空气悬架系统设计

1、优秀完整毕业设计资料，欢迎下载借鉴！摘 要本论文根据有关汽车模型简化的理论，在现有的四分之一模拟悬架机械装置的基础上，用空气弹簧代替普通螺旋弹簧设计空气悬架试验台系统。本试验台实现的是悬架的刚度可调。设计一个副气室，通过一个步进电机控 制主、副气室间通路的大小来实现空气弹簧刚度的调节。本试验台由空气压缩机、滤清器、安全阀、空气弹簧、减振器和其它的相关部件组成机械振动系统，由传 感器、ECU 和执行元件组成测控系统，利用传感器采集信号，通过计算机处理， 控制高度阀和步进电机，从而使簧上质量的高度和振动频率都在一定的范围之内。本论文首先进行了弹簧的选用并计算以及减振器、传感器、气动元件和步进电机

2、的选用，然后是设计台架总体结构，布置信号采集装置以及校核重要零件，最后 是画出总成的装配图、重要零件的零件图。关键词：汽车振动；空气弹簧；可控空气悬架；悬架试验台杭州电子科技大学本科毕业设计AbstractThe thesis according to the theory which simplifies about the model of vehicle, on the base of a quarter car simulation suspension mechanism rig, the ordinary helical spring is replaced by an air s

3、pring, and the air suspension testing rig have been designed.The test rig put the suspension rigidity adjustmentinto practice. Designs an accessory airspace, controls the pipeline size between the main and the accessory airspace with the stepper motor and realizes the air spring variable stiffness.

4、The mechanical vibrating systemof the test rig is composed of the air compressor、the filter、the safety valve 、the air spring 、the shock absorber and other related parts, the measure and control system is composed of the sensor、ECU and the performance element. Using the sensor gathers signal, then th

5、e ECU analyses and controls the height valve and the stepper motor to make the height and the vibration frequency of the objects on the air spring in certain scope. The thesis has first carried on spring selection and calculates aswell as the shock absorber, the sensor, the air operated partand the

6、stepper motor selection, then designs the test rig structure, arranges signal gathering equipment and examine the important components, finally draws the assembly drawing and the detail drawings of the important parts.Key Words: Automobile vibration, Air spring, Controllable air suspension, The susp

7、ension test rig目 录前 言4第一章 绪论5第二章 汽车振动的简化及分析10第三章 空气悬架系统元件概述14第四章 信号采集、控制元件的选择21第五章 机械元件的设计、校核25前 言悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来，主要功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩， 并且缓和由不平路面传给车架(或车身)的冲击载荷，削弱由此引起的承载系统的振动，以保证汽车平顺的行驶。悬架对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性、通过性等多种使用性能都有很大的影响，悬架系统的优劣直接影响整车的使用性能的高低。一套设计成熟的悬架系统一股都是长时间积累的结

8、果，不会轻易改动，采用平台化开发战略开发的系列车型，其底盘中悬絮系统的变化是非常有限的，所要做工作通常只是重新匹配前后悬架系统刚度和阻尼，所以悬架系统的设计一直是汽车设计人员在产品研发中十分关注的重要问题之一。空气悬架车辆利用空气弹簧及其工作过程中的变刚度特点，不仅能提高车辆的行驶平顺性和几何通过性等性能，而且能显著降低车身零部件、乘员或货物所受的冲击载荷。所以，有越来越多的车辆装备空气悬架，这种趋势在大型商用车(如高档客车)领域反映更明显。因此，研究客车空气悬架的性能十分有意义。第一章 绪论1.1 空气悬架结构与分类空气悬架系统主要由导向机构、空气弹簧、减振器、高度控制阀、横向稳定器、空气压

9、缩机、油水分离器、调压阀、储气罐、储气筒、空气滤清器、车身高度控制阀、控制连杆、连接管路、缓冲限位块和橡胶衬套等部分组成，如图1-1图 1-1 空气悬架在整车上的布置简图1. 空气压缩机2. 油水分离器3. 调压阀4. 储气筒5、10 空气滤清器6. 车身高度控制阀7. 控制连杆8. 空气弹簧9. 储气罐图 1-2,1-3 分别为客车空气悬架的前悬和后悬。图 1-2 前悬图 1-3 后悬空气悬架按具体结构可分为以下三种：全长钢板弹簧并用式空气悬架、钢板弹簧后端式空气悬架、平行杆式空气悬架，分别如图 1-4,1-5,1-6 所示。图 1-4 全长钢板弹簧并用式图 1-5 钢板弹簧后端式图 1-6

