17-4.5空气悬架、油气弹簧设计

4.5空气悬架、油气弹簧设计

4.5.1空气悬架的设计

空气悬架多应用于各类大型客车和无轨电车上，在高级轿车、长途运输重型载货汽车和挂车上也有所采用。其弹性元件是由夹有帘线的橡胶囊或膜和冲入其内腔的压缩空气所组成。这种悬架除弹性元件、减振器和导向机构外，一般还装有车身高度调节装置。

由于空气弹簧可以设计得比较柔软，因而空气悬架可以得到较低得固有振动频率，同时空气弹簧的变刚度特性使得这一频率在较大的载荷变化范围内保持不变，从而提高了汽车的行驶平顺性。空气悬架的另一个优点在于通过调节车身高度使大客车的地板高度和载货汽车的货箱高度随载荷的变化基本保持不变。此外，空气悬架还具有空气弹簧寿命长、质量小以及噪声低等一些优点。

空气悬架的不足之处在于：结构复杂，与传统的钢制弹性元件相比，需要增加压气机、车身高度调节器以及气阀等零部件；价格昂贵；空气弹簧尺寸较大，不便于布置；需要专门的导向机构传递侧向力、纵向力及制动、驱动力矩。

正是由于这些原因，普通轿车上很少采用空气悬架。戴姆勒—奔驰公司仅在其最高档的600系列轿车上才装有空气悬架。

按照结构特点，空气弹簧可以分为囊式和膜式两大类。囊式空气弹簧结构相对简单，制造方便，但刚度较高，因而常用于大型客车、无轨电车和载货汽车，并且常配有辅助气室以降低弹簧刚度。膜式空气弹簧刚度小，适合于用作轿车悬架，但同等空气压力和尺寸下其承载能力小，并且动刚度会增大。

图4－17

如图4—17所示，当在充满气体的空气弹簧上作用外力P 后，会引起弹簧的微小变形df ，相应的气体容积变化量为dV 。由于囊壁变形所做的功与外力所作的功相比可以忽略，因而外力作的功Pdf 等于气体受压作的功dV p p a )(-

dV p p Pdf a )(-= （4－39）

式中p ——弹簧内空气的绝对压强；

a p ——大气压强。

k ——气体常数，当汽车载荷缓慢变化时，弹簧内空气状态的变化接近于等温过程，可取k ＝1；当汽车在行驶过程振动时，弹簧内空气状态的变化接近于绝热过程，可取k ＝1.4；实际计算时，通常取k ＝1.2～1.4。

定义弹簧的有效面积

df dV A eff /-= （4－40）

可以得到

eff a k k eff a A p V V p A p p P ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=-=00)( （4－41） 将上式对位移求导可得空气弹簧得刚度为

df dA p V V p A V V kp df

dA p p A df dp C eff a k k eff k k eff a eff ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=-+=+002100)( （4－42）

这表明空气弹簧的刚度由两部分构成，分别由气体体积的变化和有效面积的变化而引起。在设计空气弹簧时，对这两个方面都要加以考虑。

在静平衡位置时，有0p p =，0V V =，代人式(4－42)可得到静平衡位置的弹簧刚度为

df

dA p p A V kp C eff a eff )(200-+= （4－43） 从中可以看出，要想获得较软的刚度，应该增大0V ，但在布置上又不允许占用过高的空间，因而常常采用增加辅助气室的办法来达到增大0V ，减小刚度的目的。辅助气室容积ae V 以及静平衡位置压力0p 对空气弹簧弹性特性的影响如图4—17和图4—18所示。

图4－18

增加辅助气室后，可使空气弹簧的弹性特性更接近于理想弹性特性，但辅助气室的容积一般不超过弹簧容积的3倍。

由于空气弹簧无法承受侧向力及转矩，必须为悬架选择恰当的导向杆系。目前常用的有以下三种方式：①用钢板弹簧作为导向元件，这种方法的优点在于可以利用以前的零部件，便于改装，同时板簧与空气弹簧联合作用可使悬架弹性特性更接近理想，悬架的偏频在很大载荷范围内近似保持不变。②纵臂式，这种方式增加了设计的灵活性，可以较好地保证悬架的纵倾特性，车轮跳动时主销倾角的变化量也能满足要求。③A型架式，实际上为纵臂式的变形，其侧向刚度较大，可减小车身侧向摆动的加速度，从而减小悬架中出现的附加载荷，多用于重型车的悬架。在轿车上，一般前悬采用双横臂，后悬采用纵臂式导向机构。

空气悬架车身高度调节机构是一端固定在车架、一端固定在车身上的联动阀，当车引高度变化时，阀动作打开相应的气路，向弹簧气室中补充或由弹簧气室放出空气，达到测节车身高度的目的。

汽车在正常行驶过程中，由于垂向振动或侧倾，车身与车桥之间总会发生相对位移。在设计车身高度调节器时，必须采取必要的措施以防止在此类情况下车身高度调节器频繁动作。

图4—19 带电控单元的空气悬架系统示意图

1－车身高度传感器；2－空气弹簧；3－空气压缩机；

4－电控单元；5－四路进排气阀；6－车况输入

图4—19所示为带电子控制单元的轿车用空气悬架系统示意图。电控单元可以根据当时的车况、驾驶员的要求和三个车身高度传感器的测量信号分别控制四路进气/排气阀的开闭，从而自如地调节车身高度、车身姿态角和悬架的刚度。

4.5.2油气弹簧的设计

油气弹簧是空气弹簧的一种特例，其工作原理如图4—20所示。

图4—20 油气弹簧工作原理图

1－油液；2－气体；3－橡胶膜；4－活塞

其中起弹性元件作用的仍是密封在工作气室内的惰性气体(一般为氮气)，但在气体与活塞之间引入油液作为传力介质。通常用弹性橡胶膜将气体与油液隔开，从而防止在高温、高压及复杂的工作条件下气体溶于油液，确保性能的稳定性。由于油气弹簧采用钢制气室，因而与空气弹簧相比，可以有更高的工作压力，通常为5～7 MPa，有的高达20MPa。因此在同样的工作条件下，油气弹簧具有尺寸短、质量小的优点，便于在车上布置，用于重型自卸汽车上比钢板弹簧轻50％以上。油气弹簧的其他优点还包括：传力的油液介质同时也可起到润滑滑动表面的作用；在缸筒内安装内置节流阀，可以提供必要的阻尼力使油气弹簧同时起减振作用，从而取消了单独的减振器；依靠车身高度调节阀调节油液的压力，可以方便地实现车身高度的调节；油气弹簧具有较低的固有振动频率等。其缺点有：由于工作介质为高