论文——空气悬架

猛龙哥

摘要

空气弹簧具有非线性弹性特性,可将其特性曲线设计成理想形状。安装有空气悬架的汽车振动频率低,车轮动载荷小,可以获得良好的行驶平顺性、操纵稳定性和行驶安全性等,空气悬架可以保持汽车车身高度不变,并可根据需要进行车身高度调节。本文就汽车空气悬架的发展过程,结构型式及优缺点进行分析设计,通过提高空气弹簧刚度与减振器阻尼力软、中、硬的配合,来提高乘车舒适性。


关键词 空气悬架；设计；刚度；舒适性

Abstract

The air spring has non-linear elastic characteristics, can design its curve of characteristic into an ideal form. It is low that there is car vibration frequency that air hangs the shelf in installation, the wheel moves the load small, can get going getting smooth-going handling stability and going security good, air hang shelf can keep car car tall degree change, can carry on car tall degree regulate according to need. This text hangs the evolution of the shelf on the car air, analyze the design in structural pattern and pluses and minuses, it is through improving air the springs rigidity and not the soft in strength in damping in shock absorber, in, hard cooperation, to improve comfortableness by bus.


Keyword The air hangs the shelf; Design; Rigidity; Comfortableness

目  录
摘要        I
Abstract        II
第1章 绪论        1
1.1   空气悬架发展概述        1
1.1.1  国外空气悬架的发展历史及现状        1
1.1.2  我国空气悬架的发展历史及现状        2
1.2   空气悬架的应用及特点        3
1.3   空气弹簧对整车性能的影响        3
第2章 空气悬架结构及特性分析        5
2.1　 空气悬架的结构型式、组成及工作原理        5
2.1.1　空气悬架的结构型式        5
2.1.2　空气悬架系统的组成        6
2.1.3  空气悬架的工作原理        11
2.2   空气悬架的特性        11
2.2.1  空气弹簧的特点        11
2.2.2  可调式减震器软、中、硬的变化        12
2.2.3  空气弹簧的软、硬变化        14
第3章 空气悬架参数的选择与计算方法        16
3.1   空气弹簧力学计算        16
3.1.1  空气弹黄刚度计算        16
3.2  整车参数的选择        17
3.3  横向稳定性的计算        18
结论        21
致谢        22
参考文献        23
附录1        24
附录2        26

