【文章內(nèi)容簡介】 線的斜率是懸架的剛度。 懸架 的彈性特性有線性彈性特性和非線性彈性特性兩種。當懸架變形廠與所受垂直外力 F 之間呈固定比例變化時，彈性特性為一直線，稱為線性彈性特性，此時懸架剛度為常數(shù)。當懸架變形 f 與所受垂直外力 F 之間不呈固定比例變化時，彈性特性如圖 3—1 所示。此時，懸架剛度是變化的，其特點是在滿載位置 (圖中點 8)附近，剛度小且曲線變化平緩，因而平順性良好；距滿載較遠的兩端，曲線變陡，剛度增大。這樣可在有限的動撓度 df 范圍內(nèi)，得到比線性懸架更多的動容量。懸 架的動容量系指懸架從靜載 12 荷的位置起，變形到結(jié)構(gòu)允許的最大變形為止消耗的功。懸架的動容量越大，對緩沖塊擊穿的可能性越小。 空載與滿載時簧上質(zhì)量變化大的貨車和客車，為了減少振動頻率和車身高度的變化，應(yīng)當選用剛度可變的非線性懸架。轎車簧上質(zhì)量在使用中雖然變化不大，但為了減少車軸對車架的撞擊，減少轉(zhuǎn)彎行駛時的側(cè)傾與制動時的前俯角和加速時的后仰角，也應(yīng)當采用剛度可變的非線性懸架。 鋼板彈簧非獨立懸架的彈性特性可視為線性的，而帶有副簧的鋼板彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧等，均為剛度可變的非線性彈性特性懸架 ]6[ 。 圖 3— 1 懸架彈性特性曲線 1— 緩沖塊復(fù)原點 2— 復(fù)原行程緩沖塊脫離支架 3— 主彈簧彈性特性曲線 4— 復(fù)原行程 5— 壓縮行程 6— 緩沖塊壓縮期懸架彈性特性曲線 7— 緩沖塊壓縮時開始接觸彈性支架 8— 額定載荷 13 4 彈性元件的設(shè)計 空氣懸架多應(yīng)用于大型客車和無軌電車上，在高級轎車、長途運輸重型載貨汽車和掛車上有所應(yīng)用。其彈性元件是由夾有簾線的橡膠囊或模和充入其內(nèi)腔的壓縮空氣所組成的。這種懸架除彈性元件、減振器和導(dǎo)向機構(gòu)外，一般 還裝有車身高度調(diào)節(jié)裝置。 由于空氣彈簧可以設(shè)計的比較柔軟，因而空氣懸架可以得到較低的固有頻率，同時空氣彈簧的變剛特性使得這一頻率在較大的載荷變化范圍內(nèi)保持不變，從而提高了汽車的平順性?？諝鈶壹艿牧硪粋€優(yōu)點在于通過調(diào)節(jié)車身高度使得大客車的地板高度和載貨汽車的貨箱高度哦隨載荷的變化基本保持不變。此外，空氣懸架還具有空氣彈簧壽命長、質(zhì)量小以及噪音低等一些優(yōu)點。 按照結(jié)構(gòu)特點，空氣彈簧可以分為囊式和膜式兩大類，囊式空氣彈簧結(jié)構(gòu)相當簡單，制造方便，但剛度較高，因而常用于大型客車、無軌電車和載貨汽車，并且常配有輔助氣室 以降低彈簧剛度，膜式空氣彈簧剛度小，適應(yīng)于用作轎車懸架，但同等空氣壓力和尺寸下其承載能力小，并且動剛度會增大 ]7[ 。 以橡膠囊為主要元件的囊式空氣彈簧，在用來承受內(nèi)壓張力的鋼質(zhì)腰環(huán)分割下來，氣囊被分為不同節(jié)數(shù)，并據(jù)此分為單曲、雙曲和多曲氣囊三種，囊式空氣彈簧結(jié)構(gòu)比較簡單，制造容易，因此成本低；又因為工作時橡膠膜的曲率變化小，所以使用壽命長。本次設(shè)計選取雙曲空氣彈簧。 圖 4— 1 雙曲氣囊空氣彈簧 1— 上蓋 2— 橡膠膜 3— 腰環(huán) 4— 底座 空氣彈簧力學(xué)性能 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。