悬架系统设计资料

目录

1 绪论 (2)

1.1 悬架的概述 (2)

1.2 悬架的分类 (3)

1.3 重型载货汽车悬架系统目前的工作状况 (4)

1.4 悬架技术的研究现状及发展趋势 (5)

1.4.1悬架技术的研究现状 (5)

1.4.2悬架技术的发展趋势 (5)

1.4.3悬架设计的技术要求 (5)

2 空气悬架结构 (6)

2.1 空气悬架结构简介 (6)

2.1.1空气悬架系统的基本结构 (6)

2.1.2空气弹簧的类型 (6)

2.1.3导向机构 (7)

2.1.4高度控制阀 (7)

2.2 空气悬架系统的工作原理 (7)

3 悬架主要参数的确定 (8)

3.1 载货汽车的结构参数 (8)

3.2 悬架静挠度 (8)

3.3 悬架动挠度 (9)

3.4 悬架弹性特性 (10)

4 弹性元件的设计 (11)

4.1 空气弹簧力学性能 (11)

4.1.1空气弹簧刚度计算 (11)

4.1.2空气弹簧固有频率的计算 (13)

4.1.3空气弹簧的刚度特性分析 (14)

4.2 高度控制阀 (16)

5 悬架导向机构的设计 (17)

5.1 悬架导向机构的概述 (17)

5.2 横向稳定杆的选择 (17)

5.3 侧顷力臂的计算方法 (18)

5.4 稳定杆的角刚度计算 (19)

5.5 悬架的侧倾角校核 (20)

6 减振器机构类型及主要参数的选择计算 (21)

6.1 分类 (21)

6.2 主要参数的选择计算 (22)

7 技术与经济性分析 (26)

1 绪论

1.1 悬架的概述

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽

车的正常行驶]1[。

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车架和车身时，可能引起汽车机件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间作弹性联系。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减（振幅迅速减小）。为此，在许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减振器。

以下对悬架重要的组成部分进行简单的介绍。

(一)弹性元件

弹性元件主要是把车架或车身与车桥或车轮弹性的连接起来，主要有空气弹簧，钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等。

(1)空气弹簧

空气弹簧是由橡胶囊所围成的一个密闭容器，在其中贮入压缩空气，利用空气的可压缩性实现其弹簧的作用。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体气压升高，弹簧刚度增大。反之，当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故空气弹簧具有较理想的弹性特性。

随着科学技术突飞猛进，生活水平的不断提高，人们对汽车的乘坐舒适性及各方面的性能提出了更高的要求，这便迫使各汽车生产厂家不断的引进先进技术，生产出更好的产品，保持强大的竞争能力。从而空气弹簧的设计与研究也越来越受到车辆设计人员的青睐。在本论文主要是对空气弹簧进行了研究与探讨。

(2)钢板弹簧

由多片不等长和不等曲率的钢板叠合而成。钢板弹簧除具有缓冲作用外，还有一定的减震作用。

(3)螺旋弹簧

只具备缓冲作用，多用于轿车独立悬挂装置。由于没有减震和传力的功能，还必须设有专门的减震器和导向装置。

(4)扭杆弹簧

将用弹簧杆做成的扭杆一端固定于车架，另一端通过摆臂与车轮相连，利用车轮跳动时扭杆的扭转变形起到缓冲作用，适合于独立悬挂使用。

(二)导向装置

导向装置是指悬架中的某些用来传力同时还承担着使车轮按一定轨迹相对车架和车身跳动的任务的机构。导向装置主要有以下几点作用：①在车架或车桥之间传递力矩。

②使车桥或车轮按一定轨迹相对车身或车架跳动。

(三)减振装置

减振装置主要是用来消耗振动能量，衰减振动。弹性系统在受到冲击后，将会产生振动，减震器可以使振幅迅速减小，以避免持续的振动给驾驶员的不舒适和疲劳。

车轮相对于车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。

由此可见，上述这三个组成部分分别起缓冲、减振和导向的作用，然而三者共同的任务则是传力。

4

5

3

1

2

1—弹性元件 2—纵向推力杆 3—减振器 4—横向稳定器 5—横向推力杆

图1-1 汽车悬架组成示意图

1.2 悬架的分类

根据导向机构型式的不同，汽车悬架又可分为非独立悬架和独立悬架。非独立悬架的结构特点是，左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架和车价（或车身）连接；独立悬架的结构特点是，左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接。

