气悬架系统主要由空气弹簧、导向机构、高度控制阀、减振器、横向稳定器和缓冲限位块等组成。

3.1 空气弹簧的类型和特性

空气弹簧是橡胶、帘布结构的气囊，以空气为介质，利用空气具有压缩弹性的性质制成的弹簧，其刚度呈非线性变化，通常是当载荷加大时刚度也增大。由于空气弹簧的空气介质内摩擦极小，工作时几乎没有噪声，对于高频振动的吸收和隔音性能极好。

根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧分为囊式空气弹簧和膜式空气弹簧两种。图2中左边为囊式空气弹簧，右边为膜式空气弹簧。

图2 两种不同形式的空气弹簧

囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形，膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形。囊式空气弹簧寿命较长、制造方便、刚度较大，常用于载货汽车上，膜式空气弹簧尺寸较小，弹性特性曲线更理想，刚度较小，常用于轿车上。

3.2 导向机构

由于空气弹簧只能承受垂直载荷，所以在汽车空气悬架中必须设计导向机构来传递纵向力和侧向力，导向机构的设计在空气弹簧悬架设计中一个非常重要的方面，如果设计得不合理，

会增加空气弹簧的负担，甚至会发生扭曲、摩擦等现象，恶化减振效果，缩短弹簧的寿命。

导向机构的形式很多，各有利弊，在设计时要分局整车的布置和性能要求进行。

3.3 高度控制机构

车架高度控制机构包括一个高度传感器、控制机构和执行机构，其功能为：

（1）随车载变化保持合理的悬架行程；

（2）高速时降低车身，保持汽车稳定性，减少空气阻力；

（3）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。

在空气弹簧悬架中，高度阀是用来控制空气弹簧内压的执行机构，高度阀固定在车架上，其进、排气口分别与储气筒和空气弹簧相接。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少，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。

图3 高度控制阀

3.4 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，所以空气悬架要安装减振器，以达到迅速衰减振动的目的

3.5 横向稳定器

安装横向稳定器的目的是为了提高汽车抗侧倾能力和保证汽车具有良好的转向特性。如果空气悬架导向机构有足够的侧倾角刚度时可以没有横向稳定器。

3.6 缓冲限位块

空气悬架系统中缓冲限位块的安装形式有两种，一种为安装在空气弹簧的盖板或底座上，另一种为安装在空气弹簧以外的车架或车桥上。缓冲块的作用是避免车架和车桥或导向杆件之间的刚性冲击。在车辆行驶过程中，缓冲块经常受到间断性的冲击压缩，因此，缓冲块应具有足够的强度且内部应力分布要均匀。当空气弹簧漏气或气囊损坏时，缓冲块起到橡胶弹簧的作用。

4 汽车空气弹簧悬架基本理论

4.1 空气弹簧刚度特性

由于空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩空气，可采用气体定律来描述气体压力Ｐ和容积Ｖ的关系

const PV n = （1）

指数ｎ的选择取决于弹簧变形的速度，变形速度慢为等温过程，ｎ=1；变形速度快为绝热过程，ｎ=1. 4。空气弹簧的承载能力由下式得出

e i A P F ⋅= （2）

刚度k 可以通过空气弹簧承载F 对弹簧行程S 求导得出

V A P P n s A P s F k e i e i 20)(++∂∂=∂∂= （3）

所以空气弹簧的刚度由有效面积A e 、工作压力P i 和工作时的容积V 决定。在工作压力已

知的情况下，减少有效面积的变化率，增大空气弹簧的容积，可以减小其刚度。

在实际工程中是用试验的方法来测定空气弹簧刚度，通过测定在不同压力下空气弹簧载荷F 和位移、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)，曲线的的斜率就是空气弹簧刚度。