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空气悬架的设计
空气悬架设计
悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的所有传力连接装置的总称。
1空气悬架的优势
空气弹簧的运动性能特点是:
负载能力可调;弹性系数随负载变化;负载变化时,固有频率几乎不变;固有频率较低。
这些特点决定了空气悬架具有以下优点:
1)较理想的弹性特性
(1)空、满载之间有高度控制阀调节气压,具有较好的等频性;
(2)振动时,假定没有充放气,弹性特性曲线呈非线性,增大动容量,防止悬架击穿。
若反跳行程由减振器或其它机构实施弹性限位,则弹性特性呈反S形的理想特性。
2)可设计成较低的刚度,提高平顺性,不会因为空、满载之间静挠度变化太大,车高超标而受到限制。
3)几乎消除了全部库伦阻尼,使悬架系统全部由粘性阻尼消振,其效果是:
(1)消除高频微幅振动的锁止作用,改善高频域的传递特性,减小高频动刚度。
(2)消除悬架响声。
但是,若减振器阻尼值不可调节,则阻尼比因载荷变化而变化,无法同时满足空载和满载的要求,只能取折衷值。
而库伦阻尼恰与载荷成正比变化,所以像载货车这种后轴负荷变化很大的车型,后悬架采用库伦阻尼值大的多片钢板弹簧,对于保持空、满载阻尼比变化较小是有利的。
4)高度控制阀除了自动调节设计位置的车身高度不变之外,还可用来调节车身抬高或下降(下跪),以提高车身通过性或方便乘客上、下车。
5)减少电气、空调、排气系统、车桥、车身和底盘的维修成本。
6)减少对道路的冲击,保护路面,降低高速公路的维修费用
7))延长车辆的使用寿命并增加折旧值
2空气悬架的功能及构成
1)空气悬架的功能:
(1)把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架(或承载式车身)上,保证汽车的正常行驶,即起传力作用;
(2)利用弹性元件和减振器起到缓冲减振的作用;
(3)利用悬架的某些传力构件使车轮按一定轨迹相对于车架或车身跳动,即起导向作用;
(4)利用悬架中的辅助弹性元件横向稳定器,防止车身在转向等行驶情况下发生过大的侧向倾斜;
(5)调节汽车行驶中的车身位置。
2)从悬架的结构功能而言,我们可以将空气悬架系统细分为以下几大部件:
(1)弹性元件——起缓冲作用;
(2)减振元件——起减振作用;
(3)导向机构——起传力和导向作用;
(4)横向稳定器——防止车身产生过大侧倾。
(5)高度控制系统——保持车身高度在要求范围内。
(6)联接机构——让各零件与车架、车桥相连。
3空气悬架的设计原则
3.1减振系统的设计
设计目标:
偏频――单自由度系统自然振动固有频率(客车):
现阶段80-85cpm(1.3-1.4Hz);
高级阶段(路面不平度进一步提高后)65-70cpm(1.1-1.16Hz)。
阻尼――理论上的阻尼比(相对阻尼系数)为0.33-0.35
(1)按经验公式选择减振器复原阻力时取上限或超上限值;
(2)有条件时,采用可调阻尼减振器,目前可供选择的有电磁流变改变粘度及继电器改变阻尼孔尺寸两种。
有手控、自控两类,按载荷及按路面不平度输入来调节。
3.1.1空气弹簧的选型
1)类型的选择
(3)囊式(葫芦形),有单曲、双曲、三曲――根据振动行程大小和刚度的要求来选择。
目前除轨道车辆和设备基础外很少采用。
优缺点:
1橡胶囊的应力小,寿命很长。
2制造工艺简单,零件数量少,成本低。
