KLQ6129Q后空气悬架设计说明书.doc

BMR0509系列空气后悬架系统设计说明书悬架是连接车身和车轮之间一切传力装置的总称，主要由弹簧（如钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧、扭杆等）、减振器和导向机构三部分组成。当汽车在不同路面上行驶时，由于悬架系统实现了车身和车轮之间的弹性支承，有效地降低了车身与车轮的振动，从而改善了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。本文设计的是BMR0509系列空气后悬架系统。具体型式为：4气囊小H型臂4连杆非独立后驱动桥空气悬架结构，装有双向作用的液压筒式减震器、横向稳定杆、高度调节阀。可与公安、湖桥、东风桥、襄桥、东风杭汽桥等匹配。本论文对空气悬架的发展历史结构，组成和基本工作原理进行了综述，讨论了空气悬架的刚度特性，有效面积特性，频率特性以及其影响因素，提出空气，并且指出了空气悬架的关键技术和今后的发展动向。一、空气悬架发展历史30年代初，美国法尔斯通轮胎和橡胶公司第一次真正把空气弹簧用于汽车工业。哈维?法尔斯通在其好友亨利?福特一世和托马斯阿瓦?爱迪生的技术支持下，研制出了空气柱形式的空气弹簧悬架系统。于是在1934年就诞生了AIREDE空气弹簧。1938年，通用汽车公司对在其客车上安装空气弹簧悬架系统发生兴趣。他们与法尔斯通公司合作，于1944年进行了首轮试验。试验报告结果清楚地揭示了空气悬架系统的内在优越性。经过几年产品研制开发的大量工作之后，终于在1953年开始生产装有空气悬架的客车，这是商用汽车采用空气弹簧的开始。50年代中叶，固特异轮胎和橡胶公司研制出了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形关系曲线。由于有这些研究成果和技术发展，今天北美洲公路上行驶的几乎所有客车、绝大多数8级载货车和架车都采用了空气悬架系统。当然，空气悬架控制系统的巨大进步也为空气悬架弹簧的应用起了不小推动作用。随后不久，空气悬架很快在欧洲发展并盛行起来。但欧洲发展商用汽车空气悬架所走的道路与北美有些不一样。北美所走的路是福特-法尔斯通-爱迪生公司发展的延续。这些钢板弹簧悬架和空气悬架的专业厂家是作为汽车厂家的配套供货商。而在欧洲却是汽车厂家自己发展满足其特殊需要的悬架系统。只由一些零件厂家供应配套零件如空气弹簧和气动阀等。直到今天，欧洲一些汽车生产厂家都有他们自己的空气悬架设计，而只向一些零部件供应商外购零件。这种不同的发展道路使欧洲的空气悬架设计只适用于某些具体车型，并采用了一些复杂技术，因而使其成本较高。而北美发展的空气悬架系统通用性较强、应用较简单、成本较低。事实上，在过去的10年中，欧洲的不少汽车制造厂家如雷诺、依维柯、福莱纳、梅赛德斯等都发现美国设计的空气悬架系统较为简单，更适合用于他们在北美生产和使用的汽车。51年前，美国纽威?安柯洛克国际公司（Neway Anchorlok lnternational）成立时即作为一家架车悬架系统的生产厂家，为公路和非公路行驶的重型机车设计和制造钢板弹簧悬架系统。由于纽威在重型车辆市场上取得了成功，后来就向高速公路车辆悬架系统方向发展。35年前，纽威向市场上投放了世界上第一种实际应用的空气悬架系统。从此以后，纽威开发出一系列空气悬架产品，应用于世界各地的客车、载货车和架车。纽威提供的空气悬架产品约占北美和欧洲用于客车、载货车和架车市场的70。中国是最新的前沿阵地，正在把钢板弹簧更换为空气悬架弹簧。空气悬架发展的历史经验告诉我们，引入空气悬架的国家一般是首先将其用于客车，随后就向载货车和架车方向发展，中国也会有这样的发展过程。关键词： 悬架系统 客车 空气弹簧AbstractThe suspension is one of the important units on mordern automobile,it elastically connects the frame and the car axle.Its primary mission is transmits the function between the wheel and frame all strength and the moment of force,and relaxes by the level road surface does not pass to the frame the impact load,the weaken causes from this load bearing system