10、 平行杆式空气悬架还可按进气的控制方式分为机械控制式和电子控制式两种。空气悬架因为空气弹簧具有非线性刚度特性，因此可以得到较低的固有振动频率，保证了汽车良好的行驶平顺性；而且空气悬架质量轻、弹簧刚度低，可以提高轮胎的附着能力，缩短制动距离，提高了整车的操纵稳定性；相对板簧结构而言，空气悬架车体平稳，从空载到满载的整个范围内都能有效隔断路面传递的振动，具有防震、防噪声等功能；但空气弹簧结构复杂，制造成本高；空气弹簧尺寸大，布置困难；密封环节多，密封困难。1.2 空气弹簧悬架国内外发展历史和现状空气悬架系统(AIRMATIC)是流行于当今发达国家汽车行业的先进产品。在发达国家，100%的中型以上客

11、车都用了空气悬架系统，40%以上的卡车、挂车和牵引车用了空气悬架系统。其最大的优点是：不仅可以提高乘员的乘坐舒适性，而且可以对道路起到保护作用。在平坦路面上，可降低车身高度，使空气阻力系数为最佳值，从而减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速；在崎岖不平的路面上，可提高车身高度以通过障碍物12。3空气弹簧诞生于十九世纪中期，在 Gharies Goodyear 发明了橡胶硫化技术 3 年以后，1847 年，John Lewis 发明了空气弹簧。就在 Lewis 发明空气弹簧的同一年，美国科学创刊号上就提出了“ride on air”的概念。此后IWHoagIand，William RFee 和

12、 George MAlsop 等人为了解决空气弹簧的密封性问题，分别对空气弹簧进行了研究和改进设计6-8。空气弹簧早期用于机械设备的隔振4，最早用作车辆的悬架元件的专利出现在 1901 年，被用怍有轨电车悬架的减振元件。1908 年，George Bancroft 首次申报了将空气弹簧用在汽车悬架上的专利(1910 年获得授权)。第一个装备空气悬架的汽车产品出现在 1914 年(该车装备的空气弹簧实质上是一个油气弹簧)，是由发明家、企业家George Westinghouse 设计制造的。20 世纪 30 年代初，美国凡世通轮胎公司首次把空气弹簧应用于汽车工业。哈维²凡世通（ Har

13、vey Firestone）在亨利²福特一世（Henry Ford I）和托马斯²阿瓦²爱迪生（Thomas Alva Edison） 的技术支持下，在 1934 年研制出了柱式空气弹簧悬架系统AIREDE 空气弹簧。1944 年通用汽车公司与凡世通公司合作，在其客车上进行了首轮试验。试验结果显示了空气悬架系统的内在优越性。通用汽车公司经过大量的产品研制开发工作， 1953 年开始试生产装有空气悬架的客车，这是商用汽车采用空气弹簧悬架的开始。20 世纪 50 年代中叶，固特异轮胎公司研制出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化关

14、系曲线。随后不久，空气悬架技术在欧洲也得到很快发展，但欧洲的发展道路和北美有些不同。欧洲的汽车生产厂商并未将空气悬架变成单独总成，而是各自开发满足其独特车型需要的空气悬架。这种不同的发展道路使欧洲的空气悬架设计只适用于某种具体车型，并采用一些复杂技术，因而其成本较高。而北美的空气悬架通用性较强，应用较简单，成本较低。目前国外在高级大客车上几乎全部使用了空气悬架，重型载货车使用空气悬架的比例也已达 80%以上，空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升，部分轿车也逐渐开始安装空气悬架，如美国的林肯、德国的 Benz300SE 和 Benz600 等。在一些特种车辆（如对防震要求较高的仪表车、救护车

15、、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等）上，空气悬架几乎为唯一选择。国外汽车空气悬架的发展经历了“钢板弹簧-气囊复合式悬架被动全空气悬架主动全空气悬架（即 ECAS 电控空气悬架系统）”的变化。ECAS 应用了电子控制系统，使汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制，并增加了许多辅助功能（如故障诊断功能等），目前在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用，可以预见，ECAS 在汽车上的应用将越来越普及。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的引进以及人们对舒适性要求的提高，加上国家对客车等级划分的标准要求， 空气悬架才开始逐步应用起来。目前空气悬架主

16、要集中应用在高等级客车上，但 是受多方面因素的制约，空气悬架的配置率还很低，基本上还属于“导入”阶段。据掌握的不完全资料，国内部分数量相对较大的应用主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、扬州亚星、一汽客底、东风杭汽等规模较大的主要客车及底盘厂家。20022004 年的大致情况：郑州宇通有部分自主开发的产品，主要选配Newway 及ReycoReyco 的空气悬架；扬州亚星主要选用 Neway 及Reyco 的空气悬架； 东风杭汽近两年先后采用 Neway 和科曼的空气悬架；一汽客底主要选用 Neway 或Reyco 的空气悬架；厦门金龙、苏州金龙一边选用Neway、科曼或其他国外公司的产品，