独立悬架是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。现代轿车大都是采用独立式悬架，按其结构形式的不同，独立悬架又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架等。

图1-2 独立悬架

非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用在货车和大客车上。

图1-3 非独立悬架

1.3 重型载货汽车悬架系统目前的工作状况

现代的载货运输特点是要求多样化的，简单的将货物从甲地运送到乙地的运输方式以满足不了运输要求。在经济领域中，由于道路情况不同，运输的安全性，守时性，灵活性以及运输的价格和效率比直接关系到企业的命运和存亡。运输质量和安全首先通过行驶系统来保证，因此越来越多的车辆制造者和汽车企业家认识到悬架系统的重要性。目前的重型载货汽车一直面临着一个问题就是：汽车载重量和平顺性之间的矛盾。载货汽车空载时汽车的舒适性会比满载时差的很多，尤其是大型工程运输车在凹凸不平的路面甚至是露天矿山上长时间往返的行驶时，这种情况更加明显。在空载或少量载荷时货车的平顺性及其差，这样会使驾驶员和乘坐者很容易感到疲劳，从而引发交通事故，造成严重的后果。对于载重货车而言，根据不同的用途，不同的工况以及客户的需求承载能力和平顺性必须要综合考虑。目前的重型载货汽车多用被动式的定刚度的悬架系统，若要求其有较高的承载能力，势必要有很大的悬架刚度。然而根据以往的研究得知，悬架的刚度越大汽车的行驶平顺性和安全性能也就越差。因此，承载能力与平顺性一直是

载货汽车悬架系统设计中—对永恒的矛盾]2[。

1.4 悬架技术的研究现状及发展趋势

1.4.1悬架技术的研究现状

机械装置的基本规律指出：载货汽车良好的舒适性，操纵稳定性及良好的承载能力在使用定刚度和定阻尼减震器的传统悬架中是不能同时满足的。因此，传统的悬架在设计过程中不可避免的要进行乘坐舒适性和操纵稳定性的折衷，尽管近年来传统悬架在结构上的不断更新和完善，采用优化设计方法进行设计，已使汽车(特别是轿车)的乘坐舒适性和操纵稳定性有很大提高，例如横臂式独立悬架、纵臂式独立悬架、车轮沿主销移动的悬架(烛式和麦弗逊式)等等的采用，但传统悬架系统仍然受到许多限制，如最终设计的悬架参数(弹簧刚度、减振器阻尼系数)是不可调节的，致使传统悬架系统只能保证汽车在一种特定的道路和速度条件下达到性能最优的折衷。

1.4.2悬架技术的发展趋势

当前在大型商用汽车、半挂车中采用空气悬架系统越来越多。空气悬架突出的优点是平顺性好，维修少，寿命长，对承运的乘客和货物的保护比钢板弹簧悬架有着很大的提高，而对整车和路面的损坏程度也大大减少。

钢板弹簧在不同的载荷下产生不同的弯曲，这样会导致整车到地面的距离总是在发生变化，如果保持弹簧的弹性而增加载荷的话，这会降低弹簧的固有频率甚至使弹簧的特性发生改变。

空气弹簧基于空气的可压缩性，封闭在气囊里的空气是弹性元件，空气弹簧通过不同气囊的压力来平衡不同的载荷。空气弹簧的固有频率稳定，因此它的弹性性能也稳定，这样就意味着空气弹簧更加的接近理想状态。

随着我国高速公路的迅速发展，公路运输量的增加，对汽车性能的要求也越来越高，空气悬架凭着其自身的优越性能在货车上的应用必将越来越广泛。另外，随着重型载货汽车对路面的破坏机理的研究及认识的进一步加深，以及政府对高速路养护的进一步重视，空气悬架在重型货车上的应用也必将进一步增加。因此，对空气悬架的设计进行深入的研究也显得越来越重要。