第1章 绪论
1.1   空气悬架发展概述
1.1.1  国外空气悬架的发展历史及现状
20世纪30年代初,美国凡世通轮胎公司首次把空气弹簧应用于汽车工业。哈维•凡世通(Har2vey Fireston e)在亨利•福特一世(Henry For d I)和托马斯•阿瓦•爱迪生(Thomas Alva Edison)的技术支持下,在1934年研制出了柱式空气弹簧悬架系统———AIREDE空气弹簧。1944年通用汽车公司与凡世通公司合作,在其客车上进行了首轮试验。试验结果显示了空气悬架系统的内在优越性。通用汽车公司经过大量的产品研制开发工作,1953年开始试生产装有空气悬架的客车,这是商用汽车采用空气弹簧悬架的开始。20世纪50年代中叶,固特异轮胎公司研制出一种滚动凸轮式空气弹簧,凸轮在活塞的型面上滚动,从而控制空气弹簧的负载变化关系曲线。同时,空气控制系统的巨大进步也为空气悬架的应用起了很大的推动作用。
  随后不久,空气悬架技术在欧洲也得到很快发展,但欧洲的发展道路和北美有些不同。欧洲的汽车生产厂商并未将空气悬架变成单独总成,而是各自开发满足其独特车型需要的空气悬架。这种不同的发展道路使欧洲的空气悬架设计只适用于某种具体车型,并采用一些复杂技术,因而其成本较高。而北美的空气悬架通用性较强,应用较简单,成本较低。
美国纽威•安柯洛克国际公司在1951年成立时即作为一家悬架系统的专业生产厂家,为公路和非公路行驶的重型车辆设计和制造钢板弹簧悬架系统。不久,纽威公司向商用车市场投放了世界上第一种实际应用的空气悬架系统。因其通用性强,结构简单,成本较低,迅速占领了北美市场。随后纽威公司开发了一系列空气悬架产品,应用于世界各地的客车、货车、小轿车及铁道车辆上。
目前国外高级大客车几乎全部使用空气悬架,重型载货车使用空气悬架的比例也已达80%以上,空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升。部分轿车也逐渐安装使用空气悬架,如美国的林肯、德国的Benz300SE和Benz600等。在一些特种车辆(如对防振要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等)上,空气悬架的使用几乎为唯一选择。
  国外汽车空气悬架发展经历了“钢板弹簧2气囊复合式悬架→被动全空气悬架→主动全空气悬架(即ECA S电控空气悬架系统)”的型式变化。主动全空气悬架应用了电子控制系统,使传统的空气悬系统的性能得到很大改善,汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制,并增加了许多辅助功能(如故障诊断功能等)。目前ECAS系统在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用。随着人们生活水平的提高,对汽车舒适性的要求越来越高,可以预见,ECAS这一先进的空气悬架系统在汽车上的应用将越来越普及。
1.1.2  我国空气悬架的发展历史及现状
我国早在20世纪50年代就对空气弹簧进行了研究。1957年,长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作制造出了我国第一辆空气悬架的载重汽车,相继又设计了公共汽车、火车列车等车辆的空气悬架。1958 年汽车研究所等单位开发了我国第一只高度控制阀,这种高度控制阀由车门来控制。第二年设计出了高级轿车使用的控制举升系统的高度控制阀。这段时期,我国共设计出了10 余种空气弹簧气囊和3种高度控制阀。其中早期的高度控制阀是一种带有油压迟滞机构的延时型阀。但这阶段对高度控制阀的可靠性和整个系统的密封性问题,悬架的稳定性问题,空气弹簧的特性理论问题等没有解决。
1980年代初长春汽车研究所再次进行了空气悬架的研究,并为武汉客车厂等几家厂家设计了空气悬架,当时汽车自振频率可降低到1.1～1.2Hz ,平均车速提高了17%。悬架质量也比钢板弹簧悬架减轻了50～60kg。同年又为沈阳电车公司试制的沈阳SY662空气弹簧无轨电车,运行60000km ,车身、车桥基本没有损伤。1987年长春汽车研究所与沈阳飞机制造公司汽车厂共同开发了CA151D18空气悬架客车底盘,并装在SFQ6981A 型客车上。这个时期国产空气悬架存在的主要问题是橡胶气囊的寿命偏低,高度控制阀的泄漏问题没有解决。
虽然我国对空气悬架进行过一定研究,但对空气悬架特性问题还没很好地解决。由于国外对空气悬架特性研究结果表明,安装有空气悬架的汽车能提高汽车的整体性能。进入1990 年代,国客车厂纷纷从国外购置空气悬架及空气悬架底盘装车使用,如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司等客车厂。为了满足空气悬架维修配件的需要,近年来国内已有一些企业正在生产空气悬架零部件, 如贵州前进橡胶有限公司、浙江瑞安市东欧汽车零件厂等厂家。同时,国内也有一些外资企业在中国进行空气悬架的生产和销售,如美国的Neway公司、德国的SAF公司等。为了提高对空气悬架的自主开发能力,国内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬架进行过开发设计和理论研究。如东风汽车研究所对混合式空气悬架进行过设计。中国重型汽车集团公司在斯泰尔车上安装了浮动桥空气悬架。交通部重庆公路科学研究所对大客车非独立空气悬架的导向机构进行了研究。北京理工大学也进行了日野RC420型客车空气弹簧的台架试验,并进行了空气弹簧静、动特性和气室容积特性的分析。但是,目前我国还没有整套空气悬架的生产厂家。
1.2   空气悬架的应用及特点
    空气悬架系统是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性实现其弹性作用的压缩气体的气压能够随载荷和道路条件变化而进行自动调节，即将压缩空气密闭在容积可变的容器内，被密封闭的空气构成了弹性体，不论满载还是空载，整车高度不会变化，可以大大提高乘坐的舒适性。空气弹簧悬架因其独特的性能和适应性，正在逐步打入传统的钢板和螺旋弹簧领域。目前在国内外部分客车轿车，专用车及载重车上空气弹簧架系统得到了广泛的应用，空气弹簧的运动性能特点是：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；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；弹性系数随负载变化；负载变化时，固有频率几乎不变；固有频率较低。这些特点决定了空气悬架具有以下优点：乘坐更舒适安全；改善车辆的行驶平顺性：延长轮胎和制动片的使用寿命；负载变化时车身高度不变；减少电气、空调、排气系统、车桥、车身和底盘的维修成本；减少对道路的冲击，保护路面，降低高速公路的维修费用：延长车辆的使用寿命并增加折旧值。但空气弹簧制造工艺复杂，费用高。
1.3   空气弹簧对整车性能的影响
(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。

