空气悬架导向机构的分析

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导向机构的作用
空气悬架是主要采用空气弹簧作为弹性元件的，是由夹有帘线的橡胶囊和充入其内腔 的压缩空气组成，只能承受垂直载荷。基于这个特点，故在这种系统中需要有导向机构来承 受和传递垂直力以外的力和力矩。 此外转向轴上的导向机构还应能控制车轮定位角在合理的 范围内变化， 转向时车轮能有合理侧偏角以便合理的控制整车地不足转向效应。 导向机构的 布置和与运动关系到整车的平顺性、行驶稳定性、在紧急制动时能抗“点头”和轮胎的磨损 情况。在空气悬架系统中对导向机构有如下要求： 1、在车轮跳动时，车轮定位角能有合理的变化特征。 2、转向时，车轮能有合理侧偏角。 3、导向机构与转向拉杆运动协调。 4、承受和传递垂直力以外的力和力矩
2 几种导向机构的分析 双纵臂非独立悬架
双纵臂非独立悬架又称四连杆机构，其摆臂在客车纵向平面内运动，当车轮跳动时，车 轮的倾角和轮距保持不变，轴距有变化。由于采用双纵臂可保持车桥水平上下移动，保持主 销后倾角不变，故用于客车前悬架和发动机后置客车。布置有两大类，一类是采用 4 根纵臂 和 1 根横臂作为导向机构。称作横向推力杆的横臂，其功能是承受侧向力。4 根纵臂通常称 为纵向推力杆承受着制动力矩和作用于纵向的力；第二类则是把 2 根上臂布置成彼此成锐 角，以使它们能够承受侧向力而不必使用横向推力杆。 第一类导向机构运用于前悬架例子， 如美国 Hendrickson 公司 PARASTEER 前悬架和 Volvo 公司北美长头卡车前悬架（见图 2.1） 。这类导向机构还有一种变形，其布置方式为下面还 是 2 根纵臂，上面 2 根纵臂减去一根，余下一根移至车桥中间部位，变成 3 根纵臂和 1 根横 臂。3 根纵臂承受着制动力矩和作用于纵向的力，横臂承受侧向力，美国 neway 公司产大多 数发动机后置客车后悬架采用这种结构（见图 2.2） 。这类悬架具有平行的车桥悬挂导向， 在悬架的整个活动行程范围内传动轴角度变化很小，保证传动轴均匀传动。 在确定通过空气弹簧传递的静载荷 F 时，仅研究空气弹簧所固定的纵臂就可以了（图 2.3） ：F=（N b -U/2）i
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i=b/a N b :车轮载荷（等于前桥或后桥允许载荷一半的法向力） U:作用在桥上的非簧载部分重力 i:转递比 当空气弹簧在车桥上时 b=a, i=1,空气弹簧转递的静载荷为 N b -U/2，且当空气弹簧在横向 平面和纵向平面有相应倾角时， 计算传递比 i 时可以不予考虑， 空气弹簧只能承受垂直载荷。
图 2.13 为确定 A 点的作用力，应当把车桥、车轮与纵臂作为一个整体来研究。 如果客车转弯或者在不良路面上行驶时（图 2.10） ，在两个车轮与路面接触点会产生 方向相同的两个侧向力，这两个力将由横向推力杆承受，同时产生一个转矩。这个转矩使 纵向导向臂产生力 AZ （见图 2.14） 。
图 2.14 由于横向推力杆不和侧向力 S 在一条线上，故产生一转矩，这个转矩由纵臂承
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图 2.5 由于横向推力杆不能保证和侧向力 S 在一条线上，故产生一转矩，这个转矩由下 纵臂和上纵臂承受。 此类悬架运动在纵向平面运动即悬架垂直震动时可以看成是两点固定的平行四边形 AEDB 运动，以 E 点和 D 点为定点，按平行四边形运动法则运动（见图 2.6） 。通常上下跳动 范围是在客车满载位置到车轮跳动±80mm 的范围。在这个平面内产生的运动会使轴距有一 定的变化， 引发轮胎磨损。 所以， 一般尽量减少这种变化， 希望在常见车轮跳动范围 （±80mm） 其变化量都小于 6mm。
同时要注意这两种力在驱动桥和非驱动桥上的作用方向）
M d max ：发动机最大扭矩 i：传动系总传动比 η：传动系总效率
我们通过图解法（见图 2.4）求得答案。此时，把车桥、车轮与纵臂作为一个整体来研 究。因此车轮和路面接触点处的垂直力