17、一边在进行自主开发。此外，国内其它一些客车厂家也都是少批量、以选装国外空气悬架产品为主。目前汽车空气悬架在载重货车的应用国内尚处于起步阶段。以空气弹簧悬架取代传统的钢板弹簧悬架，既是必然趋势5， 也是现实的客观要求。目前，摆在国内商用车厂商面前的形势是：谁先掌握了汽车空气悬架的开发技术 ，谁领先开发出配置空气悬架的成熟车型，谁就掌握了今后若干年内商用车市场的先机和主动。因此，对于我国汽车业界而言，空气悬架项目不仅仅是一个难得的商机，更重要的意义在于空气悬架的广泛应用可以较快提升我国商用车的档次、技术水平和市场竞争力，缩短与国外商用车的技术、等级差距，巩固和扩大国产商用车的市场份额。目前，我国在

18、汽车悬架系统方面，除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟 以外，其它悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进、仿制或直接购买产品阶段。悬架产品的设计开发滞后，一方面表现在设计手段落后，计算机应力分析、动态 仿真在企业中应用还较少；另一方面没有建立一套完善的设计评价体系。在美国， 由于空气悬架的普遍应用，已经成就了一批专门从事空气悬架设计、制造的悬架 专业公司。我国交通行业标准营运客车类型划分及等级评定已经规定，高级 大、中型客车要采用空气悬架，但既没有一家整车厂能独立设计出空气悬架并成 功地应用于整车，也没有一家悬架专业公司能够设计出并向市场提供成熟的空气 悬架产品。虽然我国加入 WTO 之后，汽车

19、及零部件产业会全面融入全球经济一体化，汽车行业可以实现全球采购，但是不能拥有悬架设计和制造的关键技术，整 车的市场竞争力肯定会削弱。1.3 本论文研究的目的、内容和意义随着我国公路运输业的发展，人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性提出更高 的要求。在传统的被动悬架中各参数一经确定就无法改变，从而限制了汽车性能 的进一步提高。阻尼或刚度参数可调节的半主动悬架，可以根据汽车的行驶状态 和道路激励大小自动调节悬架参数，使其始终保持在最优设定状态，提高了汽车 行驶平顺性和操纵稳定性，空气弹簧悬架具有自振频率低、弹簧刚度可调、振动 及噪声小、使用寿命长等特点，推广使用空气弹簧悬架可以有效地解决上述问题。目前

20、，国内外对半主动空气弹簧悬架已经进行了一些研究，尤其是在空气弹簧悬 架设计和空气弹簧悬架控制及整车匹配技术方面做了大量开创性的工作。但是，对于空气弹簧悬架的研究必须从实验室开始，实验室研究又必须以试验台为基础。至于试验台的研究设计目前国内也就只有几所大专院校正在进行，有些还仅限于 仿真阶段，或者进行某个部件的试验研究，基本上没有详细、全面的科研成果。本试验台系统方案的设计就是为了能够更好的设计出符合研究和试验使用的试验台而进行的。通过对空气悬架系统的各种元件进行正确的选型和论证，构造出符合研究和试验使用的试验台就是本论文的目的和内容。研究用试验台一旦成功设计制造出来，它将最大可能的模拟车辆悬架

21、系统的真实的工作情况，试验出来的准确数据将是实际车辆悬架系统设计、生产和制造的直接参考依据，试验数据的正确与否将关系到实际车辆悬架系统设计、生产和制造流程的周期与成本。因此，本论文所研究的关于汽车空气悬架试验系统方案设计整个悬架系统设计、生产和制造流程中最为关键，也最为重要的第一步。第二章 汽车振动的简化及分析2.1 振动的简化汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行简化。图 2.1 为一个把汽车车身质量看作刚体的立体模型。汽车的悬挂质量为m 2 ，它是由车身、车架及其上的总成所构成。该质量绕通过质心的横轴 y 的转动惯量为 Iy，悬挂质量通过减振器和悬架与车轴、车轮相连接。车轮、车轴

22、构成的非悬挂质量为 m1。车轮在经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支撑在不平的路面上。在讨论平顺性时，这一立体模型的车身质量主要考虑垂直、俯仰、侧倾3 个自由度，4 个车轮质量有 4 个垂直自由度,共 7 个自由度。图 2.1 四轮汽车的简化的立体模型图 2.2 双轴汽车简化的平面模型当汽车对称于其纵轴线且左右车辙的不平度函数 x(I)=y(I)，此时车身只有垂直振动 Z 和俯仰振动 ，这两个自由度的振动对平顺性的影响很大。图 2.2 为汽车简化成 4 个自由度的平面模型。在这个模型中，又因轮胎阻尼较小而可以忽略不计，同时把质量m 2 ，转动惯量I的车身按动力学等效的条件分解为前轴上、后y轴上及质心

23、 C 上的 3 个集中m2 f、m、m2r2c。这 3 个质量由无质量的刚性杆连接，它们的大小由下述 3 个条件决定：1) 总质量保持不变 m2 f+ m+ m2r2c= m ²²²²²²²²²²²²² (1)22) 质心位置保持不变 m2 fa - m2rb = 0 ²²²²²²²²²²²²²²²(2)3) 转动惯量