第2章 空气悬架结构及特性分析
2.1　 空气悬架的结构型式、组成及工作原理
2.1.1　空气悬架的结构型式
根据结构型式不同空气悬架可分为3 种:独立悬架、非独立悬架和浮动桥悬架。采用独立悬架可提高车辆的横向角刚度。汽车前悬架通常采用独立悬架,当车辆高速行驶时,减少了车轮跳离地面的倾向,同时还可以消除前轮的偏摆现象, 提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。但是独立悬架结构复杂,制造成本高,维修不便。采用非独立悬架的目的是为了简化结构,便于车辆的改装,提高汽车底盘的通用性。浮动桥悬架是在车架上再安装一可升降车轴,如图2-1所示。在汽车空载和部分承载时,可以进行单轴和多轴提升,以便减少轮胎的磨损,消除错误导向,减少其它轴上轮胎的摩擦。当车辆通过冰、雪或泥水等较滑路面时,通过把浮动桥上的载荷短时间降低,从而把更多的载荷分配给驱动轴来提高驱动轮附着力。在其它车轴过载情况下,提升车轴会自动回位。浮动桥悬架多数安装在汽车后轴上,安装在中轴的浮动桥提升时要避免与传动轴发生干涉,布置相对困难。

图 2-1　浮动桥空气悬架
空气悬架还可按进气的控制方式分为机械控制式和电子控制式两种。机械控制式空气悬架价格低, 缺点是路况不好时频繁进放气影响性能,只能设定一个平衡高度;电子控制式空气悬架价格较高,但可以采用一定的控制策略来提高车辆在坏路上的性能,而且可设定多个平衡高度,进一步提高空气悬架的自动控制性能。将减振器和空气弹簧做在一起,又可衍生出多种载敏、路敏、速敏空气悬架。目前机械控制式空气悬架应用最为广泛,仅有少数高级轿车上使用了电子控制式空气悬架。
2.1.2　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。
1.空气弹簧
空气弹簧是利用橡胶气囊内部压缩空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件。由于空气弹簧只承受垂直载荷,所以对车轮垂直跳动具有很好的缓和作用。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
                                      (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
              (2)
刚度k 可通过空气弹簧承载F 对弹簧行程S 求导得出
    (3)
由式(3) 可知空气弹簧的刚度由有效面积Ae 、工作压力Pi 和工作时的容积V 决定。在工作压力已知的情况下, 减小有效面积的变化率, 增大空气弹簧的容积, 可减小其刚度[4 ] 。空气弹簧自振频率f e 的表达式为
                                    (4)
式中, m 为簧载质量。
空气弹簧按结构型式分为囊式、膜式两种。如图 2-2、2-3 所示            
图 2-2　囊式空气弹簧               图 2-3 　膜式空气弹簧
当增加气囊的曲数时,由于气囊的变形可由各个曲部平均分担, 因而曲数愈多,有效直径变化率就愈小。可见增加气囊曲数会减小囊式空气弹簧的刚度,降低弹簧的振动频率。汽车上最适用的囊式空气弹簧为双曲囊式空气弹簧,由于双曲囊式空气弹簧可在有限的高度获得较大的弹性变形。
膜式空气弹簧的结构是在盖板和底座之间放置一圆柱形橡胶气囊,通过气囊挠曲变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧在其正常工作范围内,弹簧刚度变化要比囊式小, 同时也可通过改变底座形状的方法, 控制其有效面积变化率,以获得比较理想的弹性特性。膜式空气弹簧有效面积的变化率也比囊式弹簧小,因此, 膜式空气弹簧在辅助气室较小的情况下,也可得到较低的自振频率。根据橡胶气囊止口与接口的连接方式又可分为约束膜式和自由膜式空气弹簧。约束膜式空气弹簧密封一般用螺栓夹紧密封;自由膜式空气弹簧采用气囊内的压力自封。底座多为深拉钢板成型或轻质铸钢, 并且表面镀铬处理,减小气囊与底座之间的摩擦。
空气弹簧气囊是由高质量的弹性物构成,具有良好的运动学特性。一般工作内压为0.4～0.6MPa,适应于-40～+70℃的温度变化,并能抗磷化物质、酸碱溶剂和臭氧等的侵蚀。要求24h内压降不得超过0.02MPa 。高强度纤维硫化于高质量的胶层之间,形成空气弹簧的骨架,特别柔软且具有高度防破损能力,这取决于纤维帘线的结构角,高的线密度和线强度。纲丝圈边芯子经过硫化嵌入空气弹簧两端。
2.导向机构
空气悬架系统的导向机构通常有以下几种。
1)钢板弹簧导向机构
日本的日野RR172、德国的曼150FOC等大客车上采用此导向机构。钢板弹簧不仅起导向作用,也兼起一部分弹性元件的作用。一种为空气弹簧直接布置在板簧中部的上方,如图2-5所示。这种结构实质上是板簧与气簧并联,多数用在前悬架; 另一结构型式为空气弹簧布置在钢板弹簧的一端,如图2-6所示。这种结构可视为一种不对称的串联弹簧,多用于汽车的后悬架。但是,对于混合式空气悬架来说, 汽车的纵向力、侧向力及其力矩均由钢板弹簧承受,这就要求钢板弹簧具有很高的强度和刚度,比较难得到理想的弹性特性。但这种导向机构对于具有纵梁或类似纵梁的汽车底盘结构布置比较方便,对于传统的工字型锻造前梁和铸造后桥壳,不需要进行改造,可直接装置空气悬架,所以仍被使用。
         