1.4.3悬架设计的技术要求

对悬架提出的设计要求有：

（1）保证汽车有良好的行驶平顺性；

（2）具有适合的衰减振动的能力；

（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性；

（4）汽车制动或加速时，要保证车身稳定性，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要适合；

（5）有良好的隔声能力；

（6）结构紧凑、占用空间尺寸要小；

（7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

2 空气悬架结构

2.1 空气悬架结构简介

2.1.1空气悬架系统的基本结构

空气弹簧悬架具有变刚度、刚度小、振动频率低、车身高度不变等优点。典型的机械式空气悬架主要包括以下几个部分：

(1)空气弹簧

空气弹簧是由橡胶囊所围成的一个密闭容器，在其中贮入压缩空气，利用空气的可压缩性实现其弹簧的作用。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体气压升高，弹簧刚度增大。反之，当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故空气弹簧具有较理想的弹性特性。

(2)导向机构

导向机构是承受汽车的纵向力、力矩及横向力。由于空气悬架只能承受垂直载荷，所以需要安装导向机构以承受横向力、纵向力及力矩以使车桥(或者车轮)按一定的轨迹相对车身或车架跳动。

(3)减振装置

减振装置主要是用来消耗振动能量，衰减振动。空气作为空气弹簧的工作介质，内摩擦极小，与板簧相比空气弹簧本身只有少量阻尼，所以空气悬架必须装有阻尼器，而且其阻尼要相应增加以达到迅速衰减振动的目的。但如果阻尼过大又会使反应迟钝并向车身传递过多的高频振动和冲击，所以减振器阻尼的匹配是否合理将影响悬架的性能。

(4)高度控制阀

高度控制阀是空气弹悬架系统的一个重要组成部分，其主要功能是：①随整车载荷变化保持合理的悬架行程；②高速时降低车身高度，保持车身稳定性，减少空气阻力；

⑨在起伏不平的路面上，可以提高车身高度从而提高了汽车的通过性，空气弹簧的优越性通过安装高度控制阀充分的显现出来。

(5)其它附属装置

空气弹簧以压缩空气作为介质，所以必须装有压气机以产生压缩空气，另外为了进一步提高空气弹簧的性能大部分空气悬架还装有辅助气室。现如今，随着科技的迅速发展，很多高档的客车、轿车以及商用车上已经成功的使用了电控空气悬架，这种悬架使用高度传感器和电子控制单元来控制空气弹簧的充气和排气，从而更加提高了空气悬架的控制精度和反应速度。但在功能好的同时也有其缺点：这种汽车悬架的结构更为复杂，而且成本非常高。

所以在国内应用的还不是很广泛，但是这是汽车悬架发展的必然趋势]3[。

2.1.2空气弹簧的类型

空气弹簧的结构可以设计成很多类型，根据压缩空气所用容器不同，可以将空气弹簧分为囊式、膜式两种形式。

(1)囊式空气弹簧

囊式空气弹簧是由夹有帘线的橡胶气囊、密闭在容器中的压缩气体所组成。气囊的内层用气密性好的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。根据橡胶气囊曲数不同可将其

分为单曲、双曲和多曲的囊式空气弹簧。气囊各段之间镶嵌有金属轮缘，用于承受气体的内压张力。囊式空气弹簧的有效面积变化率较大，刚度较大，振动频率也较高。所以对于囊式空气弹簧来说，适当的选择空气弹簧的有效面积变化率和辅助气室容积，可以有效地降低振动频率。随着段数的增加，空气的弹簧的刚度会变小。主要是由于气囊的变形可由各个曲部平均分担，因而曲段数越多，空气弹簧的有效直径变化率就会越小。

(2)膜式空气弹簧

膜式空气弹簧的构造是在金属外筒与内筒或缸筒与活塞之间放置橡皮膜，通过膜的变形实现整体伸缩。在外筒的内壁与内筒的外壁上预先给出适当的倾斜或曲面，据此橡皮膜伸缩时可沿该壁面发生变形，受压面积随变形而变化。这就可以获得在标准高度下很软，而在大位移时变硬的特性，即合适的非线性弹簧特性。膜式空气弹簧在国内外大客车上的应用日益广泛。因膜式空气弹簧有效直径变化较小，其刚度较低，自振频率较低．膜式空气弹簧的底座同时也是活塞，该空气弹簧的有效直径能通过改变活塞的外形从而得到改变。从而可以得到所需的弹性特性。许多膜式空气弹簧的底座还作为辅助气室以增加空气弹簧的总容积，改善空气弹簧的性能。这是提高空气弹簧系统隔振效果的