3因有效面积变化率很大,所以空气弹簧的刚度较大,满足不了低偏频车型的要求。
(4)膜片式(活塞式),囊体有全橡胶型和金属壳连接橡胶膜片两种,目前采用前者较多。
优缺点:
1弹性特性与活塞形状有关,可以根据需要设计不同轮廓线的活塞。
2因有效面积变化率较小,一般情况下刚度较低,不必增加辅助气室。
活塞内腔可根据刚度要求设计成不储气或储气的。
3金属件数量较多,制造成本高,特别是产量不大成本更高。
2)空气弹簧的布置及空气悬架分类
(1)全空气悬架:
系统垂直振动的弹性作用全部由空气弹簧承担。
(2)复合式空气悬架:
系统垂直振动的弹性作用75%以上由空气弹簧承担。
(3)辅助式空气悬架:
系统垂直振动的弹性作用75%以下由空气弹簧承担。
3)刚度计算公式
(1)空气弹簧刚度计算公式,
式中:
k为多变指数,取1.33
:
为空气弹簧相对内压
AA:
为有效面积
dA/dx:
为有效面积变化率(查气囊曲线图)
VA:
为有效容积
pa=10N/cm2为标准大气压;
(2)全空气悬架的刚度为空气弹簧刚度或多个空气弹簧刚度折算到车轴上的刚度之和(除以杠杆比平方)。
(3)复合式空气悬架的刚度为空气弹簧刚度和其它弹簧刚度折算到车轴上的刚度之和。
式中:
CA:
空气弹簧刚度
λ:
杠杆比
为空气弹簧刚度/板簧刚度
(4)公式中的相对内压prA、有效面积AA、有效容积VA及有效面积变化率dA/dx等的特性曲线均由试验确定,应由空气弹簧供应商提供。
目前还没有办法用理论的方法按气囊的结构参数和尺寸来推算(虽有学者做过这类工作,但不成熟)
4)悬架偏频计算公式:
悬架系统的固有振动频率
式中:
N—悬架固有振动频率(HZ)
—悬架单边负载(N)
—空气悬架的刚度(N/cm)
对于全空气悬架系统,悬架系统的固有振动频率即为空气弹簧的固有振动频率。
3.1.2减振器的选型
1)减振器阻尼的确定
设计减振器时应当满足的基本要求是,在使用期间保证汽车行驶平顺性的性能稳定。
减振器在卸荷阀打开前,减振器中的阻力F与减振器振动速度v之间有如下关系
(6-30)
式中,δ为减振器阻尼系数。
汽车悬架有阻尼以后,簧上质量的振动是周期衰减振动,用相对阻尼系数ψ的大小来评定振动衰减的快慢程度。
ψ的表达式为
式中,c为悬架系统垂直刚度:
ms为簧上质量。
式(6—31)表明,相对阻尼系数ψ的物理意义是:
减振器的阻尼作用在与不同刚度c和不同簧上质量ms的悬架系统匹配时,会产生不同的阻尼效果。
ψ值大,振动能迅速衰减,同时又能将较大的路面冲击力传到车身;ψ值小则反之。
通常情况下,将压缩行程时的相对阻尼系数ψy取得小些,伸张行程时的相对阻尼系数ψs取得大些。
两者之间保持中ψy=(0.25~0.5)ψs的关系。
设计时,先选取ψy与ψs的平均值ψ。
对于无内摩擦的弹性元件悬架,取ψ=0.25~0.35。
对于行驶路面条件较差的汽车,ψ值应取大些,一般取ψs>0.3;为避免悬架碰撞车架,取ψy=0.5ψs。
减振器阻尼系数
。
因悬架系统固有振动角频率
,所以理论上
。
实际上应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。
例如,当减振器如图6—40a安装时,减振器阻尼系数δ用下式计算
式中,n为双横臂悬架的下臂长;a为减振器在下横臂上的连接点到下横臂在车身上的铰接点之间的距离。
减振器如图6—40b所示安装时,减振器的阻尼系数δ用下式计算
式中,α为减振器轴线与铅垂线之间的夹角。
