汽車用空氣懸架系統(tǒng)(論文)

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1、僅供個(gè)人參考 汽車用空氣懸架系統(tǒng) 1空氣懸架發(fā)展概述 空氣彈簧誕生于19世紀(jì)中期,早期用于機(jī)械設(shè)備隔振。1947年，美國首先在普爾曼車上使用空氣彈簧，到目前為止，美國在重型載貨車上空氣懸架的占有率是85%,比1988年增長了54%;大約82%的拖掛車使用空氣懸架，比10年前增長了15%,歐洲大約與之保持相同的增長速度?？諝鈶壹茉谳p型貨車上的應(yīng)用 目前雖然只占市場(chǎng)份額的5%,但已呈現(xiàn)出快速增長的趨勢(shì)，火石公司(Firestone)預(yù)測(cè)到2003年，空氣懸架在輕型車市場(chǎng)占有率將達(dá)到10%,2008年將達(dá)到40%?？諝鈶壹茉诼糜诬嚒㈤L途客車及高速客車市場(chǎng)也占有極大的份額，到1994年，聯(lián)

2、邦德國生產(chǎn)的55種大、中型公共汽車中，已有38種使用了空氣懸架，國外高級(jí)大客車幾乎全部使用空氣懸架；部分轎車也逐漸安裝空氣彈簧懸架，如Benz300SE和Benz600。 我國雖然從50年代就開始了對(duì)空氣懸架的研究工作，但由于設(shè)計(jì)及制造等復(fù)雜因素的影響，一直未能得到推廣應(yīng)用。近年來，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展及國外空氣懸架的引進(jìn)，小部分國產(chǎn)高級(jí)旅游車開始采用國外購置的空氣懸架，如沈陽 飛機(jī)汽車制造廠、北方汽車制造廠、廈門金龍聯(lián)合汽車公司、亞星客車集團(tuán)公司、丹東汽車制造廠等生產(chǎn)的客車。 Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse

3、 隨著空氣懸架應(yīng)用的推廣，對(duì)空氣彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)的研究也得到了重視。J.R.EVANS等人在1970年做了空氣彈簧垂直特性實(shí)驗(yàn)，建立空氣彈簧垂直動(dòng)態(tài)特性模型；1994年做了空氣彈簧的側(cè)向特性實(shí)驗(yàn)，在大頻率和大幅值情況下，測(cè)量了空氣彈簧在不同載荷下的側(cè)向力和變形。KatsuyaYoyofuku等通 過研究振動(dòng)頻率和彈簧反應(yīng)之間的關(guān)系，分析管道和氣室對(duì)彈簧特性變化的影響。交通部重慶公路科學(xué)研究所的丁良旭對(duì)空氣懸架的一些性能進(jìn)行了探討，擬 合了空氣彈簧的特性曲線。JonBunne和RogerJable研究了空氣懸架對(duì)傳動(dòng)系 統(tǒng)振動(dòng)的影響。JohnWoodrooffe通過試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)了

4、重型貨車空氣彈簧懸架和鋼板彈簧懸架的路面附著性和行駛平順性。 2空氣懸架系統(tǒng)的特性 2.1 空氣彈簧的特點(diǎn) Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse (1)空氣彈簧具有非線性特性，可將其特性曲線設(shè)計(jì)成理想形狀。如圖1所示空氣彈簧特性曲線，靜、動(dòng)剛度隨著載荷的增加而增大。 密 圖】空氣課黃侍隹的建 Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse (2)空氣彈簧質(zhì)量輕，內(nèi)摩擦極小，對(duì)高頻振動(dòng)有很好的隔振、消聲能力。 (3)空氣彈簧的剛度

5、和承載能力可以通過調(diào)節(jié)橡膠氣囊內(nèi)的壓力來調(diào)整。 (4)空氣彈簧制造工藝復(fù)雜，費(fèi)用高。 2.2 空氣懸架對(duì)整車性能的影響 (1)空氣懸架為剛度可變的非線性懸架。當(dāng)簧載質(zhì)量變化時(shí)，剛度隨之變化，以保持空載和滿載時(shí)車身高度相同，懸架固有頻率基本不變。根據(jù)需要，可以選擇不同的氣囊工作高度，獲得理想的固有頻率，從而得到良好的行駛平順性。 (2)空氣懸架質(zhì)量輕，彈簧剛度低，高速行駛時(shí)，輪胎與地面的附著能力強(qiáng),制動(dòng)距離短；轉(zhuǎn)向時(shí)，過多轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向傾向減小，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性強(qiáng)，提高了整車的操縱穩(wěn)定性。 (3)空氣彈簧內(nèi)的空氣壓力直接反映了簧載質(zhì)量，可取空氣壓力作為信號(hào), 控制制動(dòng)缸內(nèi)的氣壓，來控制制動(dòng)