有效措施之一]4[。

2.1.3导向机构

导向传力机构是空气悬架的重要组成部件，要承受汽车的侧向力，纵向力及其力矩。因此要有一定的强度，布置的方式要合理。空气弹簧悬架中空气弹簧主要承受垂直载荷。如果导向机构布置的不合理则会给空气弹簧带来很大的负担，使其发生扭曲，摩擦等现象，恶化减震的效果，从而缩短了空气弹簧的寿命。

汽车空气悬架导向机构主要有以下几点作用：①在车架或车桥之间传递力矩。②是车桥或车轮按一定轨迹相对车身或车架跳动。这是空气悬架中导向机构的最重要的一个作用。

2.1.4高度控制阀

高度控制阀是空气悬架系统的重要组成部分，其作用是保证车辆在任何静载荷下与路面保持一定的高度，而且空气弹簧的优势也只有在采用了高度控制阀的情况下才能得到充分的体现。汽车空气悬架的高度控制阀一般分为机械式和电磁式，按其组成可分为带延时机构高度控制阀和不带延时机构高度控制阀-由于目前在国内空气悬架多采用机械式高度阀，因而在此针对带延时机构和不带延时机构的两种机械式高度阔进行简单介绍。延时机构由缓冲弹簧和油压减振器组成。其作用是：在车辆运行时的正常振动中，保证空气弹簧的高度虽有变化但不起进、排气作用，而当静载荷变化或以极低频率振动时，保证空气弹簧进行充、排气，以使在汽车正常的振动中高度阀的进、排气阀不会频繁地打开，从而减少压缩空气的浪费。在使用不带延时机构的高度阀时，车辆在运行过程中高度阀的进、排气阁不断地关闭，空气消耗量大，为此一般在空气通道上设置一节流孔，或在排气通道外加一长橡胶软管，以便限制空气流量，避免空气中的水分和灰尘堵塞小孔。

2.2 空气悬架系统的工作原理

在理想状态下，装有空气弹簧悬架的汽车通过压缩空气的压力能够随载荷和道路条件变化进行自动调节，不论满载还是空载整车高度几乎不会发生变化。可以大大提高乘

坐的舒适性。空气悬架的工作原理：空气压缩机供给储气筒压缩空气，储气筒上装有压力保护阀，当储气筒的压力超出设定压力时，压力保护阀会自动打开把过载压力卸掉。当车辆在平直路面上行驶时，高度阀的充气阀门和排气阀门均关闭，空气弹簧气囊内即不充气也不放气，车架高度保持不变。当车辆行驶在不平路面或转弯时，车轮产生跳动或转弯离心力都会使车架产生倾斜，连接在车架上的高度控制阀的控制杆就会转过一定的角度，当车辆载荷增加时，空气弹簧被压缩，车架整体下移，高度控制阀控制杆向上旋转，使控制阀的充气阀门打开，压缩空气经高度控制阀向气囊内充气，在气压的作用下，车架回升，高度控制阀的控制杆随之向下旋转，使控制阀的充气阀门的开度逐渐变小直至关闭，此时车架恢复到设定高度，即空气弹簧气囊回升到原来的高度；当车辆载荷下降时，空气弹簧气囊在其腔内压缩空气的作用下伸长，车架整体上移，高度控制阀控制杆向下旋转，使控制阀的放气阀门打开，压缩空气经高度控制阀向外界排出，车架下降，高度控制阀控制杆随之向上旋转，使控制阀的放气阀门的开度逐渐变小直至关闭，此时车架逐渐恢复到设定高度]5[。

3 悬架主要参数的确定

3.1 载货汽车的结构参数

为了满足舒适性及行驶平稳性的要求, 悬架要求全部采用空气弹簧。其前悬架采用四连杆机构空气悬架系统, 空气弹簧布置在桥的正上方, 其作为弹性元件承受全部垂直载荷。后悬架也全部采用空气悬架,空气弹簧布置在与桥连接的车架上方。

整车的主要尺寸参数有货车的外廓尺寸的长为11976mm ，宽为2395mm ，高为3750mm ，轴距1950+4550+1350mm ，前轮距：1950/1950，后轮距：1847/1847mm ，前悬为1400mm ，后悬为2726mm 。整车的主要质量参数有整车整备质量为12000kg ，额定载质量为16000kg ，最大总质量为28000kg ，前轴与中轴的轴距为1380mm ，中轴与后轴的轴距为3800mm ；车轮静力半径为540mm ，满载时整车重心高度为1800mm 。前轮定位参数有主销内倾角为3°±30′，主销后倾角为1°±30′，前轮外倾角为1°±30′，前轮前束为0mm-1mm 。