vibration,guaranteed the automobile goes smoothly.This article suspension structure and working principle are explained,and the characteristics of air suspension and its contributory factors are analyzed in the paper.The key technology and developing trend of air suspension are discussed at the same time.This article designs is the BMR0509 bus rigid suspension fork.In which the main design is around the suspension fork air spring .This article was first introduced the bus suspension fork system,and choose the appropriate part , and what is the most important ,draw the picture.Key words: Suspension fork system Bus Air spring 二、空气悬架概述空气悬架系统一般由空气弹簧、减振器、导向结构，高度控制阀、空气弹簧辅助装置（如空气压缩机、单项阀、气路、贮气筒等）组成。如图所示，空气弹簧悬架系统主要由空气弹簧、空气弹簧悬架的减振阻尼器和高度控制阀系统三部分组成。其工作原理为：车体1和转向器2之间的空气弹簧4通过节流空5与附加空气室3沟通。用导管将附加空气室和高度控制阀8连接，高度控制阀固定在车体上，并通过杠杆6和拉杆7与转向架连接，空气经主风缸（贮气筒）引至高度控制阀。假定空气弹簧上的载荷增加，这时，车体将下降，并且高度控制阀的杠杆在拉杆的作用下按顺时针方向转动，因此与主风缸（贮气筒）连接的高度控制阀的进气阀被打开。这时，空气因压力差而开始流入附加空气室和空气弹簧，一直到车体升高到原来位置为止。于是杠杆恢复到原来的水平位置，并且高度控制阀的进气阀被关闭。假定空气弹簧上的载荷减少，这时车体将上升，而高度控制阀的杠杆按逆时针方向转动。通往大气的高度控制阀的排气阀被打开，空气从空气弹簧和附加空气室排出，一直到车体下降到原来的位置，并且排气阀被关闭。所以，在高度控制阀的作用下，空气弹簧的高度可以保持不变。如果阀中再设置一个油压减振器和一个缓冲弹簧，起时间滞后作用，则可以使高度控制阀对动载荷没有反应，只在静载荷变化时才起作用，这样，可以避免车辆在运行时空气的损耗。采用空气悬架是提高整车技术水平的关键技术之一，采用空气悬架，汽车的乘坐舒适性、使用性能可以得到很大的提高，从而汽车的其它技术水平也可以相应提高。国家在制定十五计划时明确强调要提高我国汽车制造水平，空气悬架必将得到广泛的应用和发展。随着我国加入WTO，中国汽车工业必将经受巨大的挑战和机遇，空气悬架汽车可以和外国同类汽车抗衡，增加国产汽车竞争力。随着汽车工业的发展，空气悬架必将显示出它强大的生命力。三空气弹簧悬架与机械弹簧悬架比较2.1.1空气弹簧悬架与机械弹簧悬架性能的比较空气弹簧与机械弹簧悬架的目的是一样的，都是为了保护车辆不受振动和路面冲击振动的影响。但是，机械弹簧悬架也可能加强振动，因为一些小的来自路面的跳动都可能引起共振。而空气弹簧消除振动的性能从而提高车辆的行驶平顺性-乘坐柔软性和舒适性是机械弹簧悬架系统所无法比拟的。机械弹簧悬架的吸振相差太大，在俯仰摆动时，机械弹簧悬架的减振效果更差，只有空气弹簧悬架的25%。目录 1. 绪论.41.1课题背景及来源 .4 1.2空气悬架的发展历史以及在我国的发展现状. 4 1.3论文概述42. 空气悬架系统结构方案设计5 2.1空气弹簧悬架与机械弹簧悬架比较5 2.2空气弹簧的种类及布置问题5 2.3高度控制阀 6 2.4反弹限位 8 2.5减振器 8 2.6导向机构的选择及布置.9 3 后空气悬架性能参数的选择.12 3.1影响平顺性的参数.12 3.2 影响操纵稳定性的因素.13 4. 计算说明 13 4.1设计参数 13 4.2空气弹簧的计算.13 4.3减振器的尺寸计算.15 4.4导向机构尺寸及跨距的选择.16 4.5侧倾刚度以及侧倾角的计算与校核.17 5 试验项目及国家标准18 5.1引用的国家标准.18 5.2对空气弹簧外观尺寸的要求.18 5.3试验项目及试验方法.18 6 结论.19 致谢20 参考文献21 附录22 1.