6、時(shí)的制動(dòng)力，更好地保證了行駛安全性。 (4)可通過給空氣彈簧氣囊充氣或放氣來調(diào)節(jié)車身高度。在平坦的路面上，降低車身高度，保持空氣阻力系數(shù)為最佳值，可以減小油耗或在功率不變的情況下獲得最大車速。在崎嶇不平的道路上，為了通過障礙物，可以提高車身高度。 (5)減少整車的振動(dòng)噪聲，提高汽車零部件使用壽命。 (6)由于空氣懸架剛度低，輪胎動(dòng)載荷小，能夠降低載重汽車對(duì)高速公路的破壞。 3空氣懸架系統(tǒng)的組成 空氣懸架系統(tǒng)主要由空氣彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、高度控制閥、減振器、橫向穩(wěn)定器和緩沖限位塊等組成。 3.1 空氣彈簧的類型和特性 空氣彈簧是橡膠、簾布結(jié)構(gòu)的氣囊，以空氣為介質(zhì)，利用空氣具有壓縮彈性

7、的性質(zhì)制成的彈簧，其剛度呈非線性變化，通常是當(dāng)載荷加大時(shí)剛度也增大。由于空氣彈簧的空氣介質(zhì)內(nèi)摩擦極小，工作時(shí)幾乎沒有噪聲，對(duì)于高頻振動(dòng)的吸收和隔音性能極好。 根據(jù)橡膠氣囊工作時(shí)的變形方式，空氣彈簧分為囊式空氣彈簧和膜式空氣彈簧兩種。圖2中左邊為囊式空氣彈簧，右邊為膜式空氣彈簧。 不得用于商業(yè)用途 圖2兩種不同形式的空氣彈簧 囊式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊的卷曲獲得彈性變形, 膜式空氣彈簧主要靠橡 膠氣囊的卷曲獲得彈性變形。囊式空氣彈簧壽命較長、制造方便、剛度較大，常用于載貨汽車上，膜式空氣彈簧尺寸較小，彈性特性曲線更理想，剛度較小，常用于轎車上。 3.

8、2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 由于空氣彈簧只能承受垂直載荷，所以在汽車空氣懸架中必須設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來傳遞縱向力和側(cè)向力，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在空氣彈簧懸架設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的方面，如果設(shè)計(jì)得不合理，會(huì)增加空氣彈簧的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)l(fā)生扭曲、摩擦等現(xiàn)象，惡化減振效果，縮短彈簧的壽命。 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式很多，各有利弊，在設(shè)計(jì)時(shí)要分局整車的布置和性能要求進(jìn)行。 3.3 高度控制機(jī)構(gòu) 車架高度控制機(jī)構(gòu)包括一個(gè)高度傳感器、控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能為： (1)隨車載變化保持合理的懸架行程； (2)高速時(shí)降低車身，保持汽車穩(wěn)定性，減少空氣阻力； (3)在起伏不平的路面情況下，提高車身高度以提高汽車通過性。 在空氣彈簧懸

9、架中，高度閥是用來控制空氣彈簧內(nèi)壓的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，高度閥固定在車架上，具進(jìn)、排氣口分別與儲(chǔ)氣筒和空氣彈簧相接。當(dāng)空氣彈簧上的載荷增加時(shí)，彈簧被壓縮，儲(chǔ)氣筒內(nèi)的氣體通過高度閥的進(jìn)氣口向氣囊注入，氣囊內(nèi)氣壓增加，空氣彈簧升高直至恢復(fù)到原來的位置，進(jìn)氣口關(guān)閉為止；當(dāng)空氣彈簧上的載荷減少，彈簧伸張，氣體通過高度閥的排氣口排出，直至空氣彈簧下降到原來的位置，排氣口關(guān)閉為止。所以在高度閥的作用下，空氣彈簧的高度可以保持在平衡位置附近波動(dòng)，從而保證車身不隨載荷變化而變化。 區(qū) 二3空■.嚴(yán) 息q卜 ?Li] 修。 圖3高度控制閥 3.4 減振器 空氣作為空氣彈簧的工作介質(zhì)，內(nèi)摩擦極小。與板簧