N b' 和纵向力 L1 形成合力 R A 。先将下横臂从这个整
图 2.1
Volvo Trucks 公司的北美卡车前悬架，由 4 根纵臂和 1 根横臂组成的导向机 构，横臂中间部分下凹，以避让发动机。
图 2.2 Naway 公司的 AD-126 型空气悬架， 由 3 根纵臂和 1 根横臂组成导向机构， 在图
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图 2.11 客车车体侧倾中心是 V 型拉杆中心线和客车车体横向中心线的交点。
单纵臂非独立悬架
单纵臂非独立悬架在纵向平面看只有 1 根纵臂在摆动。当车轮跳动时，车轮倾角和轮 距保持不变， 轴距和主销后倾角有明显变化。 由于这个原因现在轿车前悬架很少采用这种导 向机构。但由于客车上布置空间较大，可以将纵臂布置长一点，从而将主销后倾角的变化限 制在合理的范围内， 同时这种导向机构结构简单， 所以客车前后空气悬架都广泛采用这种结 构（见图 2.12） 。
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已知路面反力 R A ，我们就可以求出上臂在 C 点对车身的反作用力 A 及下臂在 B 点上对车桥 壳的反作用力 B。同样，我们以下臂为研究对象用同样的方法也可以求出作用下臂在 D 点对 车身的反作用力 D 及空气弹簧的载荷 F(见图 2.5)。但要注意上臂所受的力，如果只有一根 上臂，那么这跟上臂所受的力应该是图解法求出的 A 的两倍。
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当确定纵臂和车身和桥壳连接处的纵向作用力时，应利用作用在车轮和路面接触点的 垂直力和纵向力。这些力的确定上面已经提到。下臂的受力情况也如图 2.5 所示的一样， 可以通过图 2.5 所示的图解法来求得。在受纵向力时见图 2.9。为确定斜拉臂拉力 A，需 要求出 A 在 x、y、z 轴方向的分力，在合成拉力 A。
图 2.4 为确定上臂 EA 铰接点的力，应将下臂和桥壳分离，并将上臂和桥壳、车轮个体。
图 2.5 确定下臂 DB 上的力，将下臂单独分析。 两轮处产生的侧向力由横向推力杆承受， 该杆承受拉、 压和纵向弯曲载荷 （见图 2.5） 。 ±T=S T:横向推力杆承受推力 S:车轮承受侧向力，起决于车轮所受载荷
体中隔离出来（见图 2.4 左图） ，其接地点受路面反力 RA，下臂在 B 点上对车桥壳的反作用 力 B 及上臂在 C 点对车身的反作用力 A。 由上臂受力情况比较简单， 考虑它的两端均为铰接， 故可视为二力杆件，其作用力 A 一定通过杆身 CA。根据平衡条件，此三力必汇交于一点，
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中可以清楚看到上纵臂只有一根且位于车桥中间部位。
图 2.3 若空气弹簧 F 支撑在下臂上时，空气弹簧载荷仅于力臂 a 和 b 的长度有关。 分析纵臂和横臂的受力情况取决于路面对车轮的反作用力 L1、N’b、S 和他们造成的力 矩。 确定纵臂同车身及桥壳连接处的纵向作用力， 应利用作用在车轮和路面接触点处的垂直 力
图 2.8 MAN 公司四气囊后空气悬挂，可以清楚看到 2 根上臂布置成彼此成锐角， 以使它们能够承受侧向力而不必使用横向推力杆。 这种带 V 型推力杆的悬架在确定空气弹簧传递的静载荷 F 方法和图 2.3 所标示的方一 致，因为这种悬架的推力杆虽然在俯视时布置成彼此成锐角，但在侧视投影与带横向推力 杆的导向机构相比两者差别不大，都平行于客车纵向轴线。
A
2 2 AX AY2 AZ
图 2.9 斜臂会使车桥和车身承受斜向的拉力。 如果客车转弯或者在不良路面上行驶时（图 2.10） ，在两个车轮与路面接触点会产生 方向相同的两个侧向力，这两个力将由两个斜臂即 V 型拉杆承受，这两个斜臂使桥的两侧 固定点 1 和 2 处承受方向相反大小相等的力 AZ 。