3.2 悬架静挠度

悬架静挠度c f 是指汽车满载静止时悬架上的载荷W F 与此时悬架刚度c 之比，即

c F f W c /=。

对于大多数汽车而言，其悬架质量分配系数2.1~8.0/2==ab y ρε，因而可以近似

地认为1=ε，即前、后桥上方车身部分的集中质量的垂直振动是相互独立的，并用偏频1n ，2n 表示各自的自由振动频率。偏频越小，则汽车的平顺性越好。采用钢板弹簧的载货汽车的偏频略高于轿车，前悬架约为1.3Hz ，后悬架则可能超过1.5Hz ，采用空气弹簧后，这一数值可以进一步降低，载货汽车为0.8-1.2Hz 。为了减小汽车的角振动，一般汽车前、后悬架偏频之比约为21/n n =0.85-0.95。

)2/(/111πm c n =；)2/(/222πm c n = （3-1）

1c ，2c 为前、后悬架的刚度（N/cm ）；1m ，2m 为前、后悬架的簧上质量（kg ）当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可以用下式表示

111/c g m f c =；222/c g m f c =

式中，g 为重力加速度，g=9810mm/2s 。

将1c f ，2c f 代人式（3-1）得到 11/

77.15c f n =；22/77.15c f n = （3-2）

式中1c f ， 2c f 的单位为mm 。

有式可知，悬架的静挠度c f 直接影响车身振动的偏频n 。因此，保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确的选取悬架的静挠度。

在选取前、后悬架的静挠度值1c f 和2c f 时，希望后悬架的静挠度2c f 比前悬架的静挠度1c f 小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角振动。理论分析证明：若汽车以较高车速驶过单个路障，1n /2n ＜1时的车身纵向角振动要比1n /2n ＞1时小，故推荐取2c f ＝（0.8～0.9）1c f 。考虑到货车的前、后轴荷的差别，推荐12)8.0~6.0(c c f f =。

用途不同的汽车，对平顺性要求不一样。以运送人为主的轿车对平顺性的要求最高，大客车次之，载货车更次之。对普通级以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求在1.00～

1.45Hz ，后悬架则要求在1.17～1.58Hz 。原则上轿车的级别越高，悬架的偏频越小。对高级轿车满载的情况，前悬架偏频要求在0.80～1.15Hz ，后悬架则要求在0.98～

1.30Hz 。货车满载时，前悬架偏频要求在1.50～

2.10Hz ，而后悬架则要求在1.70～

2.17Hz 。选定偏频以后，再利用式(3—2)即可计算出悬架的静挠度。

3.3 悬架动挠度

悬架的动挠度d f 是指从满载平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大形变。要求悬架应有足够的动挠度，防止破坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对货车，d f 取60-90mm 。

据汽车最新使用手册得，采用空气弹簧的载货汽车的偏频1n =0.9Hz ，2n =1Hz 。代人公式（3-2）得，1c f =307.0mm ，2c f =248.7mm 。本设计选取1d f =90mm ，2d f =60mm 。

3.4 悬架弹性特性

悬架受到的垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于车身位移厂(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。

悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形厂与所受垂直外力F之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，称为线性弹性特性，此时悬架刚度

为常数。当悬架变形f与所受垂直外力F之间不呈固定比例变化时，弹性特性如图3—

1所示。此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置(图中点8)附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好；距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大。这样可在有

f范围内，得到比线性悬架更多的动容量。悬架的动容量系指悬架从静载限的动挠度

d

荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功。悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。

空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架。轿车簧上质量在使用中虽然变化不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架。

钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的，而带有副簧的钢板弹簧、空气弹簧、油气弹簧等，均为刚度可变的非线性弹性特性悬架]6[。

图3—1 悬架弹性特性曲线

1—缓冲块复原点 2—复原行程缓冲块脱离支架 3—主弹簧弹性特性曲线 4—复原行程5—压缩行程 6—缓冲块压缩期悬架弹性特性曲线 7—缓冲块压缩时开始接触弹性支架 8—额定载荷