24、的值保持不变 I= m r2 = ma2 + mb2 ²²²²²²²² (3)y2y2 f2r式中ry为绕横轴 y 的回转半径；a、b 为车身质量部分的质心至前、后轴的距离。由式(1)、(2)和(3)得出 3 个集中质量分别为：r 2m= myr 2ym= mym= m(1- r 2 )2 f2 aL式中的 L 为轴距。2r2 bL2c2ab通常，令 = r 2 / ab ，并称其为悬挂质量分配系数。由上面3 个式子可以看出y当 =1 时，联系质量m2c=0。根据统计，大部分汽车的 =0.81.2，即接近于1。在

25、=1 的情况下，前后轴上方车身部分的集中质量m、m的垂直方向运动是2 f2r相互独立的。在此的情况下，当前轮遇到路面不平度而引起振动时，质量m运动2 f而质量 m不运动；反之也是这样；因此，在这种特殊情况下，可以分别讨论图2 r2.2 上 m 2 f 和前轮轴以及 m 2r 和后轮轴所构成的两个双质量系统的振动。2.2 车身与车轮双质量系统的振动分析图 2-3 两自由度 1/4 车辆模型振动系统对于图2.2所示的双轴汽车四个自由度的振动模型，当悬挂质量分配系数 = r 2 / ab 的数值接近1时，前后悬挂系统的垂直振动几乎是独立的。于是可以简y化为图2.3所示的两个自由度振动系统。这个系统除

26、了具有车身部分的动态特性外，还能反映车轮部分在1015Hz范围内产生高频共振时的动态特性，它对平顺性和车轮的接地性有较大影响，更接近汽车悬挂系统的实际情况。图中k 为轮胎径1向刚度；k 为空气悬架刚度系数，与空气弹簧状态有关，是控制量；c为减振器阻2尼系数；m 、m 代表非簧载质量和簧载质量；x 、x 、x 分别表示路面激励、非簧载12012质量位移以及簧载质量位移。根据牛顿第二定律，建立半主动空气悬架系统的运动微分方程m1x ¢1 - c (x¢2 - x¢1)- k 2 (x2 - x1)+ k1 (x1 - x0 )= 0üïm2 x &

27、#162;2+ c (x¢- x¢ )+ k (x- x1)= 0ý²²²²²²²²²²²²（4）þï1222式中x¢¢车身加速度；x -x 悬架动挠度；k （x -x ）车轮动载荷。21110无阻尼自由振动时，运动方程变成xm2 x ¢2 + k 2 (x2 - x1)= 0üï1m x ¢+ k (- x )+ k1x1= 0ýï²&

28、#178;²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²（5）1þ212由运动方程可以看出，m与m的振动是相互耦合的。若m不动(x =0)，则得22m x ¢211122+ k x= 0这相当于只有车身质量 m的单自由度无阻尼自由振动。其固有圆频率为：2k 2 / m20w=同样，若 m不动(x =0)，相当于车轮质量 m作单自由度无阻尼自由振动，于221是可得车轮部分固有圆频率：(

29、k + k )/ m121=wtw与w是双质量系统，是只有单独一个质量振动时的部分频率(偏频)。ot在无阻尼自由振动时，设两个质量以相同的圆频率 w 和相角j 作简谐振动，振幅为 x 、x ，则其解为：10x = x11020e j (wt +j )x2= xe j (wt +j )20将上面两个解代入微分方程组(5)得：-xw2 + k 2 x20m202- k 2 x= 0m102²²²²²²²²²²²²²²²²²

30、8;²²（6）-x w2 - k 2 x+ k1 + k 2 x= 0²²²²²²²²²²²²²²²²²²²（7）10m1k 2 / m2w=将020m10(k + k )/ m1211=、wt代入式(6)和(7)，可得(w 2 - w2 )x020- w 2 x= 0010- k 2 x+ (w 2 - w2 )x= 0m20t101此方程组有非零解的条件是 x10和 x 的系数行列式

31、为零，化为代数式即20k(w 2 -w 2 )(w 2 -w 2 ) -w 20102m = 01w4 - (w 2 +w 2 )w2 +w 2w 2 -w 2 km = 0²²²²²²²²²²²²²²（8）100t021式(8)称为系统的频率方程或特征方程，它的两个根为双质量系统主频率 w和w12的平方1 (w2+w2)2 - k1k 24t0m m21w21 w2w2=(+)m1.22t02经过一定的理论计算可以得到双质量系统的传递特性；车身加速度 x