减振器如图6—40c所示安装时,减振器的阻尼系数δ用下式计算
分析式(6—32)~式(6—34)可知:
在下横臂长度n不变的条件下,改变减振器在下横臂上的固定点位置或者减振器轴线与铅垂线之间的夹角α,会影响减振器阻尼系数的变化。
2)减振器行程的确定
减振器的行程为压缩行程与拉伸行程之和。
前者取决于悬架上跳行程限位块的设计,最好以“铁碰铁”来确定,也可按悬架动载(可取静载的2.5倍)分摊给限位块的压缩量加上动行程(限位块开始接触)来求得。
减振器的压缩行程要比悬架上跳行程大5-10mm,以免万一顶弯连杆。
拉伸行程取决于悬架反跳行程的限位值,空气悬架多数利用减振器作为反向限位,其限位值就是减振器的拉伸行程,其大小取决于空气弹簧本身规定的最大拉伸量。
减振器拉伸限位器完全限位时的行程要略小于空气弹簧允许的最大拉伸量。
计算行程时要计算杠杆比的影响。
减振器的长度尺寸
Lmin=L0+S
Lmax=Lmin+S=L0+2S
式中:
Lmax、Lmin为减振器最大、最小长度
S为减振器总行程
L0为减振器基长,为设计的基本指标。
减振器规格的最终确认,只能通过试验,达到满意的平顺性和可靠性之后才算完成。
3.2导向系统的设计
设计目标:
确保桥与车架间的定位,并传递纵向力和横向力。
1)结构介绍
空气悬架的导向杆系是变化最多,最富有创造性,也是较难设计好的系统。
下面仅就目前常见的几种导向系统方案以及设计时应注意的事项做简要介绍。
(1)独立悬架
客车独立悬架都是采用不等长双横臂结构,空气弹簧坐落在上臂,只用在前悬架。
独立悬架的本质优点是:
1角刚度特别大,在同等条件下可以大大减小垂直刚度,使偏频降低,提高平顺性。
2簧下质量减小,使簧上、簧下质量比值变大,可减小车轮对路面的动载荷。
3减小陀螺效应,对高速行驶的车辆可避免引起转向轮摆振。
缺点:
1结构较复杂,成本增加。
2可靠性往往不易保证,容易引发铰链松动、摆振、跑偏、轮胎磨损等。
(2)纵置四连杆机构,即双纵臂
前、后悬架皆可采用,常见的布置型式有:
1下2纵,上1纵1横,有时下纵臂同时承载。
2下2纵、上V形杆。
3下V形杆,上2纵,多用于超低地板客车。
4上、下均为2纵,再加1横杆。
这种结构4根纵杆必须等长、平行,侧倾时才不会产生运动干涉。
(3)单纵臂加柔性连接,起稳定杆作用,但运动轨迹不好
1刚性臂加双个橡胶套铰链。
2刚性臂后端连扭力轴。
3板簧立置(相当于刚性臂,但横向柔性大)并于前轴刚性连接,前轴成为扭力梁。
(4)钢板弹簧复合型导向
1半椭圆板簧与气簧并联,纵向及横向均由板簧导向,结构简单,但整体悬架刚度降低不下来。
2四分之一椭圆板簧导向,采用大刚度少片簧,起稳定杆作用,但整体悬架刚度仍较低。
缺点是运动轨迹不好,车桥倾角变化大。
往往在板簧延伸段布置气簧,形成一定杠杆比,为半空气悬架(即复合式空气悬架)。
若气簧置于车轴上,杠杆比为1,板簧不承受垂直载荷,即为全空气悬架。
(5)A形架
实质上是单纵臂刚性连接,前铰链点合并在中间一个点,臂长应尽可能大,所以只用在后悬架。
要装横向拉杆传递侧向力。
2)设计要点
(1)所有橡胶铰链必须设计得可靠耐用。
所有橡胶衬套各向位移时只能是橡胶变形,绝不能使橡胶与金属间发生相对滑动。
这只能靠选择合适的自由面积和封闭面积,加上合适的粘结或预压缩量来实现。
有的橡胶衬套为了消除扭转应力,让轴销与橡胶之间可相对转动。
这时要加一铜套或复合衬套,内腔有润滑脂且密封好,可绕轴销转动,外圆与橡胶粘度或压配,没有相对滑动。