图 2-5 　中置空气弹簧悬架          图 2-6 　边置空气弹簧悬架
(2) 单纵臂式导向机构
在瑞典的沃尔沃、日本的尼桑等客车的后悬架上多采用单纵臂式导向机构,如图2-7所示。该导向机构可降低汽车纵向倾覆力矩中心位置,增加了车身抗纵倾力。前悬架导向臂一般较长,可保持主销后倾角不变。通常导向臂与车桥及车架弹性连接,消除了刚性连接应力集中的影响,也可减少噪声的传递。
(3) A 形架导向机构
德国的曼SL202、尼奥普兰等客车后悬架采用A形架导向机构,如图2-8所示。该机构类似于两根纵向导向臂的铰链点在车架的连接处合并,在传递纵向力的同时还传递侧向力。但是该结构为了减少轮胎磨损,避免空气弹簧有过大的垂直位移, 常把A 形架做得很大以增加摆臂长度,使得导向机构尺寸和重量变大。由于此结构的空气弹簧中心距近似于轮距,具有很
图 2-7 单纵臂空气悬架　　           图 2-8  A 型架导向机构
(4) 双横臂式导向机构
德国的尼奥普兰,瑞典的沃尔沃等前悬架采用双横臂式导向机构,如图2-9所示。上下横臂度合理布置,就可以使轮距及前轮定位参数变化均在限定范围内, 保证有良好的行驶稳定性,但其结构复杂,车身受力点集中,对于无车架的承载式车身不利。采用前置发动机前驱动时,双横臂布置更为困难。因而前悬架采用双横臂式空气悬架,发动机多为后置。
(5) 双纵臂式导向机构
                                      图  2-9 双横臂式空气悬架
依卡露斯255、奔驰等大客车的前悬架上采用双纵臂四连杆导向机构。五十铃POLV719R、依卡露斯280等大客车的后悬架采用了另一种双纵臂式四连杆导向机构,上面2根纵向推力杆在水平面内倾斜布置,构成一个三角形架,该三角形架可看成是一根纵向推力杆,它和下面的2根纵向推力杆构成一个四连杆机构,三角形架除传递汽车纵向力外,还可以传递汽车的侧向力,因而可省去一根横向推力杆。
双纵臂式四连杆导向机构的上纵臂有两种布置:一种是布置在两边,如图2-10 所示;另一种是将两根上臂合并在一起,布置在中间。两种布置使前轴的受扭工况不同,但究竟哪一种布置好,还要看汽车的总布置情况而定。
            
                      图  2-10 双纵臂式空气悬架
3.高度控制阀
高度控制阀的作用是调节空气弹簧的内部气压,并使空气弹簧保持在一定的高度范围内,来平衡外界的载荷。一般高度控制阀在24h气压降要小于0.02MPa,疲劳次数应大于300万次,工作最大压力一般为1.5～2MPa ,适用温度范围为-40～70℃。高度控制阀根据阀门开闭对车身振动反应时间分为即时型和延时型。所谓即时型高度控制阀即当车身有相对位移时,高度控制阀就有充放气动作。这就要求控制设备精度高,气路密封性好,同时所有的控制设备每时都处在工作状态,工作负荷较大;延时型高度控制阀避免了这种频繁工作的现象。延时型高度控制阀一般延时时间为1～6s ,通常使用时间为2～4s ,即在两个振动周期左右不敏感,以节省压缩空气无益的消耗,减小了阀中各零部件的磨损,延长了高度控制阀的使用寿命,减少了噪声。延时型高度控制阀的延时装置主要是用来产生阻尼,延缓阀门的动作。延时装置常采用弹簧、油压、风压或它们的联合结构。从国内外来看,延时型高度控制阀是普遍采用的一种阀体。目前,在国外一些空气悬架的车辆中也有采用电磁高度控制阀,车身高度可在几个档位上进行调整,根据路面条件把车身高度控制在适用的范围内,而提高了汽车的通过性及稳定性。
4.减振器
空气悬架系统减振器是一种高性能减振器。该减振器的性能随载荷的增减而改变,有很高的拉伸强度,具有极限行程的限位作用。
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。但也有一些空气悬架的导向机构有足够的侧倾角刚度,没有横向稳定器。
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,驾驶员可低速将汽车开到维修站进行修理。
2.1.3  空气悬架的工作原理
在发动机大带动下，压气机产生的压缩空气经过油水分离器和调压阀进入储气筒。调压阀可使出气筒内的压缩空气保持在一定的压力。需要时，压缩空气从储气筒出来，流入固定在车身上的高度控制阀内。高度控制阀上有通气阀和通大气的放气阀，这两个阀由控制连杆控制
    当汽车载荷增加时，车架与车桥之间距离缩短，然后通过控制杆机构的作用，打开充气阀，压缩空气流入空气弹簧的气囊是指压力增加，同时使车价升高，直至充气阀关闭为止，此时车架又恢复到载荷增加前的高度。汽车卸载时，车架与车桥之间的距离增大，此时通过控制连杆的作用打开放气阀，使气囊内的气体排入大气，压力减小，直至车架高度回复到卸载前的高度为止。因此，装有空气弹簧悬架的汽车，从空载到满载的各种状态下均能保持在车身高度不变。这有利于乘客上下车或工人装、卸货物。
2.2   空气悬架的特性
2.2.1  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2-11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。