32、¢¢、悬架弹簧动挠度 fd和车轮相对动载 fdG 的幅频特性，从而可在一定的试验条件下得出系统参数(车身部分固有频率 f0 、阻尼比z 、刚度比g 和质量比m )对振动响应的影响。具体总结如下：车身加速度车身加速度 x¢¢2 、悬架弹簧动挠度 f2d和车轮相对动载 fdG 对车身部分固有频率 f0的变化是很敏感的。阻尼比z 的变化对 x¢¢、 f和 fddG 都有较大的影响：随阻尼比z 增大，在低频共振区的 x¢¢2的 fdG 峰值均会下降，而在低频、高频两个共振区之间都增大，在高频共振区 x¢¢

33、;2 变化很小，而 fdG 有明显下降；当z 增大时， fdG 在高、低两个共振区均会明显下降，在两个共振区之间变化很小；行驶安全性要求取较大值，平顺性要求取较小值。车身与车轮部分质量比m 增大， x¢¢2 、 fd略有减小，主要是 fdG 变化较大，因此，减小车轮部分质量m 对平1顺性影响不大，主要影响行驶安全性。当其他参数f0、z 和m 均保持不变时，g 增大相当于悬架刚度 K 不变而轮胎刚度 Kt增大，从而使车轮部分系统参数 ft提高而z下降，使三个幅频特性高频共振峰向高频移动，而且峰值提高，其中 f G 的变td化最大， x¢¢2 次之；采用软的

34、轮胎对改善平顺性，尤其是提高车轮与地面间的附着性能有明显好处。可控悬架就是通过改变弹簧刚度或减振器阻尼来改变悬架系统的刚度比或阻尼比来使行驶平顺性和操纵安全性的矛盾适时缓解，从而使行驶平顺性更好，更舒适而操纵稳定性更好。第三章 空气悬架系统元件概述3.1 空气弹簧空气弹簧是一种由夹有帘线的橡胶囊和充入其内腔的压缩空气所组成的弹性元件（如图3-1）。橡胶气囊是空气弹簧的重要部件。一般由内橡胶层、帘布层、外橡胶层和成型钢丝圈硫化而成。内橡胶层主要用于密封，因此采用的是气密性和耐油性比较好的橡胶；外橡胶层除了密封以外还起保护作用，要考虑光线辐射和臭氧侵蚀，一般采用氯丁橡胶；帘布层是空气弹簧的承载部分

35、，帘线的材质是空气弹簧的耐压性和耐久性的决定性因素，所以一般选择耐压性、耐屈挠性好以及与橡胶的附着强度高的人造丝、聚酯、卡普隆和尼龙等涂胶帘线。帘布层一般由偶数层构成，一般是两层或者四层，帘线层层相交并且和空气囊的经线方向成一角度布置。空气弹簧是一种轴对称回转体，按照橡胶气囊工作时的变形方式， 其结构基本分为两大类：囊式和膜式(如图3-2和3-3)，此外还有混合式空气弹簧（如图3-4）。图 3-1 空气弹簧结构图3-2 囊式图3-3 膜式图3-4 混合式囊式空气弹簧主要靠橡胶囊挠曲获得弹性变形，使用寿命长，制造工艺简单， 但是刚度大，振动频率高，要得到比较柔软的弹性特性，需要另外加装附加的辅

36、助空气室。囊式空气弹簧通常用于载货汽车上。囊式空气弹簧的曲数可以根据需 要设计成单曲、双曲或多曲。理论上说在相同的容积下，曲数越多，刚度越低。但是考虑到多曲空气弹簧的制造工艺比较复杂，而且弹性稳定性比较差，因此一 般不超过四曲。囊的形状对弹簧的弹性特性有明显的影响，增加自由变形膜的弧 度可以显著减小弹簧的刚度。此外，为了获得比较理想的反“S”形非线性特性， 可以通过适当减小弹簧支撑板和橡胶膜间的距离，以使弹簧在一定的压缩变形后 橡胶膜和支撑板开始接触而得到必要的复原力。膜式空气弹簧可以看成是将囊式空气弹簧的下盏板换成一个活塞(橡胶挡)而形成，由于采 用活塞底座的设计，相比较丽言特性曲线的形状容

37、易控制。膜式空气弹簧主要靠橡胶囊卷曲 获得弹性变形，刚度小，振动频率低，但是耐久性比囊式空气弹簧差，常用于轿车和大客车 中。膜式空气弹簧又可以分为约束膜式、自由膜式、滚膜式、双膜式、组合囊膜式等，汽车 上主要采用图3-2所示的自由膜式空气弹簧。自由膜式空气弹簧的有效面积的变化规律比较复 杂，因为其有效面积决定于气囊在每一活塞位置时在内压作用下的几何形状。此外，橡胶气 囊的初始状态、帘线的布置角度等对有效面积的变化特性都有重要的影响。如果活塞的运动 轨迹不和橡胶囊的轴线一致的话，则有效面积的变化特性还和弹簧系统装置的运动学特性有 关。自由膜式空气弹簧也可以用改变活塞形状的方法来控制有效面积的变化