容積比、氣體壓縮系數(shù)基本上決定了理想空氣彈簧的力學(xué)性能。 空氣彈簧剛度計算 空氣彈簧是利用橡膠氣囊內(nèi)壓縮空氣的反作用力作為彈性恢復(fù)力的彈性元件。剛度是空氣彈簧的重要性能參數(shù)，用如下理論公式空氣 彈簧垂直剛度 C計算： VAPPnLAPC eiOei 2)( ????? (41) 14 iP — 橡膠氣囊內(nèi)壓縮氣體工作壓力 ； OP — 標準大氣壓 ，取 ； eA — 空氣彈簧有效承壓面積 ； L— 空氣彈簧有效行程 ； LAe?? — 氣彈簧有效承壓面積變化比 ； V空氣彈簧內(nèi)的空氣體積 ； n為多變指數(shù)，取決于空氣彈簧形變速度?？諝鈴椈删徛駝訒r， 彈簧內(nèi)氣體狀態(tài)變化視為等溫變化， n=1；空氣彈簧劇烈振動時，彈簧內(nèi)氣體狀態(tài)變化視為絕熱過程，n=1． 3～ 1． 4，本次設(shè)計選取 n=。 囊式空氣彈簧的有效 面積 變化率對空氣彈簧的固有頻率的影響較大 ，當空氣彈簧在等壓的條件下， 有效面積的變化率 LAe?? =0，本次設(shè)計選取 LAe?? =0。 由式 （ 4一 l） 可知，空氣彈簧的有效承壓 面 積及其交化率對空氣彈簧剛度的影響顯著。囊式空氣彈簧工作時有效承壓面積交化率較大，彈簧剛度較大。由于分擔氣囊形變的曲囊越多，氣囊有效承 面 積變化率越小，因此曲囊增多可減小囊式空氣彈簧的剛度。在橡膠氣囊正常工作氣壓范圍內(nèi)，膜式空氣彈簧的有效承壓積面變化率比囊式氣彈簧小，即膜式空氣彈簧的剛度比囊式空氣簧小。同時，膜式空氣彈簧可以通過改變活塞底部形狀來控制有效承壓面積變化率，以獲得理想彈性特性。另外，囊式空氣彈簧可以通過添加輔助氣室，膜式空氣彈簧可利用活塞底座空心內(nèi)腔作為輔助氣室來增大氣體體積，從而降低彈簧剛度 ]8[ 。 1）前懸的空氣彈簧剛度計算 前懸架有 四個氣囊、四個減震器、 兩個高度 控制閥、 兩根 橫向 推力桿 和 兩根縱向推力桿 構(gòu)成的 四連桿結(jié)構(gòu)。 根據(jù) GB/T1306191對汽車的空氣彈簧的規(guī)定，本次選取的彈簧型號為 B7380X390的囊式空氣彈簧。 設(shè)前懸架非簧載質(zhì)量按 500kg 計算，前懸架每支空氣彈簧的承受負載為 i GGiGG usm 1111 ??? 15 式中： G1 為前懸軸載荷為 6370kg， i為空氣彈簧個數(shù)， 1sG 為前懸簧載質(zhì)量， 1uG 為前懸非簧載質(zhì)量。代入 推出 1mG 為 ，每個空氣彈簧受力為 gGP m11 ? =。 n為多變指數(shù)，此處選取為 ； iP 為 橡膠氣囊內(nèi)壓縮氣體工作壓力 ，取 eAP/1 ；OP 為 標準大氣壓 ，取 ； eA 為 空氣彈簧有效承壓面積 ， 在 390mm的設(shè)計高度上 當載荷為 ， 彈簧內(nèi)部壓強為 ， 計算 eA =? 104 2mm ， V為空氣彈簧體積 V=390 010 4=10 6 mm3 ； LAe?? 為 有 效面積的變化率 ，當空氣彈簧在等壓的條件下， LAe?? =0。 將上述數(shù)據(jù)代入公式（ 41），經(jīng)計算可得前懸空氣彈簧剛度 1C =。 2）后懸的空氣彈簧剛度計算 后懸架有 四個氣囊、四個減震器、 兩個高度控制閥、 兩根 橫向 推力桿 和 兩根縱向推力桿 構(gòu)成的 四連桿結(jié)構(gòu)。 根據(jù) GB/T 1306191對汽車的空氣彈簧的規(guī)定，本次選取的彈簧型號為 B7380X390的囊式空氣彈簧。 