绪论1.1课题背景及来源 金龙联合汽车工业（苏州）有限公司是我这次参加毕业实习的单位。为了适应市场和人们对乘坐舒适性和安全性要求越来越高的需要，金龙客车必须优化自己的产品，而开发空气悬架能够在很大程度上满足这些方面的要求。无论是从平顺性还是操纵稳定性方面讲，空气悬架较之机械弹簧的悬架都有着它独特的优势，目前，金龙正在大力加强空气悬架方面的研究，而我这次也有幸得到了KLQ6129Q大客车空气悬架研究小组的指导。1.2空气悬架的发展历史以及在我国的发展现状空气悬架诞生于19世纪中期，早期用于机械设备隔振。1947年，美国首先在普尔曼汽车上使用空气悬架，相继在意大利，英国，法国及日本等国家对空气悬架做了大量的应用研究工作。1957年，我过长春汽车研究所对汽车空气悬架也做了大量的研究工作，积累了一些经验，但是限于零部件制造水平，项目没有发展下去。到了2000年，宇通客车的设计团队对空气弹簧悬架做了很多的研究并最终应用于宇通客车上，至此之后，空气悬架在我国得到了迅速的发展，目前，国内很多客车都应用了空气悬架。空气悬架在我国的应用已经落后国外几十年，直到近几年随着高档客车制造技术引进和适应人们对舒适性要求的提高，空气悬架才开始逐步的发展起来。空气悬架应用相对较集中的国内客车企业有郑州宇通，苏州金龙，厦门金龙，扬州亚星等企业。目前国内汽车空气悬架在重型车上的应用处于起步阶段。1.3空气悬架概述 悬架是连接车身和车轮之间一切传力装置的总称，主要由空气弹簧，减振器和导向机构三部分组成。弹性元件用来传递垂直力，并和轮胎一起缓和路面不平引起的冲击和振动，减振器将振动迅速衰减。导向机构用来确定车轮相对于车架或车身的运动，传递除垂直力以外的各种力矩和力。 空气悬架具有许多优点，比如空气弹簧可以设计的比较柔软，可以得到较低的固有振动频率，同时空气弹簧的变刚度特性使得这一频率在较大的载荷变化范围内保持不变，从而提高汽车的行驶平顺性。空气悬架的另一个优点在于通过调节车身高度使大客车的地板高度随载荷的变化基本保持不变。正因为有这么许多的优点，使得空气悬架相对于其他悬架有着许多的优越性，因此在此以空气悬架做为研究的对象。2. 空气悬架系统结构方案设计2.1空气弹簧悬架与机械弹簧悬架比较2.1.1空气弹簧悬架与机械弹簧悬架性能的比较空气弹簧与机械弹簧悬架的目的是一样的，都是为了保护车辆不受振动和路面冲击振动的影响。但是，机械弹簧悬架也可能加强振动，因为一些小的来自路面的跳动都可能引起共振。而空气弹簧消除振动的性能从而提高车辆的行驶平顺性-乘坐柔软性和舒适性是机械弹簧悬架系统所无法比拟的。机械弹簧悬架的吸振相差太大，在俯仰摆动时，机械弹簧悬架的减振效果更差，只有空气弹簧悬架的25%。2.1.2空气弹簧的优点1.性能优点：由于空气弹簧可以设计得比较柔软，因而空气悬架可以得到较低的固有振动频率，同时空气弹簧的变刚度特性使得这一频率在较大的载荷变化范围内保持不变，从而提高了汽车的行驶平顺性。空气悬架的另一个优点在于通过调节车身高度使大客车的地板高度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。而这些都明显优越于机械弹簧悬架。2. 空气弹簧的刚性导向臂与车架支架用橡胶衬套相连接，在加速和刹车时，允许车桥有控制的运动，以减少桥壳应力，防止损坏。对于高扭矩/低转速发电机车辆而言，这是一个重要考虑因素。刹车时，车桥略向前和向下运动，保持轮胎贴近地面，缩短刹车距离刹车不跑偏，从而更安全。轮胎和刹车片寿命增加。3.系统简单，没有大的冲击载荷。2.2空气弹簧的种类及布置问题空气弹簧有三大类，包括囊式，膜式和复合式空气弹簧。2.2.1膜式空气弹簧的特点可以把它看成是囊式空气弹簧下盖板变成一个活塞而形成的。由于这种改变大大改善了空气弹簧的弹性特性，得到了比囊式空气弹簧更为理想的反“S”形弹簧特性曲线。可看出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空气弹簧小，因而就振动性能来说，膜式空气弹簧要比囊式空气弹簧优越的多。但是载荷不高。2.2.2囊式空气弹簧和复合式空气弹簧的特点： 囊式有可以分为圆形膜式和椭圆形膜式，还可以分为单节式，双节式和三节式，节数越多，弹簧显的越柔软。囊式较膜式寿命长，载荷高，制造方便，但刚度大。空气弹簧的刚度与弹簧的有效面积的变化率dF/dx有关，所以对于有效面积变化率较大的囊式空气弹簧来说，弹簧刚度较大，振动频率较高。复合式空气弹簧兼有膜式空气弹簧和囊式空气弹簧的优点，但是结构复杂，制作成本较高，在此选用囊式空气弹簧。