图  2-11 空气弹簧特性曲线
2.2.2  可调式减震器软、中、硬的变化
可调式减震器装在空气弹簧下面，与空气弹簧一起构成悬架支柱，上端与车架连接，下端装在悬架摆臂上。
可调式减震器减震阻尼的改变由流过活塞节流孔油量的变化来实现的，而油量的变化是靠活塞节流孔的大小来实现的。与控制杆连成一体的转阀上有两组节流孔，活塞杆上也有两个节流孔。悬架控制执行器驱动控制杆，使转阀在活塞杆内转动，从而打开或关闭这些节流孔，使通过这些节流孔的油液量发生变化以此来控制减振器的减震阻尼，如图2-12所示。












图2-12  可调式减震器截面图
1)减震器阻尼力为“软”
   节流孔○A和○B均打开，减震器油液流动如图2-13所示。


图2-13减震器阻尼力为“软”
2）减震器阻尼为“中”
节流孔○A关闭，节流孔○B打开，减震器油液如图2-14所示。












          图  2-14  减震器阻尼力为“中”

3）减震器阻尼为“硬”
节流孔○A和○B均关闭，减震器油液流动如图2-15所示。

图  2-15  减震器阻尼力为“硬”
2.2.3  空气弹簧的软、硬变化
    空气弹簧主要由一个主气室和一个副气室组成，如图2-16所示。主副气室之间由连通阀相连，连通阀由悬架控制执行器通过连通阀控制杆来控制，已连通或关闭   
主、副气室之间的空气通道，使空气弹簧的有效工作容积改变，从而使空气弹簧的刚度发生变化。此外，主气室也是一个变容室，其下部有卷动膜片，通过增减主气室内的压缩空气量，就可调节汽车高度。
    当连通阀转到2-16图所示位置时，主、副气室的气体通道被打开，主气室的气体经连通阀的中间孔与副气室的气体相同，相当于空气弹簧的工作容积增大，空气弹簧的刚度为“软”。


图  2-16  空气弹簧刚度为“软“

当连通阀转到2-17图所示位置时，主、副气室的气体通道被关闭，主、副气室之间的气体不能互相互流动，此时空气弹簧只有主气室的气体参加工作，空气弹簧刚度为“硬”。


图  2 -17  空气弹簧刚度为“硬”

