汽车用空气弹簧垂向弹性特性分析与计算

1、机械2008年第8期 总第35卷 设计与研究 收稿日期：20080413基金项目：湖北省武汉市科技攻关重点项目（200710321089）汽车用空气弹簧垂向弹性特性分析与计算黄卫平，鲍卫宁（江汉大学 机电与建工学院，湖北 武汉 430056）摘要：空气悬架系统主要由空气弹簧、推力杆、高度控制阀、减振器和横向稳定杆等组成，空气弹簧是空气悬架系统的核心部件，空气弹簧具有理想的弹性特性，载荷越大弹簧刚度越大；空气弹簧自振频率低，通用性较好，能适应不同载荷和工作高度；空气悬架系统由于有良好舒适性在商用汽车上得到广泛应用。空气悬架设计时，合理选择空气弹簧结构型式，确定气囊的工作高度、承载能力，可获得极其

2、柔软的弹簧特性，空气弹簧垂向特性对于整车平顺性匹配有重要影响，本研究通过对空气弹簧弹性理论的分析，讨论了空气弹簧垂向刚度和自振频率的计算方法，旨在寻求空气弹簧与整车匹配的基本。以城市客车设计为例，探讨了空气弹簧载荷确定、空气弹簧型号选择、刚度匹配设计基本方法，并指出空气弹簧设计匹配注意基本问题。研究结果表明，合理匹配空气弹簧刚度，空气悬架可以获得良好综合特性。 关键词：空气弹簧；弹性特性；非线性；匹配设计中图分类号：U463.33+4.2 文献标识码：A 文章编号：10060316(200808000903The elastic characteristic computation of th

3、e automobile air springHUANG Wei-ping，BAO Wei-ning(School of Electromechanical & Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，China Abstract ：Introduced the automobile with the air spring structure and the principle of work and the elastic characteristic of air spring, the calculat

4、ion formulas for stiffness and natural frequency are derived, with the example of the match design of the city bus air suspension system, the analysis and match design is carried out, the suggestion about how to select air spring to match the automobile suspension is also given .Key words：air spring

5、；elasticity characteristic；non-linearity ；suspension design空气弹簧诞生于上世纪中期，早期主要用于机械设备隔振。1944年，通用和法尔斯通公司首次实现了在客车上的应用；1947年美国的普尔曼车上首次使用了空气弹簧的悬架系统；1951年，美国NEWAY 公司的独立总成成为世界上第一款批量应用的空气悬架系统，因通用性强，结构简单，成本较低而迅速占领北美市场。欧洲则遵循另外一条道路，各自开发适合自己车型的空气悬架系统。由于空气悬架具有良好的性能，使其在汽车悬架中的应用越来越广泛。目前，国外高级大客车几乎100%使用空气悬架；重型载货车上空气悬

6、架的占有率也达到了85%；大约80%的拖挂车使用空气悬架；空气悬架在轻型车辆上的应用目前虽然只占市场份额的10%，预测到2008年将达到40%；部分轿车也逐渐装备了空气弹簧悬架。1 汽车空气悬架结构空气悬架系统主要由空气弹簧组件、推力杆、高度控制阀、减振器和横向稳定杆等组成，如图1所示。它以空气弹簧为弹性元件，利用空气的可压缩性实现其弹性作用的。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，整车高度几乎没有变化，可以大大提高乘坐的舒适性。 设计与研究 机械2008年第8期 总第35卷2 空气弹簧及其橡胶囊的结构作为空气悬架系统的核心部件，空气弹簧由上盖、气囊和活塞组

7、成，气囊是由纺织物作为骨架增强层的弹性支撑承载部件，结构如图2所示。气囊帘布层一般为偶数层，汽车空气弹簧一般由互成一定角度的2层帘线组成。由于活塞形状影响空气弹簧的有效面积，从而直接影响空气弹簧的刚度特性，空气弹簧的活塞形状一般需根据性能进行设计。图1 汽车空气悬架结构图2 空气弹簧橡胶囊结构图空气弹簧有囊式和膜式两种，如图3所示。囊式空气弹簧是由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气所组成。囊式的内层用气密性的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。气囊的上下盖板将气囊密闭。空气弹簧的活塞形状一般根据性能进行设计，由于活塞形状影响空气弹簧的有效面积，从而直接影响空气弹簧的刚度特性。 （a ）囊式