2.2.3空气弹簧的选用及布置问题 由于大客车后轴载荷很大，所以我在这里选用囊式的空气弹簧，由于囊式弹簧的刚度较大，最好解决这方面的问题，有一个办法比较好，就是后轴采用两个c型梁支撑4个空气弹簧，可以有效的减低空气弹簧的刚度，并且，四个空气弹簧可以增加负荷，提高客车的性能。对于囊式空气弹簧振动频率高的问题，由空气弹簧频率计算公式可以看出，当空气弹簧的容积愈大时，其刚度愈低。因此，采用辅助气室能减小空气弹簧的刚度。在压力较高的情况下，增加辅助气室的容积对刚度的影响更明显。但这种影响将随容积的增加而减小。所以，对囊式空气弹簧来说，适当选择弹簧的有效面积变化率和辅助气室的容积，可得到较低的振动频率。所以可以选用囊式空气弹簧。 关于布置方面的问题， 对比各种布置方法和理论，可以知道，空气弹簧的中心距在考虑到车身及车架尺寸时可以做的越大越好，因为这样，可以提高汽车的抗侧倾性能，关于这方面的理论，在后面关于侧倾刚度的计算中可以有更加明确的解释2.3高度控制阀在大客车的空气悬架中，都装有高度控制阀。高度控制阀安装在车身上，根据车辆载荷，调节气囊气压以保持车身高度为一恒定指。 当车辆载荷增加时，装有高度控制阀的车身将下移，连接车桥和高度控制阀的摆杆转动，带动凸轮转轴转动，从而使活塞和顶杆上移，将排气关闭，进气门打开，。随着气囊内气压的上升，空气弹簧高度增加，车身也随之上升，进气门则因为摆杆的移动而关闭，此时高度控制阀处于一个平衡状态。当车辆载荷减少时，因气囊内多余的气压，使空气弹簧升高，从而车身也上升，因此，摆杆转动，带动凸轮转动，从而使活塞和顶杆下移，使排气门打开，进气门关闭，气囊中多余的气压排至大气。车身又回到正常水平，此时，顶杆又上移，将排气门关闭，高度阀又处于一个平衡状态。它的主要作用时：1)保证汽车高度不随汽车的载荷而变化，汽车高度可以调整，保持一定高度，便于乘客上下车。2)保持空气弹簧中的空气容积为一定值，从而保证在不同载荷下，得到大致相同的振动频率。3)当空气弹簧出现微量泄漏时，可由高度控制阀不断进行充气，以保证空气弹簧正常工作。 为了保证汽车的车身稳定的平置于悬架上，在后轴上布置两个高度控制阀 图1 高度阀控制原理图车身的升降是通过车身升降电控开关的控制，在二位三通电磁阀A、二位三通电磁阀B、单向阀和空气弹簧高度控制阀（以下称高度阀）的共同作用下空气弹簧内充气或排气而实现的。下面将各种状态及其调节过程中悬架的主要元件的工作状况介绍如下：1、 车身定高位置的自动调节：（1） A阀的气源口被打开，排气口被关闭。（2） B阀的气源口被关闭，排气口被打开。（3） 杠杆保持在水平状态。（4） 高度阀的充、排气阀均为关闭状态。（5） 空气弹簧中的压缩空气被高度阀封闭。车身载荷变化是原始定高位置的自动调节过程：当车载增加，车身相对下降（气囊被压缩）时，杠杆相对于高度阀向上回转，使高度阀的充气门打开，气源的高压空气经A阀和高度阀的气源阀门和充气阀门向气囊内充气，这时车身开始回升，杠杆随之向下回转，高度阀充气阀门的开度逐渐变小，直到重新关闭为止。此时车身恢复到定高位置（气囊回伸到原来高度）。空气弹簧的压缩空气重新被高度阀封闭。当车载减小，车身相对升高（气囊在其腔内压缩空气的作用下伸长）时，杠杆相对于高度阀向下回转，使高度阀的放气门打开，气源的压缩空气经高度阀的放气阀门和排气口排入大气，这时车身开始回降，杠杆随之向上回转，高度阀放气阀门的开度逐渐变小，直到重新关闭为止。此时车身恢复到定高位置（气囊回伸到原来高度）。空气弹簧的压缩空气重新被高度阀封闭。2、 车身由原高位置降至最低位置：a) A阀的气源口被关闭，排气口被打开。b) B阀保持气源口被关闭，排气口被打开。c) 杠杆由水平位置向上回转。d) 高度阀的气源阀门被关闭，充气阀门在杠杆作用下被逐渐打开，放气阀门保持关闭的状态。e) 空气弹簧被放气而缩短。气囊的放气和车身的降落过程：由于A阀的气源口被关闭，排气口被打开，所以气囊内的压缩空气通过单向阀沿充气管路经A阀的排气口排出，车身开始下降，使杠杆向上回转而逐渐打开高度阀的充气阀门，但是，因为A阀的气源口被关闭，使高度阀的气源阀门也相应关闭，所以此时高度阀的充气阀门并无气流通过，气囊中压缩空气仍有单向阀经A阀的排气口排出，直至气囊内的气压降到大气压力。这时车身降落在6个弹性限位块上，当限位块的变形回弹力与车重力达到平衡时，车身停止下降，此时即为车身的最低位置。3、身由最低位置直接升到最高位置：a) A阀的气源口被打开，排气口被关闭。b) B阀的气源口被打开，排气口被关闭。c) 杠杆由最高位置向下回转。