10、相比，空氣彈簧本身只有少量阻尼，所以空氣懸架要安裝減振器，以達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的 3.5 橫向穩(wěn)定器 安裝橫向穩(wěn)定器的目的是為了提高汽車抗側(cè)傾能力和保證汽車具有良好的轉(zhuǎn)向特性。如果空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有足夠的側(cè)傾角剛度時(shí)可以沒有橫向穩(wěn)定器。3.6緩沖限位塊 空氣懸架系統(tǒng)中緩沖限位塊的安裝形式有兩種，一種為安裝在空氣彈簧的蓋板或底座上，另一種為安裝在空氣彈簧以外的車架或車橋上。緩沖塊的作用是避免車架和車橋或?qū)驐U件之間的剛性沖擊。在車輛行駛過程中，緩沖塊經(jīng)常受到間斷性的沖擊壓縮，因此，緩沖塊應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度且內(nèi)部應(yīng)力分布要均勻。當(dāng) 空氣彈簧漏氣或氣囊損壞時(shí)，緩沖塊起到橡膠彈簧的作用。 4

11、汽車空氣彈簧懸架基本理論 4.1空氣彈簧剛度特性 由于空氣彈簧的支承、彈性作用取決于空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣，可采用氣體定律來描述氣體壓力P和容積V的關(guān)系 PVn=const（i） 指數(shù)n的選擇取決于彈簧變形的速度，變形速度慢為等溫過程，n=1;變形速度快為絕熱過程，n=1.4?？諝鈴椈傻某休d能力由下式得出 F=PAe⑵ 剛度k可以通過空氣彈簧承載F對(duì)彈簧行程S求導(dǎo)得出 :F:AeA k=——=P—+n（P。+P）d 的icsiV⑷ 所以空氣彈簧的剛度由有效面積Ae、工作壓力Pi和工作時(shí)的容積V決定。在工作壓力已知的情況下，減少有效面積的變化率，增大空氣彈簧的容積，可以減小其剛

12、度。 在實(shí)際工程中是用試驗(yàn)的方法來測(cè)定空氣彈簧剛度，通過測(cè)定在不同壓力下空氣彈簧載荷F和位移、的關(guān)系，得出一組空氣彈簧剛度特性曲線，該曲線縱坐標(biāo)為載荷，橫坐標(biāo)為空氣彈簧高度(位移)，曲線的的斜率就是空氣彈簧剛度。 4.2 空氣彈簧有效面積特性 Pi魯表示有效面積Ae變化率對(duì)空氣彈簧剛度的貢獻(xiàn)，由于空氣彈簧氣囊 是一個(gè)彈性體，一般情況下在空氣彈簧變形時(shí)有效面積Ae不是固定不變的，不同結(jié)構(gòu)形式的空氣彈簧，有效面積Ae的變化是不同的，通常由生產(chǎn)廠家的給出有效面積變化曲線。。 ,春上立，掉骨bJPLt空，彈黃(:麒或空氣彈黃 t圓柱曲清?膝；(fcWWW 圖4空氣彈簧有效面積變化

13、曲線 4.3 空氣彈簧固有頻率 我們?cè)谠O(shè)計(jì)汽車時(shí)希望保持彈簧固有頻率不變，雖然空氣懸架的固有頻率是變化的，即不是等頻懸架，是隨著空氣彈簧內(nèi)部氣體有效壓力的變化而變化的，但變化幅度很小.例如對(duì)于ContiTECH公司975N空氣彈簧，當(dāng)載荷為9.5kN時(shí),空氣彈簧內(nèi)部氣體壓力為0.5MPa,空氣彈簧剛度為86100Nm-1,固有頻率為 僅供個(gè)人參考 1.5HZ;而當(dāng)載荷為17.3kN時(shí)，氣體壓力為0.9MPa,剛度為144500Nm-1,固 有頻率為1.44.可以看出載荷變化82%，而固有頻率只變化4%左右，變化很小， 因此將其稱之為準(zhǔn)等頻懸架。作為對(duì)比，如果采用鋼板彈簧按最大載