8、 （b ）膜式图3 空气弹簧目前城市大客车空气悬架系统普遍采用膜片式空气弹簧。膜式空气弹簧弹性曲线非线性程度大，刚度特性好。囊式空气弹簧，寿命长，制造方便。目前为货车浮动桥空气悬挂系统广泛采用。3 承受垂直载荷时的弹性特性空气弹簧（简称气囊）是在一个密封的容器中充入压缩气体（气压为0.51MPa），利用气体的可压缩性实现其弹簧作用的。这种弹簧的刚度是可变的，作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体受压缩，气压升高，则弹簧的刚度增大。反之，当载荷减少时，弹簧内的气压下降，刚度减小。这样气囊就具有理想的弹性特性。空气弹簧上的载荷、内压（绝对气压），有效面积之间的关系为(1 P p A =

9、5;式中：P 为空气弹簧上的载荷，N ；p 为弹簧内压的绝对气压，N/mm2；A 为有效面积，mm 2；当载荷引起空气弹簧高度变化时，气囊的容积和内压也发生变化，其变化规律满足气体状态方程00mV p p V =式中：p 为任一位置时气囊内气体的绝对气压，N/mm2；V 为任一位置时气囊内的容积，mm 3；P 0为静平衡位置时气囊内气体的绝对气压，N/mm2；V 0为静平衡位置时气囊内的容积，mm 3；m 为多变指数。当汽车缓慢行驶或在实验室作静态实验时，气体状态的变化接近于等温过程，可取m =1；当汽车在环路上振动激烈时，气体状态的变化接近于绝热过程，此时可取m =1.4；在一般情况下，取m

10、 =1.33。空气弹簧的垂直刚度k 为00001d d d 1d d d mm m m V V P A V k p Amp X X X V V +=由于静平衡位置时，V =V 0、p =p 0，即可得到静平衡位置时的弹簧刚度为(00d d 1d d A Vk p Amp X X=横向稳定杆高度阀推力杆减震器气囊推力杆车架123451. 钢丝圈 2.内层橡胶 3.外层橡胶 4.第1层帘线 5.第2层帘线机械2008年第8期 总第35卷 设计与研究 由此可求出静平衡位置时的振动频率为0n = 式中：g 为重力加速度，mm/s2；n 0为振动频率，Hz 。 4 空气弹簧选配 WG6111EH 大客车

11、为江汉大学、东风扬子江汽车（武汉）有限责任公司、青岛锐德世达科技有限公司为适应现代城市客车需要，充分考虑乘坐舒适性和操纵稳定性而开发全空气悬架系统大客车，该空气悬架所有垂直载荷由空气弹簧承受。4.1 空气弹簧设计参数确定大客车的设计载客人数为72人，按照GB 1242890客车装载质量计算方法，每人按平均60 kg计算质量，考虑到城市公交运输时乘客携带少量行李和客车超载，载客总质量为6 t，整车准备质量为10.5 t，大客车最大质量为16.5 t，前后桥簧下质量为1.5 t，考虑到前后桥载荷分配的比例关系，前悬簧上载荷为5 t，后悬簧上载荷为11 t。每个气囊最大承载21.26 kN。由Con

12、titech 气囊负载曲线（图4）可以看出，644空气弹簧在7 bar时最大承载能力为29.5 kN，基本确定选用644空气弹簧。 图4气囊负载曲线4.2 空气弹簧刚度计算分析以前悬为例：取大气压P a =0.1 MPa，气囊高度X 0=260 mm，气囊容积V 0=13650 cm3，气囊有效面积20508.4 cme A =，气囊内相对压力0r p =0.42 MPa。空气弹簧刚度为000013d( d d d ( d d 16110N/mma n n a n n p p A K x V V A V p p Anp x xV V += =×悬架系统偏频为11.36Hz f = 4

13、.3 空气弹簧设计匹配注意问题空气弹簧匹配设计时，可根据悬架要求和承载能力选择适当的弹簧工作高度以及合适的弹簧刚度，以获车辆良好平顺性。对于相同尺寸的橡胶空气弹簧，改变其工作内压，可获得到不同的承载能力，承载能力大致与内压成正比，因此同一种橡胶空气弹簧可适应多种载荷要求。在设计确定空气弹簧的刚度时，也可以不影响汽车操纵稳定性前提下，尽可能选择较低的悬架高度刚度。由于空气弹簧刚度可以通过改变弹簧内压而加以改变，刚度与内压大致成正比，因此对于一个尺寸既定的橡胶空气弹簧，刚度是可变的，这样当载荷的改变时，自振频率几乎可以不变，这正是空气悬架优点所在。5 结论通过空气弹簧垂向弹性特性计算，可以看出，采用空气弹簧悬架偏频较低，具有良好振动特性。通过计算不同工作高度的刚度和自振频率可以发现，空气弹簧有良好准等频特性，刚度在工作高度附近，刚度变化小，在大载荷和较小载荷情况下，刚度较大，因