汽车用空气悬架系统

汽车用空气悬架系统 1 空气悬架发展概述 空气弹簧诞生于19世纪中期,早期用于机械设备隔振。1947年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧，到目前为止，美国在重型载货车上空气悬架的占有率是85%，比1988年增长了54,;大约82%的拖挂车使用空气悬架，比10年前增长了15%，欧洲大约与之保持相同的增长速度。空气悬架在轻型货车上的应用目前虽然只占市场份额的5%，但已呈现出快速增长的趋势，火石公司(Firestone)预测到2003年，空气悬架在轻型车市场占有率将达到10%，2008年将达到40%。空气悬架在旅游车、长途客车及高速客车市场也占有极大的份额，到1994年，联邦德国生产的55种大、中型公共汽车中，已有38种使用了空气悬架，国外高级大客车几乎全部使用空气悬架;部分轿车也逐渐安装空气弹簧悬架，如Benz300SE和Benz600。 我国虽然从50年代就开始了对空气悬架的研究工作，但由于设计及制造等复杂因素的影响，一直未能得到推广应用。近年来，随着汽车技术的发展及国外空气悬架的引进，小部分国产高级旅游车开始采用国外购置的空气悬架，如沈阳飞机汽车制造厂、北方汽车制造厂、厦门金龙联合汽车公司、亚星客车集团公司、丹东汽车制造厂等生产的客车。 随着空气悬架应用的推广，对空气弹簧、导向机构及控制机构的研究也得到了重视。J. R. EVANS等人在1970年做了空气弹簧垂直特性实验，建立空气弹簧垂直动态特性模型;1994年做了空气弹簧的侧向特性实验，在大频率和大幅值情况下，测量了空气弹簧在不同载荷下的侧向力和变形。Katsuya Yoyofuku等通过研究振动频率和弹簧反应之间的关系，管道和气室对弹簧特性变化的影响。交通部重庆公路科学研究所的丁良旭对空气悬架的一些性能进行了探讨，拟合了空气弹簧的特性曲线。 Jon Bunne和Roger Jable研究了空气悬架对传动系统振动的影响。John Woodrooffe通过试验分别评价了重型货车空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架的路面附着性和行驶平顺性。 2 空气悬架系统的特性 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1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。 (4)空气弹簧制造工艺复杂，费用高。 2.2 空气悬架对整车性能的影响 (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。 (6)由于空气悬架刚度低，轮胎动载荷小，能够降低载重汽车对高速公路的破坏。 3 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。 3.1 空气弹簧的类型和特性 空气弹簧是橡胶、帘布结构的气囊，以空气为介质，利用空气具有压缩弹性的性质制成的弹簧，其刚度呈非线性变化，通常是当载荷加大时刚度也增大。由于空气弹簧的空气介质内摩擦极小，工作时几乎没有噪声，对于高频振动的吸收和隔音性能极好。 根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧分为囊式空气弹簧和膜式空气弹簧两种。图2中左边为囊式空气弹簧，右边为膜式空气弹簧。 图2 两种不同形式的空气弹簧 囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形，膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形。囊式空气弹簧寿命较长、制造方便、刚度较大，常用于载货汽车上，膜式空气弹簧尺寸较小，弹性特性曲线更理想，刚度较小，常用于轿车上。 3.2 导向机构 由于空气弹簧只能承受垂直载荷，所以在汽车空气悬架中必须设计导向机构来传递纵向力和侧向力，导向机构的设计在空气弹簧悬架设计中一个非常重要的 方面，如果设计得不合理，会增加空气弹簧的负担，甚至会发生扭曲、摩擦等现象，恶化减振效果，缩短弹簧的寿命。 导向机构的形式很多，各有利弊，在设计时要分局整车的布置和性能要求进行。 3.3 高度控制机构 车架高度控制机构包括一个高度传感器、控制机构和执行机构，其功能为: (1) 随车载变化保持合理的悬架行程; (2) 高速时降低车身，保持汽车稳定性，减少空气阻力; (3) 在起伏不平的路面情况下，提高车身高度以提高汽车通过性。 