14、荷17.3kN 設(shè)計(jì)，保持固有頻率為1.44Hz不變，鋼板彈簧的剛度應(yīng)為144500Nm-1，而 在載荷為9.5kN時(shí)，固有頻率則為1.94Hz,固有頻率的變化幅度高達(dá)30%. 5空氣彈簧懸架發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù) 隨著人民生活水平的提高，對(duì)乘坐汽車舒適性的要求越來越高，特別是對(duì)汽 車高速行駛時(shí)的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求越來越高，隨著高速公路的迅速發(fā) 展，空氣彈簧懸架在汽車上的應(yīng)用必將得到推廣。另外隨著對(duì)汽車對(duì)路面破壞機(jī) 理的認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深和政府對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)的進(jìn)一步重視，也必將進(jìn)一步推動(dòng) 空氣懸架在汽車上的應(yīng)用，例如新近推出的交通部標(biāo)準(zhǔn)《營運(yùn)客車類型劃分及等 級(jí)評(píng)定》及其2002

15、年修訂稿都明確提出高一、高二、高三級(jí)客車的懸架必須采 用空氣懸架，目前空氣懸架研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)為： （1）空氣懸架的匹配技術(shù)：由于空氣懸架對(duì)整車的平順性、操縱穩(wěn)定性和制動(dòng) 安全性有很大的影響，所以空氣懸架與整車的匹配是目前研究的重點(diǎn)。目標(biāo)是建 立空氣懸架的非線性動(dòng)力學(xué)特性模型以及精確的空氣懸架汽車計(jì)算機(jī)模型，通過 計(jì)算機(jī)仿真，得到空氣懸架的動(dòng)態(tài)特性和影響空氣懸架汽車平順性、操縱穩(wěn)定性 和制動(dòng)穩(wěn)定性的主要參數(shù)并確定調(diào)整原則，最終從理論上解決空氣懸架及其與整 車的匹配設(shè)計(jì)問題。 因?yàn)榭諝鈴椈傻膭偠忍匦允且唤M非線性彈性特性曲線，研究這一類剛度非線 性系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞規(guī)律是空氣懸架匹配

16、的關(guān)鍵。研究的重點(diǎn)是空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模 型的建立。在模型建立過程中需要考慮到以下非線性問題： ①材料非線性：空氣彈簧膠囊和橡膠堆主要是由橡膠制成，并且膠囊中含有 軸向剛度較大的簾線層,這就需要采用非線性特性材料來描述； ②幾何非線性：空氣彈簧在運(yùn)用中的變形量較大，這就使得傳統(tǒng)有限元計(jì)算 的小變形理論就不再適用，必須采用大變形理論對(duì)其進(jìn)行描述； ③邊界非線性：因高度控制閥的作用，車身高度基本上不隨載荷的變化而變， 所以必須對(duì)邊界條件進(jìn)行特殊處理，采用邊界非線性對(duì)其進(jìn)行描述； ④內(nèi)壓變化大：由于空氣彈簧裝置在運(yùn)用中是通過膠囊內(nèi)部氣體壓力的不斷 改變來實(shí)現(xiàn)支撐力與載荷的動(dòng)態(tài)平衡。其內(nèi)

17、部壓力變化較大，所以必須應(yīng)用流體 力學(xué)對(duì)其進(jìn)行描述。 綜上所述，空氣彈簧動(dòng)態(tài)特性的模型是包括固體力學(xué)中所有類型非線性及固 體—流體耦合的復(fù)雜模型，所以就要求必須選擇一種能夠很好的處理各類非線性 問題的有限元軟件和理想的有限元模型來進(jìn)行計(jì)算分析。 空氣彈簧的模型建立研究就目前的情況來看，尚有不少技術(shù)問題需要解決。 理論上，由于空氣彈簧的膠囊由交叉的多層簾布線和內(nèi)外橡膠層組成，具有各向 異性的非線性特性。同時(shí)由于空氣彈簧在工作載荷下變形很大，應(yīng)用小變形的線 性理論分析已難以求解，而如果考慮空氣彈簧金屬蓋板的影響則涉及更復(fù)雜的非 線性接觸問題，從而使空氣彈簧的剛度特性的理論分析具有

18、較大的難度。目前應(yīng) 用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)新型空氣彈簧的設(shè)計(jì)可靠性有待探討，其特性數(shù)據(jù)主要靠實(shí)物試驗(yàn) 獲得，從而給空氣彈簧的設(shè)計(jì)帶來了較大的難度。目前還不能夠?yàn)榭諝鈴椈稍O(shè)計(jì) 提供一個(gè)有力的理論依據(jù)。所以，對(duì)空氣彈簧進(jìn)行有限元模型建立研究大有工作 可作。 （2）空氣懸架系統(tǒng)的控制技術(shù)：空氣懸架的控制包括空氣彈簧的剛度控制、車 身高度控制、車身姿態(tài)控制等多方面?？諝鈶壹茉诮Y(jié)構(gòu)上保證了控制的方便性， 因此控制算法、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（包括控制硬件）應(yīng)是研究的關(guān)鍵。今后電子控制 式空氣懸架將成為空氣懸架發(fā)展的必然趨勢(shì)。 為什么要發(fā)展半主動(dòng)和主動(dòng)式空氣懸架？ 衡量懸架性能好壞的主要指標(biāo)是汽車行駛的