d) 高度阀的气源阀门被打开，充气阀门打开到最大开度，放气阀门保持关闭的状态。e) 空气弹簧被充气而伸长升高。气囊的充气和车身升高过程： 由于B阀向高度阀的控制腔充气使高度阀的充气阀门打开到最大开度，此时由A阀气源来的高压空气从高度阀的气源阀门迅速向气囊充气，当气囊内达到一定气压时，车身开始回升。此时杠杆向下回转，在其作用下高度阀的充气阀门由最大开度逐渐变小，充气速度和车身的升速也随之变慢，当车身达到最高位置时，在杠杆的作用下，高度阀的充气阀门被关闭而停止向气囊充气，使车身停留在该高度，即车身的最高位置。4、车身由最高位置直接降到最低位置：a) A阀的气源口被关闭，排气口被打开。b) B阀气源口被关闭，排气口被打开。c) 杠杆由最低位置向上回转。d) 高度阀的气源阀门被关闭，充气阀门打开到最大开度。e) 空气弹簧被放气而被压缩。气囊的放气和车身的下降过程：由于A阀的气源被关闭，切断了向气囊充气的气源，而B阀的气源口被关闭，排气口被打开。车身升高时高度阀控制腔内的压缩空气由B阀的排气口排出，即第一路通过单向阀由充气管路经A阀的排气口排出，另一路经高度阀门的放气阀和排气口排出，车身迅速下降，杠杆则随之向上回转，在杠杆的作用下，高度阀的放气阀门逐渐变小，当车身降至定高位置时，高度阀的放气阀门被关闭，气囊内的压缩空气由第一路 继续向外排出，直至气囊内的气压降至大气压力，车身降落在弹性限位块上，当限位块的变形回弹力与车重力达到平衡时，车身停止下降，达到最低位置。5、 车身由最低位置升至定高位置，或由最高位置降至定高位置时，将A阀和B阀恢复到定高状态即可。 2.4反弹限位由于空气弹簧的反向刚度很小，如不采取反向限位措施，必然会出现以下几个问题：1)因为气囊的自由度有限，所以无止境的反弹，必然会出现脱囊（若无夹紧措施）或拉断气囊（有夹紧措施）的现象。2)因为减振器的自由长度及连接强度有限，所以无止境的反弹，必然会造成减振器的破坏。3)囊式气囊在反跳时的有效承压面积最小，泄压面积最大，所以，反弹行程过大易于引起气囊的爆破。考虑以上情况，在大客车的空气悬架系统中一般均装有钢丝绳反向限位装置。2.5减振器2.5.1减振器的分类减振器的功能是吸收悬架垂直振动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减。减振器大体上可以分为两类，即摩擦式减振器和液力式减振器。由于双筒式减振器运用很普遍，所以在这里我想主要讨论下双筒式减振器。2.5.2双筒式减振器的组成与工作原理双筒式液力减振器由活塞，活塞杆，工作缸筒，储油缸筒，底阀座，导向座，回流孔活塞杆，油封，防尘罩组成。在活塞以及底阀座上分别装有两个单向阀，且称之为1，2，3，4. 车轮向上跳动即悬架压缩时，活塞向下运动，油液经过阀2进入工作腔上腔，但是由于活塞杆占据了一部分体积，必须有部分油液 经过阀4进入补偿腔。当车轮向下跳动即悬架伸张时，活塞向上运动，工作腔中的压力升高，油液经阀1流入下腔，提供大部分伸张阻力，还有一部分油液经过活塞杆与导向座间的缝隙由回流孔进入补偿腔，同样由于活塞杆所占据的体积，当活塞向上运动时，必定有部分油液经阀3流入工作腔下腔。减振器工作过程中产生的热量靠储油钢筒散发，这样，减振器吸收振动的能量就转化为热能消散掉了。通常情况下，当减振器活塞相对于缸筒的运动速度达到0.1m/s时阀就开始打开，完全打开则需要运动速度达到数米每秒。 2.6导向机构的选择及布置2.6.1汽车空气悬架导向机构的种类及特点1.钢板弹簧导向机构钢板弹簧导向机构又分为纵置半椭圆钢板导向机构和四分之一的椭圆钢板弹簧导向机构等。这些导向机构。由于板簧刚度较大，不容易得到较低的振动频率，因此一般不用到它。2.纵向单臂式导向机构一些大客车前悬架采用这种导向机构，采用这种导向机构，当车轮上下跳动时主销后倾角变化较大，为减少主销后倾角变化，一般将纵向单臂做的较长，采用这种机构可减低汽车纵向倾复力矩中心的位置，增加悬架抵抗车身纵向倾斜的能力，但车身倾斜时，由于左右导向臂支点转动的角度不同，产生导向臂扭转车桥的趋势，这将在导向机构中产生较大的附加载荷。如图2所示。 图2 V形杆受力分析3.A形架导向机构 一些大客车的后悬架采用这种机构。可将A形架导向机构看成是纵向单臂式导向机构的一种特殊形式，将二根纵向单臂与车架连接处的铰链点合在一起，构成A形架，A形架可避免导向机构内的附加载荷，克服了纵向单臂式导向机构的缺点。A形架的另一优点是可使左右空气弹簧中心距较大，这将大大提高悬架的侧倾角刚度。但采用这种结构时，为增加摇臂长度以减少车桥运动中转动角度过大的问题，一般将A形架做的较大，这使得该机构尺寸和质量较大。如图3所示。 