4 弹性元件的设计

空气悬架多应用于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有所应用。其弹性元件是由夹有帘线的橡胶囊或模和充入其内腔的压缩空气所组成的。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的比较柔软，因而空气悬架可以得到较低的固有频率，同时空气弹簧的变刚特性使得这一频率在较大的载荷变化范围内保持不变，从而提高了汽车的平顺性。空气悬架的另一个优点在于通过调节车身高度使得大客车的地板高度和载货汽车的货箱高度哦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、质量小以及噪音低等一些优点。

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当简单，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，适应于用作轿车悬架，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]7[。 以橡胶囊为主要元件的囊式空气弹簧，在用来承受内压张力的钢质腰环分割下来，气囊被分为不同节数，并据此分为单曲、双曲和多曲气囊三种，囊式空气弹簧结构比较简单，制造容易，因此成本低；又因为工作时橡胶膜的曲率变化小，所以使用寿命长。本次设计选取双曲空气弹簧。

图 4—1 双曲气囊空气弹簧

1—上盖 2—橡胶膜 3—腰环 4—底座

4.1 空气弹簧力学性能

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。

4.1.1空气弹簧刚度计算

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，用如下理论公式空气弹簧垂直刚度C 计算：

V

A P P n L A P C e i O e i 2)(++??= (4-1)

i P —橡胶气囊内压缩气体工作压力；

O P —标准大气压，取0.1MPa ；

e A —空气弹簧有效承压面积；

L —空气弹簧有效行程；

L

A e ??—气弹簧有效承压面积变化比； V-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，弹簧内气体状态变化视为绝热过程，n=1．3～1．4，本次设计选取n=1.380。

囊式空气弹簧的有效面积变化率对空气弹簧的固有频率的影响较大，当空气弹簧在等压的条件下，有效面积的变化率L A e ??=0，本次设计选取L

A e ??=0。 由式（4一l ）可知，空气弹簧的有效承压面积及其交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交化率较大，弹簧刚度较大。由于分担气囊形变的曲囊越多，气囊有效承面积变化率越小，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]8[。

1）前悬的空气弹簧刚度计算

前悬架有四个气囊、四个减震器、两个高度控制阀、两根横向推力杆和两根纵向推力杆构成的四连杆结构。根据GB/T13061-91对汽车的空气弹簧的规定，本次选取的弹簧型号为B7-380X390的囊式空气弹簧。

设前悬架非簧载质量按500kg 计算，前悬架每支空气弹簧的承受负载为

i G G i G G u s m 1111-==

式中：G 1为前悬轴载荷为6440kg ，i 为空气弹簧个数，1s G 为前悬簧载质量，1u G 为前悬非簧载质量。代入推出1m G 为1485kg ，每个空气弹簧受力为g G P m 11==14533N 。

n 为多变指数，此处选取为1.380；i P 为橡胶气囊内压缩气体工作压力，取e A P /1；O P 为标准大气压，取0.1MPa ；e A 为空气弹簧有效承压面积，在390mm 的设计高度上当载荷为14533N 时，弹簧内部压强为0.3Mpa ，计算e A =14533.5/0.3=4.85?1042mm ，V 为空气弹簧体积V=390×4.85×104=18.9×106mm 3；L

A e ??为有效面积的变化率，当空气弹簧在等压的条件下，

L

A e ??=0。将上述数据代入公式（4-1），经计算可得前悬空气弹簧刚度1C =68.7N/mm 。 2）后悬的空气弹簧刚度计算

后悬架有四个气囊、四个减震器、两个高度控制阀、两根横向推力杆和两根纵向推力杆构成的四连杆结构。根据GB/T 13061-91对汽车的空气弹簧的规定，本次选取的弹簧型号为B7-380X390的囊式空气弹簧。

j

G G j G G u s m 2222-== 式中：后悬轴载荷为2G =9800kg ，j 为空气弹簧个数，2s G 为后悬簧载质量，后悬非簧载质量2u G =1000kg 。代入推出2m G 为2200kg ，每个空气弹簧受力为2P =21560N 。

对于同一种空气弹簧，变指数、有效面积不变，有效面积的变化率仍然为零，橡胶气囊内压缩气体工作压力，取e A P /2，将参数代入式子（4-1）得到后悬空气弹簧刚度2C =94.4N/mm 。

4.1.2空气弹簧固有频率的计算

弹簧振动固有频率用0n 来表示，即

0n =

dx dD A g V ngA P P e e ro ro ?+?+121π （4-2）