第3章 空气悬架参数的选择与计算方法
3.1   空气弹簧力学计算
空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩空气。容积比、气体压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的力学性能。
3.1.1  空气弹黄刚度计算
空气弹簧是利用橡胶气囊内压缩空气的反作用力作为弹性恢复力的弹性元件。刚度是空气弹簧的重要性能参数，一般用如下理论公式计算:                                     （3-1）
-空气弹黄垂直刚度
-橡胶气囊内压缩气体工作压力
-标准大气压
-空气弹簧有效承压面积
-空气弹簧有效行程
-空气弹簧有效承压面积变化比
V一 空气弹簧内的空气体积
n为多变指数，取决于空气弹簧形变速度。空气弹簧缓慢振动时，弹簧内气体状态变化视为等温变化，n=1;空气弹簧剧烈振动时，弹资内气体状态变化视为绝热过程，n= 1.3 - 1.4 .由式3 -1可知，空气弹簧的有效承压而积及其变化率对空气弹簧刚度的影响显著。囊式空气弹簧工作时有效承压面积变化率较大，弹簧刚度较大。由于分担气囊形变的曲囊越多，气囊有效承而积变化率越小，因此曲囊增多可减小囊式空气弹簧的刚度。在橡胶气囊正常工作气压范围内，膜式空气弹簧的有效承压积面变化率比囊式气弹簧小，即膜式空气弹簧的刚度比囊式空气簧小。同时，膜式空气弹簧可以通过改变活塞底部形状来控制有效承压面积变化率，以获得理想弹性特性。另外，囊式空气弹簧可以通过添加辅助气室，膜式空气弹簧可利用活塞底座空心内腔作为辅助气室来增大气体体积，从而降低弹簧刚度。另外，独立悬架式中需要注意的是，式3-1适用于非独立悬架刚度计算,对应刚度折算到轮边，刚度值应为:  (3一2)
式中：i一一杠杆比，i=b/a
a一一气囊中心到吊耳支承点距离;
b一一前桥中心轴线到吊耳支承点距离;
弹簧振动固有频率用每分钟振动次数n来表示  
    （3-3）

当空气弹簧的垂直刚度己知时，也可以用下式计算固有频率

式中:9一重力加速度
D一 气 囊 圃 截 面有效直径从式中可以看到:
1.频率与选择的充气压力Pro有关，Pro。越大，固有频率越低。这种影响在压力较低时尤为明显。当充气压力提高时   接近1时，再提高Pro，则对降低固有频率无明显影响。频率与折算高度有关，H越大固有频率越低。特别是对于 较小的气囊增加H对降低固有频率有明显影响。对于 较大的气囊H的影响不是很明显。
2．频率与有效面积的变化率 有关大， 越大n越高， 越小n越低。一般囊式空气弹簧的有效直径变化率为0.35--0.40，膜式空气弹簧的有效直径变化率在0.10--0.2.之间，所以，囊式空气弹簧的有效直径变化率对空气弹簧的固有频率的影响较大。
3.2   整车参数的选择
    本文采用了奥迪A6 1.8T自动挡为主要参数，主要对前悬架做了一些改动，后悬架还是采用了双纵臂式非独立悬架具体参数如表3-1，3-2，3-3所示。
外廓尺寸长/宽/   高(mm)        轴距
（mm）        轮距前/后(mm)        前悬
(mm)        后悬
(mm)
4886/1810/1932        2850        1540/1569        1475        970
3-1 整车主要尺寸参数
整车整备质量（mm）        满载总质量
（mm）        前轴允许轴荷（mm）        后轴允许轴荷(mm)
1505        2010        1085        1070

3-2 整车质量参数
主销内倾角        注销后倾角        前轮外倾角        前轮前束



0 mm-1 mm
3-3 前轮定位参数
3.3   横向稳定性的计算
在进行横向稳定性的计算时，一般引用横向稳定性系数 .其物理意义定义为:车身倾斜单位角时所需要的单位重量的惯性力。
      (3-4)
式中: -汽车悬挂质量，即车身质量
- 汽车横向加速度，横向稳定性计算时取0.4g
-车 身 侧 顷角
     =          (3-5)
式中: -侧顷力矩
=     (3-6)
e-倾覆力臂，等于悬挂质量重心至侧顷力矩中心距离，
-悬架侧顷角刚度
=     (3-7)
式中:  -前后悬架的单边有效刚度
-前后悬架有效弹簧中心距
-横向稳定杆的角刚度
=           (3-8)
式中:  -横向稳定杆垂直刚度
- 对 应 于 本 文考虑的非独立悬架为稳定杆两端的固定位置 之 间 的 距 离
      (3-9)
式中:E-弹性模量，E=2.1e10
G- 剪 切 模 量 ，G=8
  - 断面对圆心的极惯性距，
J-断面对任一直径轴的惯性距，  
其他符号见图3- 1:

图3- 1 横向稳定杆计算简图
整车侧倾力臂e的计算为:
           (3-10)
式中:   -悬挂质量重心高度
- 整车侧倾力矩中心高度
悬挂质量重心高度一般由下式计算:
         (3-11)
式中： -整车重量
-非悬挂重量
-整车的重心高度重
  -车轮滚动半径
            (3-12)
式中 :  一分别为车身在前后州处的侧倾力矩中心高度
a- 整 车 悬 挂 质 量 重 心到前轴的距离
一 轴 距
我 们 选 取的前横向稳定杆直径27.2mm，计算得到的前横向稳定杆角刚度为19580Nm/rad，由公式(3 -7)计算得到的前后悬架侧顷角刚度分别为454860 Nm/rad,188870 Nm/rad. 计算 值为3.41