图3 A形架导向机构悬架4.四连杆式导向机构现在大部分大客车的空气悬架都采用这种机构。这种机构集成了以上机构的优点，下面的部分有更详细的阐述。2.6.2四连杆机构里上V形杆的布置问题1.关于V形杆夹角的选择（1）从上下受力均匀考虑 推力杆承受纵向力的频次比承受侧向力的频次要多，我们首先分析纵向受力情况，如图4， 图4 V形杆受力分析 设上下个杆均平行布置，距地面高度分别为a.b，作用在地面上的纵向力为T，则上下杆的杆向受力为F1=bT/(a-b),F2=aT/(a-b),多数情况下，布置成a=2b，则有F1T,F2=2T这里，为了使上，下杆受力均等，采用一根上杆，两根下杆，可以得到合理的结构受力。采用V型杆，由两根斜杆组成，令每根杆轴向受里为R，垂直方向受力为L1，并且水平方向每根杆受力为F1/2，夹角为。则R=F1/2cos（/2），如果要使上杆与下杆在承受纵向力时的杆向力均等，则令RF2/2F1=TCos（/2）0.5，所以/2=60,=120这说明采用120以下的夹角，在纵向力作用时，上杆受力不会大于下杆。（2）从承受侧向力时减轻上杆受力考虑令每杆水平方向的力为S，垂直方向的力为L/2，则R=L/2 sin（/2）,当120时，R0.577L为了保证上杆的侧倾投影杆长不能太短，以获得较好的车轴运动轨迹，不可能选太大，现有的V形杆多是49，57和76，这几种布置的杆向力分别为： 57时，R=1.05L =76时，R0.812L显然，夹角越大，V形杆在承受侧向力时杆向力越小，但承受纵向力时杆向力越大，若与下杆受力情况对比，V形杆有富裕的承载能力，所以夹角应尽可能选大些。2.关于V形杆固定端，活动端跨距的选择我在这里选用固定端跨距大，活动端小的倒八字结构。多数空气悬架采用这种结构。现代悬架推力杆绞接头主要采用橡胶寸套，沿杆向，垂直杆向，以及扭转都有一定的弹性，这种布置对车轴的偏转，侧移提供了较强的约束。2.6.3空气悬架总体布置方案目前空气悬架有着多种布置方案，如下图所示 图5 空气悬架系统布置方案经过以上的结构分析，我选择图8做为我本次毕业设计的结构方案，即将四个空气弹簧和四个减振器安装在两根c型梁上，这样做有利于在车宽范围内增加空气弹簧的簧距。然后将空气弹簧安装在车架两端延伸出来的四个支梁上，将c型梁安装在车桥上，然后通过导向机构将悬架，车桥和车架联系起来，构成以个整体。3.后空气悬架性能参数的选择3.1影响平顺性的参数3.1.1 后悬架的自激振动频率和挠度的选择1.悬架自激振动频率的选择汽车后悬架与其簧载质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车平顺性的主要参数之一，频率越小，表示平顺性越好。一般大客车后悬的偏频为1.2到1.8HZ，当采用空气弹簧时，要取得小一些，因为空气悬架平顺性要更好。在此选取为1.3HZ2.后空气悬架挠度的选择当悬挂质量分配系数为一时，汽车后桥上方车身部分的垂直振动频率n与其对应的悬架刚度c以及悬架质量m之间有以下关系n=(1/2)(c/m)=1/2(gc/G)由于悬架的静挠度f=mg/c，因此上式又可以表示为n=15.76/f由此可以看出，为了得到良好的平顺性，应当采用较软的悬架以减低偏频，但软的悬架在一定载荷下其变形也大，我们选择，对于大客车后悬架而言，静挠度取70到150mm，在这里取100mm，动挠度是静挠度的0.7到1倍，取动挠度为80mm。3.1.2大客车后空气悬架的弹性特性 悬架的弹性特性是指悬架在铅垂方向上所受的载荷F与变形f之间的关系曲线。当悬架变形与所受载荷成固定比例增长时，弹性特性成一直线，称为线性弹性特性。此时，悬架的刚度为常数，这种弹性特性的汽车，由于簧载质量的变化而引起簧载质量的变化，必然引起振动频率发生变化，导致平顺性变坏，因此，应采用刚度可变的非线性悬架。空气弹簧的悬架就是这种非线性悬架。3.1.3后空气悬架的垂直刚度与偏频的关系悬架的刚度C和偏频n的关系为n=1/2(gc/F)3.1.4悬架的相对阻尼比当汽车悬架仅有弹性元件，而无摩擦或者减振装置时，汽车悬挂质量的振动将会延续很长时间，因此，悬架中一定要有减振的阻尼力，对于选定的悬架刚度，只有恰当的选择阻尼力才能充分发挥悬架的缓冲减振作用。现代汽车悬架都有专门的减振装置，即减振器，对于一个 有线性阻尼减振器的悬架系统或弹簧质量阻尼系统，可用相对阻尼比来表示阻尼的大小或者振动衰减的快慢程度。