jGGjGG usm 2222 ??? 式中： 后 懸軸 載荷為 2G =12740kg， j為空氣彈簧個數(shù)， 2sG 為 后 懸簧載質(zhì)量， 后 懸非簧載質(zhì)量 2uG =1000kg。代入推出 2mG 為 2935kg，每個空氣彈簧受力為 2P =28763N。 對于同一種空氣彈簧，變指數(shù)、有效面積不變，有效面積的變化率仍然為零 ， 橡膠氣囊內(nèi)壓縮氣體工作壓力 ，取 eAP/2 ，將參數(shù)代入式子（ 41）得到 后懸空氣彈簧剛度2C =。 空氣彈簧固有頻率的計算 彈簧振動固有頻率用 0n 來表示， 即 0n = dxdDAgVn g APPeeroro ???? 121? （ 42） 16 式中 g— 重力加速度 , g=9810mm/ 2s ； D— 氣囊圓截面有效直徑 ； 當空氣彈簧的垂直剛度己 知時，也可以用下式計算固有頻率： Wgkf ??? 212 ?? k — 氣體常數(shù)，當汽車載荷緩慢變化時，彈簧內(nèi)空氣狀態(tài)的變化接近于等溫過程，可取 k ＝ 1；當汽車在行駛過程振動時，彈簧內(nèi)空氣狀態(tài)的變化接近于絕熱過程，可取 k＝ ；實際計算時，通常取 k ＝ ～ 。 從式子（ 42）可以看出： 1） 頻率與選擇的充氣壓力 roP 有關(guān)， roP 越大，固有頻率越低。這種影響在壓力較低時尤為明顯。當充氣壓力提高時，roroPP 1? 接近 1時，再提高，則對降低固有頻率無明顯影響。頻率與折算高度 H=VAe 有關(guān)， H 越大固有頻率越低。特別是對于 LAe?? 較小的氣囊，增加 H 對降低固有頻率有明顯影響。對于 LAe?? 較大的氣囊， H 的 影響不是很明顯。 2） 頻率與有效面積的變化率 LAe?? 有關(guān)， LAe?? 越大 n 越高。 LAe?? 越小 n 越低。 當充氣壓力提高時，roroPP 1? 接近 1時，再提高，則對降低固有頻率無明顯影響，故本次設(shè)計選取roroPP 1? =1； n 為多變指數(shù)，此處選取為 ； dxdD 為有效直徑變化率 ， 一般囊式空氣彈簧的有效 直徑變化率為 ～ ，膜式空氣彈簧的有效直徑變化率在～ 之間 。本次設(shè)計選取 dxdD =；將上述參數(shù)代入（ 42） 中 空氣彈簧固有頻率0n =。 空氣彈簧的剛度特性分析 當在充滿氣體的空氣彈簧上作用外力 P 后，會引起彈簧的微小變形 df ，相應(yīng)的氣體容積變化量為 dV 。 由于囊壁變形所做的功與外力所作的功相比可以忽略，因而外力作的功 Pdf 等于氣體受壓作的功 dVpp a)( ? 17 dVppPdf a )( ?? （ 4－ 3） 式中 p — 彈簧內(nèi)空氣的絕對壓強； ap — 標準 大氣壓強。 定義彈簧的有效面積 dfdVAeff /?? （ 4－ 4） 可以得到 e ffakke ffa ApV VpAppP ???????? ???? 00)( （ 4－ 5） 將上式對位移求導(dǎo)可得空氣彈簧得剛度為 dfdApVVpAVVkpdfdAppAdfdpCe ffakke ffkke ffae ff???????? ???????002100)( （ 4－ 6） 這表明空氣彈簧的剛度由兩部分構(gòu)成，分別由氣體體積的變化和有效面積的變化而引起。在設(shè)計空氣彈簧時，對這兩個方面都要加以考慮。 在靜平衡位置時，有 0pp? ， 0VV? ，代人式 (4－ 6)可得到靜平衡位置的彈簧剛度為 dfdAppAVkpC e ffae ff )(200 ??? （ 4－ 7） 從中可以看出，要想獲得較軟的剛度，應(yīng)該增大 0V ，但在布置上又不允許占用過高的空間，因而常常采用增加輔助氣室的辦法來達到增大 0V ，減小剛度的目的。 