在空气弹簧悬架中，高度阀是用来控制空气弹簧内压的执行机构，高度阀固定在车架上，其进、排气口分别与储气筒和空气弹簧相接。当空气弹簧上的载荷增加时，弹簧被压缩，储气筒内的气体通过高度阀的进气口向气囊注入，气囊内气压增加，空气弹簧升高直至恢复到原来的位置，进气口关闭为止;当空气弹簧上的载荷减少，弹簧伸张，气体通过高度阀的排气口排出，直至空气弹簧下降到原来的位置，排气口关闭为止。所以在高度阀的作用下，空气弹簧的高度可以保持在平衡位置附近波动，从而保证车身不随载荷变化而变化。 图3 高度控制阀 3.4 减振器 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，所以空气悬架要安装减振器，以达到迅速衰减振动的目的 3.5 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。如果空气悬架导向机构有足够的侧倾角刚度时可以没有横向稳定器。 3.6 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。 4 汽车空气弹簧悬架基本理论 4.1 空气弹簧刚度特性 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,和容积,的关系 nPV,const (1) 指数,的选择取决于弹簧变形的速度，变形速度慢为等温过程，,=1;变形速度快为绝热过程，,=1. 4。空气弹簧的承载能力由下式得出 F,P,A (2) ie 刚度k可以通过空气弹簧承载F对弹簧行程S求导得出 2AA,F,eekPnPP,,，(，) (3) i0issV,, 所以空气弹簧的刚度由有效面积A、工作压力P和工作时的容积V决定。ei 在工作压力已知的情况下，减少有效面积的变化率，增大空气弹簧的容积，可以减小其刚度。 在实际工程中是用试验的方法来测定空气弹簧刚度，通过测定在不同压力下空气弹簧载荷F和位移、的关系，得出一组空气弹簧刚度特性曲线，该曲线纵坐 标为载荷，横坐标为空气弹簧高度(位移)，曲线的的斜率就是空气弹簧刚度。 4.2 空气弹簧有效面积特性 ,AeP表示有效面积A变化率对空气弹簧刚度的贡献，由于空气弹簧气囊ei,s 是一个弹性体，一般情况下在空气弹簧变形时有效面积A不是固定不变的，不e 同结构形式的空气弹簧，有效面积A的变化是不同的，通常由生产厂家的给出e 有效面积变化曲线。。 图4 空气弹簧有效面积变化曲线 4.3 空气弹簧固有频率 我们在设计汽车时希望保持弹簧固有频率不变，虽然空气悬架的固有频率是变化的，即不是等频悬架，是随着空气弹簧内部气体有效压力的变化而变化的，但变化幅度很小.例如对于ContiTECH公司975 N空气弹簧，当载荷为9.5 kN时， -1空气弹簧内部气体压力为0.5 MPa，空气弹簧刚度为86 100 Nm，固有频率为 -11. 5 HZ;而当载荷为17.3kN时，气体压力为0. 9 MPa，刚度为144 500 N m，固有频率为1.44.可以看出载荷变化82%，而固有频率只变化4%左右，变化很小，因此将其称之为准等频悬架。作为对比，如果采用钢板弹簧按最大载荷17.3 kN - 1设计，保持固有频率为1. 44 Hz不变，钢板弹簧的刚度应为144 500 N m，而在载荷为9.5 kN时，固有频率则为1.94 Hz，固有频率的变化幅度高达30%. 5 空气弹簧悬架发展的关键技术 随着人民生活水平的提高，对乘坐汽车舒适性的要求越来越高，特别是对汽车高速行驶时的平顺性和操纵稳定性的要求越来越高，随着高速公路的迅速发展，空气弹簧悬架在汽车上的应用必将得到推广。另外随着对汽车对路面破坏机理的认识的进一步加深和政府对高速公路养护的进一步重视，也必将进一步推动空气悬架在汽车上的应用，例如新近推出的交通部标准《营运客车类型划分及等级评定》及其2002年修订稿都明确提出高一、高二、高三级客车的悬架必须采用空气悬架，目前空气悬架研究的重点和难点为: (1)空气悬架的匹配技术:由于空气悬架对整车的平顺性、操纵稳定性和制动安全性有很大的影响，所以空气悬架与整车的匹配是目前研究的重点。目标是建立空气悬架的非线性动力学特性模型以及精确的空气悬架汽车计算机模型，通过计算机仿真，得到空气悬架的动态特性和影响空气悬架汽车平顺性、操纵稳定性和制动稳定性的主要参数并确定调整原则，最终从理论上解决空气悬架及其与整车的匹配设计问题。 