大客车空气悬架后悬的相对阻尼比在0.25到0.35之间，在此选择0.33.2影响操纵稳定性的参数 影响操纵稳定性的因素有很多，包括稳态，瞬态转向特性及保持直线行驶的能力，悬架参数通过影响转向时的车轮载荷转移，车轮跳动或车身侧倾时车轮定位角的变化以及悬架与转向杆系的运动干涉和整体桥的轴转向等方面影响汽车的操纵稳定性， 在这里我主要考虑的是侧倾角以及侧倾角刚度的问题，在后面的计算中将会有详细的说明。首先我们先要连接侧倾中心的概念，侧倾中心为通过左右车轮中心的垂直断面上的一点，在该点向悬挂质量上施加一个横向作用的力不会引起悬架的侧倾变形。汽车的侧倾中心有许多确定的办法，但是还是要 靠实验得出具体的数值，在原始参数中，已经知道，前侧倾中心离地高度为517mm，后侧倾中心离地高度为842mm。 在汽车的设计中我们要减少侧倾角（通常在0.4g横向加速度下车身侧倾角应小于6度），一般希望侧倾中心高一些。另外，还有影响纵向稳定性的参数，汽车在制动或加速行驶时由于惯性作用会造成轴荷转移，并伴随后悬架的变形，表现为抬尾的效应，而作用与车轮上的制动力会减少或消除这种效应，称为抗垂尾效应，构成抗抬尾效应的因素有两个，第一是地面对轮胎的作用力，第二是摇摆中心的位置，都要恰当的选择。4.计算说明4.1设计参数1.轴距：L6150mm2.轮距：前B12046mm，后：B21826mm（轮胎规格11R22.5）3.车轮静力半径：Rc474mm4.满载时重心高度：hg1550mm5轴荷：（Kg）满载时，G1=6000Kg，G2=11500Kg，总重Ga=17500Kg6.悬架非簧载质量前：Gu1730Kg；后Gu21260Kg7.单边簧上负荷：P（GGu）9.8/2可计算得，后悬架单边簧上负荷为50176N，每个弹簧所承受负荷为25088N4.2空气弹簧的计算4.2.1空气弹簧参数的选择及计算根据总布置方案，车架结构尺寸，车桥结构尺寸确定空气悬架的布置方案。如果空间允许，空气弹簧的左右及前后中心距应尽量放大，提高横向稳定性。我们在这里设计的是后悬架，后悬架保证主减速器倾角与总布置要求一致，要确保在整个空气弹簧行程中无锐边接触弹性原件，空气弹簧周围空间的直径必须保证比空气探航悬架本身的最大外部直径多2英寸，也就是5.08cm，以允许由于错位而产生的直径正常变大或变形。 设计给出以1R12092型空气弹簧为本悬架选择的空气弹簧，根据此空气弹簧的动态特性表我们可以求出这个空气弹簧的设计高度，压力，弹簧比率，要求的空气弹簧压缩和伸长量，以及最大高度和最小高度限制。 表4-1 空气弹簧高度选择设计高度inch载荷Ib压力(PSIG)弹簧比率（Ib/in）固有频率HZ10.52000294241.433000435831.385000698301.286000839621.2570009510921.23由于我们在这里单个弹簧的设计载荷为25088Kg，约为55193.6Ib，显然是落在10.5inch约为260cm的设计高度范围内，选择设计高度为260mm。表4-2 空气弹簧型号选择型号设计高度最小高度限制最大高度限制要求的空气弹簧压缩后的高度要求的空气弹簧伸长后的高度1R12-09210.5inch7.721.15.0519.45由以上的动态特性表，列出空气弹簧在设计载荷时的固有频率，如果表中没有列出设计载荷下的结果，但设计载荷落在表中列出的某两个载荷之间，则应该对固有频率进行线性插值，现在设计载荷为2508.8Kg约为5519Ib，则（60005519）/（60005000）（1.25f）/（1.251.28）解得f1.264HZ，肯定是落在这个范围内的，符合要求。接下来要确定空气弹簧在设计载荷下的最大线形压力P，首先要查看下常压下载荷变形曲线过设计载荷5519Ib划一条水平线，过设计高度10.5划一条垂直线，两条线的交点压力即为确定的最大线压力，根据表中数据可得，此线压力的值需在69到83PSIG之间，同样我们可以通过线性插值来确定具体的线性压力的值。4.2.2空气弹簧刚度计算空气弹簧安装高度：260mm1. 空气弹簧负荷：PAP2/22. 空气弹簧相对内压：PrPA/A02，式中：A02为有效面积，取相对内压为0.4Mpa，可以算得有效面积的值为627cm23.空气弹簧刚度的计算空气弹簧的刚度为载荷对起垂直位移的导数，在充满气体的空气弹簧上作用外力P后，会引起弹簧的微小变形df，相应气体容积变化量dv，由于囊壁变形所做的功与外力所做的功相比可以忽略，因而外力做功Pdf等于气体受压力作的功（ppa）dV Pdf=(ppa)dV (1)弹簧内密封的空气满足气体状态方程 p/p0=(V/V0)的k次方 (2)定义弹簧的有效面积为A02dvdf (3)把3式与2式一并代入1式中，可以得到这样的式子 P(p-pa)A02=(p0Vk/Vi-pa)A02将上式对位移求导可得空气弹簧的刚度为C(dp/df)A02+(p-pa)dA02/df=(kp0V0k/Vk+1)A022+(p0Vk/Vk-pa)dA02/df（4）这表明空气弹簧的刚度由两部分组成，分别由气体体积的变化和有效面积的变化而引起。