38、规律，以达到比 较理想的弹性特性。采用圆柱形活塞的自由膜式空气弹簧的弹性特性静位置附近的刚度较大， 弹性特性不理想，而采用凹形活塞的自由膜式空气弹簧可以获得比较理想的特性曲线，能大 大降低空气弹簧在静位置附近的垂直刚度。空气弹簧有比较理想的非线性曲线。图3-5所示为理想的非线性曲线特性简图。在相同的载荷（如F ）作用下，空气弹簧的静挠度f 比钢板弹簧的静挠度f 大112的多，因而可以获得较低的振动频率，提高汽车的行驶平顺性。只要合理地选取设计参数，就可以做到在满载载荷附近使用时，空气悬架的弹性特性曲线平缓、变化小、刚度比较低；而在冲击载荷作用下，弹性特性曲线又呈徒直状态变化，说明刚度增大，这在

39、使用中能减少悬架的变形量，即贱笑了悬架动挠度和减少了碰撞车架的机会，改善了乘坐舒适性。图 3-5 两种不同弹簧的静特性比较因为空气弹簧的单位质量储能量比较大，所以空气弹簧本身的质量比较轻， 因而簧下质量小。又因为气囊内空气介质的内摩擦小，工作时几乎没有噪声，对高频振动的吸收和隔声性能均良好。除此之外，空气弹簧的寿命是钢板弹簧的23 倍。采用空气弹簧时，必须设置能传递除垂直力以外的其他各种力和力矩的杆系， 隐刺悬架结构复杂；空气弹簧对密封要求严格，不得漏气。除此之外，还有悬架 制造复杂、成本较高等缺点。3.2 减振器减振器工作的基本原理是利用阻尼消耗振动过程中产生的能量。汽车减振器是利用小孔节流

40、的流体阻尼技术来实现悬架系统的减振特性，称为液力减振。从阻尼物理现象上区分，阻尼产生的机理有 5 类，即：工程材料的材料阻尼、流体的粘滞阻尼、结合面阻尼与库仑摩擦阻尼、冲击阻尼和电磁效应产生的阻尼。悬架中的阻尼主要有摩擦阻尼和粘滞阻尼两大类，因此，在最基本的减振器分类中或许只能分为摩擦式或液力式两种。摩擦式减振器具有结构轻便、成本低、容易调节的优点。但它属于典型的库 仑摩擦，由此产生的力与速度关系不大。摩擦式减振器对水和油液杂质非常敏感， 并且不易产生不对称的力。由于采用摩擦式减振器的车辆，无论是在行驶性能方 面还是在操纵性能方面，很难满足人们对现代车辆的使用性能的要求，因此摩擦 式减振器现已

41、被淘汰。液力式减振器的机理是，车架与车桥作往复相对运动，而活塞在缸筒内往复 运动时，减振器壳体内的油也便反复地从一个腔通过一些狭小的孔隙流入另一腔。此时孔壁与油液间的摩擦及流体分子内摩擦便产生了阻尼力。液力式减振器有多种结构，但基本上可划为两类：有两个活塞的杆式减振器和一个活塞的筒式减振器。筒式减振器有单筒式和双筒式之分。单筒式减振器如图 3-6 所示对外界碰伤敏感，而双筒式减振器可以阻挡外界的侧面碰伤。图 3-7 为双筒式减振器结构示意图，双筒式减振器由防尘罩 10，贮油缸 5，工作缸 2，活塞 3，导向座 9，压缩阀 6，流通阀 8，伸张阀 4，补偿阀 7，活塞杆 1 和油封 11 等元件

42、组成。减振器根据在压缩和伸张两个行程内是否都起作用分为双向作用式和单向作用式两种。根据减振器阻尼是否可调分为阻尼可调式和阻尼不可调式两种。目前又出现了磁流变和电流变等新型减振器，它们是根据阻尼介质的不同加上控制方式的不同加以分类的，但它们都属于可变阻尼减振器。图3-6 单、双筒式减振器图3-7 双筒式减振器结构双向作用筒式液力减振器一般都具有四个阀(图-7)，即压缩阀 6、伸张阀 4、流通阀 8 和补偿阀 7。流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其弹簧很弱，当阀上的油压作用力与弹簧力同向时，阀处于关闭状态，完全不通油液；而油压作用力与弹簧力反向时，只要很小的油压，阀便能开启。压缩阀和伸张阀是卸何阀，

43、其弹簧较强，预紧力较大，只有当油压增高到一定程度时，阀才能开启；而当油压降低到一定程度时，阀即自行关闭。双向作用筒式液力减振器的工作原理可按图 3-7，分为压缩和伸张两个行程加以说明。压缩行程当汽车车轮滚上凸起或滚出凹坑时，车轮移近车架 (车身)，减振器受压缩， 减振器活塞 3 下移。活塞下面的腔室(下腔)容积减小，油压伸高，油液经流通阀5 流到活塞上面的腔室(上腔)。由于上腔被活塞杆 1 占去一部分，上腔内增加的容积小于下腔减小的容积，故还有一部分油液推开压缩阀 6，流回储油缸 5。这些阀对油液的节流便造成对悬架压缩运动的阻尼力。伸张行程当车轮滚进凹坑或滚离凸起时，车轮相对车身移开，减振器受