因为空气弹簧的刚度特性是一组非线性弹性特性曲线，研究这一类刚度非线性系统的振动传递规律是空气悬架匹配的关键。研究的重点是空气弹簧动力学模型的建立。在模型建立过程中需要考虑到以下非线性问题: ?材料非线性:空气弹簧胶囊和橡胶堆主要是由橡胶制成，并且胶囊中含有轴向刚度较大的帘线层,这就需要采用非线性特性材料来描述; ?几何非线性:空气弹簧在运用中的变形量较大，这就使得传统有限元计算的小变形理论就不再适用，必须采用大变形理论对其进行描述; ?边界非线性:因高度控制阀的作用，车身高度基本上不随载荷的变化而变，所以必须对边界条件进行特殊处理，采用边界非线性对其进行描述; ?内压变化大:由于空气弹簧装置在运用中是通过胶囊内部气体压力的不断改变来实现支撑力与载荷的动态平衡。其内部压力变化较大，所以必须应用流体力学对其进行描述。 综上所述，空气弹簧动态特性的模型是包括固体力学中所有类型非线性及固体—流体耦合的复杂模型，所以就要求必须选择一种能够很好的处理各类非线性问题的有限元软件和理想的有限元模型来进行计算分析。 空气弹簧的模型建立研究就目前的情况来看，尚有不少技术问题需要解决。 理论上，由于空气弹簧的胶囊由交叉的多层帘布线和内外橡胶层组成，具有各向异性的非线性特性。同时由于空气弹簧在工作载荷下变形很大，应用小变形的线性理论分析已难以求解，而如果考虑空气弹簧金属盖板的影响则涉及更复杂的非线性接触问题，从而使空气弹簧的刚度特性的理论分析具有较大的难度。目前应用经验对新型空气弹簧的设计可靠性有待探讨，其特性数据主要靠实物试验获得，从而给空气弹簧的设计带来了较大的难度。目前还不能够为空气弹簧设计提供一个有力的理论依据。所以，对空气弹簧进行有限元模型建立研究大有工作可作。 (2)空气悬架系统的控制技术:空气悬架的控制包括空气弹簧的刚度控制、车身高度控制、车身姿态控制等多方面。空气悬架在结构上保证了控制的方便性，因此控制算法、控制系统的结构(包括控制硬件)应是研究的关键。今后电子控制式空气悬架将成为空气悬架发展的必然趋势。 为什么要发展半主动和主动式空气悬架, 衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的，往往不能同时满足。怎样在二者之间取得合理的平衡以达到最好的效果，一直是工程师们的研究课题。 平顺性一般通过车体或车身某个部位(如车底板、驾驶员座椅处)的加速度响应来评价，操纵稳定性则可以通过车轮的动载来度量。例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减少使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加。由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响;另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感，使平顺性降低。所以，理想的悬架应该在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。 但是普遍使用的被动悬架不可能达到设计师们的理想要求。被动悬架因为具有确定的悬架刚度和阻尼系数，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理想境界。因此出现了悬架刚度和阻尼系数 可调的主动悬架系统。 (3)减振器模型建立: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，所以空气悬架的减振器阻尼就要相应增加，以达到迅速衰减振动的目的。但如果减振器阻尼过大，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，进而影响到整车的性能。 (4)空气悬架导向机构的设计:由于空气弹簧只能够传递垂直载荷，在空气悬架当中必须设置导向杆系来传递纵向力和侧向力，而导向机构对汽车稳定性的影响较大。空气悬架系统中的导向杆系通常会形成过约束，在车轮跳动过程当中在导向杆内产生超静力，导向杆系的设计必须使这种超静定力尽可能地小。导向杆系的设计还涉及到车轮定位参数的变化，传动轴角度的变化，与转向系干涉的问题。另外导向杆系的设计与汽车纵倾中心、侧倾中心也有密切关系。最终会影响到汽车的平顺性、操纵稳定性和制动稳定性等性能参数，因此要综合考虑以上因素，建立精确的导向机构模型。