由于空氣彈簧無法承受側(cè)向力及轉(zhuǎn)矩，必須為懸架選擇恰當?shù)膶?dǎo)向桿系。目前常用的有以下三種方式：①用鋼板彈簧作為導(dǎo)向元件，這種方法的優(yōu)點 在于可以利用以前的零部件，便于改裝，同時板簧與空氣彈簧聯(lián)合作用可使懸架彈性特性更接近理想，懸架的偏頻在很大載荷范圍內(nèi)近似保持不變。②縱臂式，這種方式增加了設(shè)計的靈活性，可以較好地保證懸架的縱傾特性，車輪跳動時主銷傾角的變化量也能滿足要求。③ A型架式，實際上為縱臂式的變形，其側(cè)向剛度較大，可減小車身側(cè)向擺動的加速度，從而減小懸架中出現(xiàn)的附加載荷，多用于重型車的懸架。在轎車上，一般前懸采用雙橫臂，后懸采用縱臂式導(dǎo)向機構(gòu)。 空氣懸架車身高度調(diào)節(jié)機構(gòu)是一端固定在車架、一端固定在車身上的聯(lián)動閥，當車引高度變化時，閥動 作打開相應(yīng)的氣路，向彈簧氣室中補充或由彈簧氣室放出空氣，達到測節(jié)車身高度的目的。 汽車在正常行駛過程中，由于垂向振動或側(cè)傾，車身與車橋之間總會發(fā)生相對位移。在 18 設(shè)計車身高度調(diào)節(jié)器時，必須采取必要的措施以防止在此類情況下車身高度調(diào)節(jié)器頻繁動作 ]9[ 。 高度控制閥 高度控制閥是空氣懸架系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是保證車輛在任何靜載荷下與路面保持一定的高度，而且空氣彈簧的優(yōu)勢也只有在采用了高度控制閥的情況下才能充分體現(xiàn)。 高度控制閥（以下稱高度閥）分為機械式和電磁式， 按組成分為帶延時機構(gòu)和不帶延時機構(gòu)?？紤]到目前國內(nèi)空氣懸架多采用機械式高度閥，因此針對帶延時機構(gòu)和不帶延時機構(gòu)的兩種機械式高度閥進行研究。 不帶延遲機構(gòu)的高度閥工作原理：車體荷重增加時，車體下降，空氣彈簧壓縮，控制桿被推向上方，凸輪轉(zhuǎn)動帶動活塞頂開進、排氣閥，風缸中的壓縮空氣通過一段節(jié)流通道流入空氣彈簧；車架恢復(fù)到一定高度后，控制桿會返回平衡位置，此時進氣閥被關(guān)閉，壓縮空氣關(guān)斷。當車體荷重減少時，車體上升，空氣彈簧伸長，與荷重增加時情況相反，控制桿被拉下，進、排氣閥打開，空氣彈簧內(nèi)的空氣經(jīng)節(jié)流通道和活塞內(nèi)的 通道排出 ]10[ 。 圖 4— 2 不帶延時機構(gòu)的高度閥 示意 圖 高度閥的主要特性參數(shù)有截止頻率一般為 1Hz，不感帶 ? mm，動作延遲時間為13? s，低 流量為 120 L/Min， 標準流量 為 350 L/Min， 排氣氣流流速為 875 L/min。 19 5 懸架導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計 懸架導(dǎo)向機構(gòu)的概述 空氣懸架的主要組成部分除了空氣彈簧以外，還有導(dǎo)向桿件、減振器、橫向穩(wěn)定器、高度控制組件及緩沖限位部件等組成。其中，導(dǎo)向機構(gòu)發(fā)揮著非常重要的作用。 導(dǎo)向傳力機構(gòu)是空氣懸架中的重要部件，要承受汽車的縱向力、側(cè)向力及其力矩，因此要有一定的強度，布置方式要合理，避