结论
    随着人们生活水平的不断提高，对乘车舒适性的要求也越来越高。空气弹簧与原有的钢板弹簧相比较具有乘坐舒适安全、改善车辆行驶平顺性、延长轮胎和制动片的使用寿命、负载变化时车身高度不变、清洁环保等优点。于是本人从乘车舒适性的角度出发，主要设计空气弹簧与减震器的配合，空气悬架其他结构只是简要设计，没有进行深入研究。
    本文通过空气悬架国内外的发展历史；应用及特性为引文，逐步深入的对空气悬架的结构；工作原理进行分析并合理的计算出工作所需要的重要数值。主要设计空气弹簧刚度与减震器阻尼力“软”、“中”、“硬”的配合，从而提高乘车的舒适性。

致谢
    紧张而又忙碌的毕业设计结束了，带着几分不舍于感动。不舍与老师同学朝夕相处的快乐时光，感动在此期间老师和同学们对我的帮助与指导。
    我首先要向我最尊敬的指导老师孙凤霞致以最诚挚的谢意，同时还要感谢在本次毕业设计中给我提供帮助的每一位同学。谢谢你们!
    我还要特别感谢郑德林老师，席振鹏老师。他们虽不是我的指导老师，但是在我遇到困难的时候他们还是热心的帮助我解决难题，使我在专业知识上得到了更进一步的升华，在此请准许我向所有的指导老师道一声，您辛苦了！


参考文献
1.陈兴林.发展空气悬架大有可为. 东风汽车报,2004年3月.
2.杨松.空气弹簧悬架的发展历史及应用.商用汽车,2003 年3月
3.严彦从.大型客车空气悬架结构特点及设计中的若干问题汽车研究与开发, 1997 (4) : 18 - 221
4.王望予.汽车设计.第4版.机械工业出版社,2007年9月
5郭新华.汽车构造.高等教育出版社,2004年7月
6.于志生.汽车理论.第4版.机械工业出版社,2007年5月
7.Jon Bunne , Roger Jable1Air Suspension Factors in Driveline Vibration   SAE Paper No19622071
8.John Woodrooffe1Heavy Truck Suspension Dynamics : Methods for Evaluating Suspension Road Friendliness and Ride Quality SAE paper
No19621521
9.Donald Margolis1The Stability of Trailing Arm Suspension in Heavy
Trucks ,Int1J1Vehicle Design , 2001 (3) : 211 - 2291
10.Alf Homeyer 等(德)  采用现代方法设计空气弹簧系统国外铁道车辆, 1999 (3) : 35 - 381

附录1
空气悬架在我国的发展趋势
我国公路条件的改善为汽车空气悬架创造了基本的使用条件。到2003年底,我国高速公路通车里程接近30 000 km ,位居世界第二,仅次于美国。而且高速公路正以每年4 000 km 的速度增长。按照规划,我国到2020 年将建成70 000 km 的高速公路,完成我国现代化交通网络的基本骨架。
国内高速公路的发展对空气悬架国内市场产生了很大的促进作用。我国高速公路的迅速发展和运输量的增加以及对高性能客车的需求,都对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求,空气悬架客车将逐渐得到广泛的应用。此外,重型汽车对路面破坏机理的研究及认识进一步加深,政府对高速公路养护的重视,2004年6月国家治理限制超载政策的出台,使空气悬架在重型车市场的应用也正在进一步扩大,为适应高速公路运输的需要,高级客车和重型 载货车都必须使用空气悬架。高级客车市场的快速发展将大大拉动空气悬架产品的需求增长。
近几年,空气悬架的需求主要是与高等级客车的销售量直接相关,2002年高级客车销售量为4 000 辆左右,2003年突破6 000 辆,据统计高级客车的需求以每年15%的速度增长。根据国家汽车行业“十五”规划要求,我国的客车将“重点发展适应高速公路需要的大中型客车、专用客车底盘及关键总成”并“根据市场需求适当发展高档旅游客车”。专家预测,2009 年大中型客车年需求量为817万～912万辆(其中大型客车为411万～514万辆,中型客车为316万～418万辆) 。2004年,交通部颁布实施《营运客车类型划分及等级评定》(JT/T32522004)行业标准,新颁布实施的标准里面对大中型客车配置悬架类型作了规定,其中高级大中型客车必须采用空气悬架。这为空气悬架产品的推广使用创造了一个良好的外部环境。载货汽车必将成为空气悬架市场的支撑点。根据国家汽车行业“十五”规划要求,载货汽车的重点是发展重型载货汽车。专家预测,2005年重型载货汽车年需求将达35万～38万辆。仅从东风汽车有限公司2002年4月公开发布2004～2007年中期事业计划来分析,预计未来几年“东风有限”系列商用车的空气悬架配置数量约在15 000～30 000套规模;一汽集团的系列商用车的空气悬架配置数量也大约不低于此数量。综合分析预测,预计2005 年全年在国家宏观产业政策引导下,适应高速公路需要的大中型客车、高档旅游客车,使用空气悬架弹簧的配置率将会较快地增长,其中大型客车占年产量30%比例,中型客车占5%比例, 将有10 000～12 000辆客车采用空气悬架弹簧;重型载货汽车预计有5%～10%的比例,即20 000～40 000辆将采用空气悬架系统。