在设计时，都要考虑到这两方面的因素。在静平衡位置时，有p=p0,V=V0,我们知道，绝对压力等于相对内压加上标准压强的值，则有p0=p2r+pa,则有空气弹簧在静平衡时的刚度为Ck(p2r+pa)A022/V02+p2rdA/dx （5）式中，k为多变指数，当汽车载荷缓慢变化时，弹簧内空气状态的变化接近等温过程，可取k1，当汽车在行驶过程振动时，弹簧内空气状态的变化接近于绝热过程，可取k1.4，实际计算时，通常取k1.21.4，在此，我取k1.33A02627cm2为有效面积，直径为282mmdA/df为有效面积变化率，由于采用的是直筒的活塞，dA/df0n0= （6）可以求出V的值为16.4L，pa 为标准大气压。由此代入公式（5），可得出空气弹簧的刚度为1594N/cm。4.3减振器的尺寸计算1.减振器阻尼系数a的确定在性能参数选择一节里我们已经知道相对阻尼系数的概念，并选择相对阻尼系数b为0.3，若簧载质量为m，则有 a2b（Cm）1/2=24240 （7）2.最大卸荷力F0的确定为了减少传给车身的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振器应打开卸荷阀，此时活塞速度成为卸荷速度，vx一般为0.150.3m/s，取为0.25若伸张行程时的阻尼系数为a0 F0a0vx=24240*0.25=6060N （8）3.主要尺寸参数筒式减振器工作缸直径D可由最大卸荷力和缸内允许压力p来近似求得D4F0/p(1-h2)1/2 （9）式中，p为缸内最大允许压力，取3到4N/mm2H为缸筒直径与连杆直径之比，取为0.4到0.5储油缸直径Dc=(1.35-1.5)D,工作缸筒常由低碳无缝钢管制成，壁厚一般取1.5到2mm，这里取为2mm，储油筒壁厚也取2mm。代入数据，计算求得，D=47.93，圆整得，D=50mmD的尺寸确定后，参考国标QC/T491-1999选择CG型减振器，基长为120mm，储液筒最大外径D1为80mm，防尘罩最大外径D2为90mm，活塞行程选择160mm4.4导向机构尺寸及跨距的选择1.长度的确定确定推力杆的长度时，除了要考虑它对主销后倾角或传动轴夹角的影响外，另一个要考虑的因素是推力杆两端街头内橡胶衬套的扭转角 。由于客车会受到地面的影响会有颠簸，这样由于导向机构对车辆的约束作用使得导向机构会使得空气弹簧上升或者下降，为了避免空气弹簧过度拉升或者频繁撞击限位块，这样就要求对推力杆有一个长度限制，一般用经验公式或者在推力杆的安装位置画圆弧来算出推力杆长度，在这里我使用经验公式来计算长度。它与杆长的关系： L =l/ sina（横向推力杆初始布置的倾斜角为零）（10）式中，a为推力杆两端接头内橡胶衬套的扭转角，取为111度，l为空气弹簧的压缩、伸长行程绝对行程中的最大值，查4.2.1节的表可得l=8.95inch=22.733cm，计算得推力杆的长度为633mm2.截面尺寸的确定在汽车行使的过程中，导向机构受力主要有以下几个工况，即正常行使工况，紧急制动工况，加速行使工况，以及汽车以0.4g加速度转弯的工况。发动机驱动力为FtTtqigi0T/r,其中，Ttq为发动价转矩，ig,i0分别为主减速比以及变速比，r为车轮半径。这里的驱动力为最大驱动力。由图2以及相关内容可知，以V型杆为例，所受径向力R为RF1/2cos（/2），由此可以校核上面所得到的长度，以45号钢为例，符合要求。要得到截面尺寸，必须分析汽车以0.4g加速度转弯的工况，先来分析下在这种工况下整车受力情况，下面的图为汽车向左转行使的后视图。 图6 空气悬架受力分析汽车在横向加速度ay的作用下，悬挂质量侧倾角为，容易得到图中各力和力矩的大小为 Fu=muay Fs=msayMs=Fsd cos+Wsd sin 可以最终得到FTmuayHu/B+msayh/B+(msayd cos+msgd sin)/B其中，第二项的作用力就由悬架汇中的导向传力机构传递。4.5侧倾刚度以及侧倾角的计算于校核1.侧倾力臂 图7 侧倾力臂标注图 后悬架侧倾中心离地面高度h2=842mm已知簧载质心高度为Shg=(Ghg-GuRc)/(G-Gu)=（11500*1550-1260*505）/（11500-1260）=1679mm（11）其中，Rc为车轮静力半径，hg为满载时重心高度质心离前轴距离Ls=P2L/(P1+P2)=50176*6