19、平順性和操縱穩(wěn)定性，但這兩個(gè)方 面是相互排斥的，往往不能同時(shí)滿足。怎樣在二者之間取得合理的平衡以達(dá)到最 好的效果，一直是工程師們的研究課題。 平順性一般通過車體或車身某個(gè)部位（如車底板、駕駛員座椅處）的加速度響應(yīng) 來評(píng)價(jià)，操縱穩(wěn)定性則可以通過車輪的動(dòng)載來度量。例如，若降低彈簧的剛度， 則車體加速度減少使平順性變好，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致車體位移的增加。由此產(chǎn)生車體 重心的變動(dòng)將引起輪胎負(fù)荷變化的增加，對(duì)操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；另一方面， 增加彈簧剛度會(huì)提高操縱穩(wěn)定性，但硬的彈簧將導(dǎo)致汽車對(duì)路面不平度很敏感， 使平順性降低。所以，理想的懸架應(yīng)該在不同的使用條件下具有不同的彈簧剛度 和減振

20、器阻尼，既能滿足平順性要求又能滿足操縱穩(wěn)定性要求。 但是普遍使用的被動(dòng)懸架不可能達(dá)到設(shè)計(jì)師們的理想要求。被動(dòng)懸架因?yàn)榫? 有確定的懸架剛度和阻尼系數(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上只能是滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之 間矛盾的折衷，無法達(dá)到懸架控制的理想境界。因此出現(xiàn)了懸架剛度和阻尼系數(shù) 可調(diào)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)。 （3）減振器模型建立：空氣作為空氣彈簧的工作介質(zhì)，內(nèi)摩擦極小。與板簧相 比，空氣彈簧本身只有少量阻尼，所以空氣懸架的減振器阻尼就要相應(yīng)增加，以 達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。但如果減振器阻尼過大，又會(huì)使反應(yīng)遲鈍并向車身傳 遞過多的高頻振動(dòng)和沖擊。所以減振器阻尼的匹配是否合理將影響懸架的性能， 進(jìn)而影響

21、到整車的性能。 （4）空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)：由于空氣彈簧只能夠傳遞垂直載荷，在空氣懸 架當(dāng)中必須設(shè)置導(dǎo)向桿系來傳遞縱向力和側(cè)向力，而導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)汽車穩(wěn)定性的影 響較大。空氣懸架系統(tǒng)中的導(dǎo)向桿系通常會(huì)形成過約束，在車輪跳動(dòng)過程當(dāng)中在 導(dǎo)向桿內(nèi)產(chǎn)生超靜力，導(dǎo)向桿系的設(shè)計(jì)必須使這種超靜定力盡可能地小。導(dǎo)向桿 系的設(shè)計(jì)還涉及到車輪定位參數(shù)的變化，傳動(dòng)軸角度的變化，與轉(zhuǎn)向系干涉的問 題。另外導(dǎo)向桿系的設(shè)計(jì)與汽車縱傾中心、側(cè)傾中心也有密切關(guān)系。最終會(huì)影響 到汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)穩(wěn)定性等性能參數(shù)，因此要綜合考慮以上因 素，建立精確的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型。 不得用于商業(yè)用途 僅供個(gè)人

22、參考 I一前支架一定位塊;3-板簧銷；4一柔性 桿55一稱定.探通一氣M;7-可調(diào)轉(zhuǎn)矩桿: 8-減振器 m市鼻柒結(jié)構(gòu)亦意圖 T一支架;2—均衡梁組件力一導(dǎo)向桿 配座;5—轉(zhuǎn)財(cái)籽工J減振器"一憊摔板: 8-氣簧 BB2后叫累造構(gòu)示意圖 僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途 Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse. Nurfurdenpers?nlichenfurStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden. Pourletudeetlarechercheuniquementddesfinspersonnelles;merciales tojibkoAJiajiioAeakpTOpwenojibsymaiflOidyHeHMiac,neaob團(tuán)hhh@aoji>khei Hcnojib3OBaTbCHbMOMMepnecKHxuejiax. 以下無正文 不得用于商業(yè)用途