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图 2.7 上图表示了在横截面上的运动中心，下图表示在俯视图方向的运动轴线。可以看 出横向推力杆的设置高度及角度会影响车身抗侧倾的能力。 第二类双纵臂悬架其实就是带 V 形推力杆的导向机构(见图 2.8)。 采用这种导向机构的 车型很多，如 CBC-IVECO 公司的 Europe Rider 长途客车前后悬架、ZF 公司长途客车和低地 板公交客车前后悬架、Volvo 公司 B10M 车的前后悬架、MAN 公司客车底盘后悬架。按 V 形推 力杆布置的位置不同，可分为上 V 形推力杆式、下 V 形推力杆式，一般说来长途客车采用上 V 形推力杆式。低地板公交客车因为要让出中间过道一般采用下 V 形推力杆式。
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图 2.10 侧向力 S 同向，所以斜臂上产生力偶 AZ ，同时 AX 亦相对车桥中心有一转 矩，若两者不能平衡，那这个转矩由下臂承受（力±B） 。 带 V 型拉杆结构的导向机构的纵向平面运动轨迹 （悬架垂直震动） 和我们在图 2.6 提到 的轨迹类似，可以看成是两点固定的平行四边形 AEDB 运动。在受侧向力时，其运动轨迹和 图 2.7 所示的轨迹类似，不过侧倾中心是 V 型拉杆和客车车体横向中心线的交点（见图 2.11） 。
N b' 和纵向力 L1 ： N b' =k N b -U/2
L1 百度文库 M d max .i.η
N b' ：垂直力
K:车轮动载系数，取决于车轮额定载荷和轮胎刚度
N b :车轮载荷（等于前桥或后桥允许载荷一半的法向力）
U:作用在桥上的非簧载部分重力
L1 :纵向力（也可能取制动力，如果制动力大于驱动力则取制动力，反之去驱动力，但
图 2.6 这类悬架具有平行的车桥悬挂导向， 在悬架的整个活动行程范围内传动轴角度变 化很小，保证传动轴均匀传动。 在受到侧向力时，当客车转弯行驶时，客车将相对于 E-E 轴线旋转。横向平面的运动是 绕横向推力杆和客车车体横向中心线的交点 E 转动，这个交点称之侧倾中心（见图 2.7） 。 因此横向推力杆的设置高度及角度会影响车身抗侧倾的能力， 同时这种能力也会影响车轮的 侧滑量，影响到轮胎的磨损情况。若悬架的侧倾中心高，那么这个系统就具有很高的抵抗车 身侧倾的能力，即侧倾刚度大。
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客车空气悬架导向机构的分析
陆军，任东华
摘要：介绍了几种典型客车空气悬架导向机构的布置、受力分析及运动分析。 关键词：导向机构、布置、受力分析、运动分析 Abstract: This paper introduces several arrangements of the guide mechanism equipped onto the air spring suspending bus. Analyze the force and the motion of this guide mechanism. Key words: guide mechanism; arrangement; analyze; force; motion 由于交通部 JT-325 评级标准的执行，同时国外空气悬架制造商相继打入国内市场后， 现在国内空气悬架在高档城市公交和高速客运领域中已有广泛的运用， 而在欧洲几乎所有的 客车悬架都采用空气悬架。 由于空气悬架中的弹性元件是空气弹簧只能承受垂直载荷， 所以 需要导向机构来承受和传递垂直力以外的力和力矩。 下面就对空气悬架的导向机构进行介绍 分析。
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图 2.12 Neway 生产的 ASB-110 转向桥空气悬挂，纵向导向机构是两片单片簧，横向导 向机构是一根横拉杆。 确定空气弹簧传递的静载荷 F 时，方法和图 2.3 所示相同，可利用公式： F=（N b -U/2）i i=b/a i:转递比 当空气弹簧在车桥上时 b=a, i=1,空气弹簧转递的静载荷为 N b -U/2。 当确定纵臂和车身和桥壳连接处的纵向作用力时， 应利用作用在车轮和路面接触点的垂 直力和纵向力。通过图解法可以求得。此时，把车桥、车轮与纵臂作为一个整体来研究（见 图 2.13） 。