附录2
The air hangs the development trend in our country of the shelf
The improvement of the highway condition of our country has created the basic service condition in order that the car air hung the shelf. By the end of 2003, the traffic mileage of expressway of our country is close to 30 000 km, occupy the second in the world, second only to U.S.A.. And the expressway is increasing at the speed of every year 4 000 km. According to planning, our country will build up the expressway of 70 000 km by 2020, will finish the basic skeleton of the modernized traffic network of our country.
The development of the domestic expressway has hung a domestic market and produced very great facilitation to the air. Rapid development, increase of traffic volume and demand for the high-performance passenger train of the expressway of our country, to the manipulation stability, smooth-going of the car, security has put forward higher requirement, the air hangs a passenger train widely usedly gradually. In addition, the heavy-duty car destroys the research of mechanism and knows and further strengthens to the road surface, the attention which the xxxxxxxxxxx maintains to the expressway, the country managed the issue which limited the overladen policy in June of 2004, make the air hang the application on the market of heavy-duty car of shelf and further expand too, in order to meet the need of high-speed highway transportation, advanced passenger trains and heavy-duty vans must all use the air to hang the shelf. The fast development of the market of advanced passenger train will spur the air and hang the demand for a product to increase greatly.
In recent years, air hang demand of shelf and high grade sales volume of passenger train relevant directly mainly, the sales volume of advanced passenger train was about 4 000 in 2002, topped 6 000 in 2003, increased at 15% of the paces of every year according to the demand for the advanced passenger train of statistics. According to the national car trade "  15 " Plan to require, the passenger train of our country will " develop large-and-middle-scale passenger train, special-purpose passenger train chassis and key meeting the needs of expressway to always become especially " And " develop the passenger train of top-grade travel appropriately according to market demand "The expert predicts, the annual requirement of large-and-middle-scale passenger train will be 8,170,000- 912 ten thousand (the large-scale passenger train will be 4,110,000- 514 ten thousand among them in 2009, the medium-sized passenger train is 3,160,000-  4,180,000)  . 2004, the Ministry of Communications issuing and implementation " passenger train type division of operation and grade evaluation " (JT/T32522004) Sector standard, has disposed a type of hanging and made the regulation in the standard issued and implemented newly in the face of the large-and-middle-scale passenger train, among them the advanced large-and-middle-scale passenger train must adopt the air to hang the shelf. This has created a good external environment condition in order that the air hung the popularizing of a set of products. The cargo truck will become air and hang a strong point of market. According to the national car trade "  15 " Plan to require, the focal point of the cargo truck is to develop heavy-duty cargo truck. The expert predicts, the annual demand of the heavy-duty cargo truck will be up to 350,000- 38 ten thousand in 2005.  Disclosed and released the career plan of middle period of 2004- 2007 to analyze from car Co., Ltd. of east wind only in April of 2002, the following several years for the expectation "  The east wind is limited "  It is about here that the air of serial commercial cars hangs the shelf and disposes the quantity 15 000- 30 000Set of scale; The air of the serial commercial cars of the First Automobile Group hangs the shelf and dispose the quantity and is not probably lower than this quantity either. Comprehensive analysis predicts, estimate for the whole year of 2005 that under national macroscopical industry's policy guide, large-and-middle-scale passenger train, top-grade travel passenger train meeting the needs of expressway, use air to hang the disposition rate of a spring and increase very fast, among them the large-scale passenger train accounts for 30% of the proportions of annual production, the medium-sized passenger train accounts for 5% of the proportions, will have 10 000- 12 000A passenger train adopts the air to hang a spring; The heavy-duty cargo truck is expected to have 5%- 10% of the proportions, i.e. 20 000- 40 000One will adopt the air to hang system 。

秋子

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能把论文发到我邮箱吗 692996595@qq.com  跪求 谢谢