44、拉伸。此时减振器活塞向上移动。活塞上腔油压升高，流通阀 8 关闭。上腔内的油液便推开伸张阀 4 流入下腔。同样，由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液还不足以充满下腔所增加的容积，下腔内产生一定的真空度，这时储油缸中的油液便推开补偿阀 7流入下腔进行补充。此时，这些阀的节流作用即造成对悬架伸张运动的阻尼力。目前普通汽车上广泛采用的是双向作用式减振器，这种减振器有如下特点： (1)在悬架压缩行程，减振器阻尼力较小，充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击；(2) 在悬架的伸张行程，减振器的阻尼力较大，以实现迅速减振；(3) 当车桥和车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道截面积，使阻尼始终保持在

45、一定限度内，以避免承受过大的冲击载荷。3.3 高度控制阀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: a.随车载变化保持合理的悬架行程；b. 高速时降低车身，保持汽车稳定性，减少空气阻力；c. 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，其工作原 理见图 3-8。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小，弹簧伸张，

46、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3-8 高度控制阀原理示意图高度阀分为机械式和电磁式，按组成又可分为带延时机构和不带延时机构。目前国内空气悬架多采用机械式高度阀。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

47、运行过程中高度阀的进、排气阀不断地打开、关闭，空气消耗量大，为此一般在空气通道上设置一个节流孔，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。图 3-9 为带延时机构的高度阀结构示意图，图 3-10 为不带有延时机构的高度阀结构示意图。1. 阀体2.控制杆3.油压减振器4.缓冲弹簧5.主轴支架6.进、排气阀7.止回阀图 3-9 带延时机构的高度阀结构示意图1. 阀体2.止回阀3.缓冲弹簧4.进、排气阀5.形密封圈6.活塞7.凸轮8.控制杆图 3-10 不带有延时机构的高度阀结构示意图带延迟机构的高度阀工作原理：车体荷重增加时，车体下降，空气弹簧压缩， 控制杆被

48、推向上方，摆动臂开始转动，缓冲弹簧被扭动而产生的弹力带动主轴支 架与油压减振器中产生的阻尼力相抗衡；摆动臂转动一定时间后，进气阀打开， 风缸中的压缩空气冲开止回阀，通过贯通本体的空气通道流向空气弹簧；车架恢 复到一定高度后，控制杆会返回平衡位置，此时进气阀被关闭，压缩空气关断。 当车体荷重减少时，车体上升，空气弹簧伸长，与荷重增加时情况相反，控制杆 被拉下，经过一段时间后排气阀打开，空气弹簧内的空气被排出。不带延迟机构的高度阀工作原理：车体荷重增加时，车体下降，空气弹簧压缩，控制杆被推向上方，凸轮转动带动活塞顶开进、排气阀，风缸中的压缩空气通过一段节流通道流入空气弹簧；车架恢复到一定高度后，控

49、制杆会返回平衡位置，此时进气阀被关闭，压缩空气关断。当车体荷重减少时，车体上升，空气弹簧伸长，与荷重增加时情况相反，控制杆被拉下，进、排气阀打开，空气弹簧内的空气经节流通道和活塞内的通道排出。通常车身高度控制采用独立控制形式，常见的情况是后悬架由两个高度阀分别控制左右两侧的空气弹簧，前悬架由一个高度阀来控制，控制信号取 3 个高度信号的平均值，并且还可以保证汽车在发生偏载的情况下，始终维持汽车车身处于水平状态。尤其在高速转向时，空气弹簧可显著减小车身的侧倾角。有资料表明，当车速在 24km/h 以下时，空气悬架与板簧这两种悬架的侧倾角基本相同，当车速达到 30km/h 时，空气悬架的侧倾角就可

50、以减小约 30%。第四章 信号采集、控制元件的选择4.1 试验台信号采集、控制方案设计图 4-1 电控空气弹簧悬架试验系统考虑到实际条件，本文采用两自由度14车辆悬架模型结构，建立如图l所示试验系统。该试验系统的结构参数均采用实车参数，该试验系统虽然不能实现车身角振动和车身姿态的控制，但是可以反映车身的垂直振动，对单一方向的振动问题进行比较深入的理论分析和试验研究。按此模型利用德国Schenck公司生产的电液伺服试验系统建立了电控空气悬架试验台如图4-1所示，该试验台可以进行空气弹簧悬架的动态模拟和弹簧的动静刚度试验。表 4-1为试验系统原理图中各符号的含义。符号含义符号含义A加速度传感器Ms

51、簧载质量C减振器Mu非簧载质量表 4-1 试验系统原理图字母含义符号含义符号含义H高度传感器p压力传感器Kt轮胎当量弹簧刚度S位移传感器4.2 元件选择1、本试验系统中激振台选用型号为 DY-600-5 的电动振动试验系统，此系统可以完成垂直、正弦、随机等多种试验，特别适合做运输振动试验。具体技术参数如下表：表 4-2 DY-600-5 电动振动试验系统具体技术参数额定正弦推力5.88KN（600kgf）额定频率范围2-2000Hz台面尺寸230mm最大加速度490m/s2最大位移51mm(p-p)运动部件有效质量12kg最大速度100cm/s额定载荷300kg电源3相380V2、本试验系统中

52、选用日本THK 公司生产的 HRS-A 型直线滑轨，主要参数如下表：表 4-3 HRS-A 型直线滑轨主要参数总长度360mm轨道宽度28mm滑块长度98mm总高度42mm轨道高度26mm滑块横向孔中心距72mm总宽度90mm轨道节距80mm滑块纵向孔中心距70.4mm3、本试验系统中所用位移(高度)传感器是安徽省传感器厂的产品，具体参数见下表：表 5.4 WYDC-75D 位移传感器参数型号WYDC-75D形式差动变压器式灵敏度100mv/mm频带0-100Hz供电电压12V量程±75mm4、本试验系统中所用加速度传感器是美国硅设计公司的产品，具体型号及参数见下表：表 5.5 22

53、10-010 型加速度传感器主要参数型号2210-010形式电容式硅加速度传感器灵敏度400mv/g(差分)频响（正常，3dB）0-600Hz供电电压DC 932V量程±10g5、本试验系统中所用压力传感器是兰华传感器厂的产品，具体型号及参数见下表：表 5.6 EX 型压力传感器主要参数型号EX形式压电式频带0-500Hz量程0.2MPa-1.6MPa供电电压12V输出电压0-5V6、本试验所需的用于控制高度的气动换向阀为无锡气动技术研究所有限公司所生产的 3KA230 型三位五通电磁换向阀，该种电磁阀为先导式，具体参数见下表：型号压力范围表 5.7最高耐压控制阀参数表接管口径有效截

54、面积电压功率3KA2300.20.7MPa1.05MPaRc1/811mm2DC12V1.8W本试验装置中的气源总成主要包括空气压缩机和空气滤清器等提供气体和处理干燥气体的零部件，所需装置的具体型号和详细参数说明如下：7、本试验所需的空气压缩机为苏州欧普压缩机有限公司生产的，具体型号及参数见下表：表 5.8 空气压缩机参数型号额定转速排气量功率排气压力V-0.8/10910rpm0.8m3/min7.5kW1.0MPa8、本试验所需的空气滤清器为厦门东亚机械有限公司生产的具体型号和参数见下表：表 5.9 空气滤清器具体型号和参数型号处理流量处理精度除油率除水率EL-2000.10.48m3/m

55、in0.1m99999、本试验系统所选的用于控制空气弹簧刚度的步进电机为金坛市四海电机电器厂的，具体参数见下表：表 5.10 42BYG007-01 型步进电机参数型号相数电压步距角静转矩机身长出轴长重量42BYG007-0146V0.9/1.8Deg1Kg²cm33mm24mm0.2Kg4.3 信号采集装置的布置及刚度、高度调节信号采集装置的布置应美观、合理，装拆简便同时又不影响信号采集的准确性。详细布局见附录的装配图(压力传感器未画出)。本装置通过步进电机控制主、副气室间通路面积的大小来改变空气弹簧的刚度，在附件的装配图中，图示为空气弹簧刚度最小的位置，通过步进电机顺时针旋转 1

56、20°，使阀芯上的孔对准另一个小孔，使弹簧刚度中等，步进电机再顺时针旋转 120°或者在图示位置起逆时针旋转 120°，使主、副气室间通路面积为零，空气弹簧刚度最大。本装置通过一个气动换向阀实现空气弹簧高度的变化，阀的连接示意图如下：图 4.2 气动换向阀连接示意图图中，气动换向阀的B 和 R2 口要堵住不用，A 口接空气弹簧主气室，R1 口接气源总成，P 口接大气，该阀左位为主气室排气，右位为进气，中位为锁止。第五章 机械元件的设计、校核5.1 空气弹簧设计计算5.1.1 空气弹簧刚度计算在我本次毕业设计中，给定参数有：簧载质量 ms 为 160kg,非簧载质量 mu 为20kg,悬架空气弹簧刚度在正常振动幅度内约为 10N/mm,轮胎刚度 kt 为 100N/mm。综合所有参数，另外参考国内空气弹簧生产厂商，最终确定选用贵州前进橡胶有限公司的型号 B564 膜式空气弹簧。其具体参数见表 6.1：表 6.1 B564 膜式空气弹簧参数表规格型号总成重量(Kg)使用气压(MPa)负载能力(