凡是与金属粘接的橡胶都会产生收缩应力(拉应力),对橡胶使用寿命很不利。
对于自由面小,粘接面(封闭面)大的衬套,收缩应力很大,甚至未使用就已有裂纹。
对这种衬套,应采用施加预压缩的方法来消除收缩应力,转变成为压缩预应力,可大大提高使用寿命。
目前有些衬套采用聚胺脂橡胶,因其特好的强度和耐磨性,工作时可以又变形又滑动,仍有可观的使用寿命。
(2)运动轨迹的校核。
导向杆系决定了车轴的运动,所有与车轴连接的其它部件都可能产生运动干涉,引起跑偏、摆振、响声、磨损、磕碰等问题。
所以必须对转向纵拉杆、横拉杆(对于独立悬架)、传动轴、气簧底座(活塞)等进行干涉校核,并控制在许用值以内。
校核方法一般用作图法,也可列式计算,参阅附件D、E。
导向杆系的布置原则是,运动当量杆与上述部件的杆件应该:
一、固定端同向;二、杆线平行;三、杆子等长。
完全做到这三点很难,但应依序尽量做到。
(3)其它考虑。
导向杆系还会影响整车的其它性能,如操纵稳定性中的稳态转向特性(不足、过度转向),主要是侧倾轴转向和侧倾拉杆转向、侧倾时车轮外倾角变化等;以及制动跑偏、制动点头等问题。
这些都有专门论著,可参阅附件E、F。
例如,转向节臂球头若置于板簧纵扭瞬时中心之上,就会引起右跑偏(对左置转向盘);若前悬架导向杆固定端在前,后导向杆固定端在后,如果悬架刚度较低,往往制动点头角就过大。
3.3抗侧倾稳定系统的设计
设计目标:
应在0.4g侧向加速度条件下,稳态侧倾角Φ≤5-6゜。
1)计算方法及限值
悬架弹簧、稳定杆的角刚度,侧倾力臂以及稳态侧倾角的计算公式见附件D。
(1)弹簧角刚度计算:
式中:
注:
当两侧空气弹簧联通时,空气弹簧无抗侧倾能力,角刚度为0;
(2)稳定杆角刚度计算:
式中:
为拉压弹性模量
为剪切弹性模量
为车桥的极惯性矩(a=150,b=120)
为车桥的惯性矩
(3)侧倾力臂计算:
式中:
:
为簧载质心高度
:
为质心距前轴距离
h1:
前悬架侧倾中心离地面高度
L1:
前悬架侧倾中心距前轴水平距离
h2:
后悬架侧倾中心离地面高度
其中前、后悬架的侧倾中心离地高度可用两种方法来求解:
1利用运动学的方法。
根据悬架导向杆系,求车轮相对车身运动的瞬时中心,再划出轮胎接地点到瞬时中心的连线,此连线与汽车对称中心线的交点即是该悬架的侧倾中心。
2利用静力学的方法。
有些悬架导向杆系很难求出瞬时中心,则可求出簧上质量与簧下质量之间的侧向力传递的合力中心,根据理论验证,该合力中心就是瞬时中心即侧倾中心。
有些悬架若装有较大弧高的钢板弹簧,侧向力的传递是沿着有弧高的主片,高度在变化。
也就是说,簧上与簧下的分界点应选在什么地方?
我们建议按比较保守的办法,统一选在车轴上板簧主片的上表面。
(4)稳态侧倾角计算:
汽车做稳态圆周运动时,非独立悬架系统稳态侧倾角计算按下式:
式中:
(侧向加速度)
GS:
为簧载质量
Cφ:
为整车侧倾角刚度,是前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和
h:
为侧倾力臂
空气悬架的抗侧倾能力一般较差,应根据使用要求来确定。
我们推荐稳态转向工况,在侧向加速度为0.4g时,侧倾角不大于5-6゜,高档车取下限。
悬架角刚度也不宜选太大,因为在坏路行驶,路面角振动输入很大时,悬架反而不能起缓冲作用,汽车的侧向角振动反而更大。
2)提高抗侧倾能力的方法
(1)采用独立悬架
独立悬架的弹簧跨距就是轮距,一般比非独立悬架要大一倍,使角刚度增到四倍以上。
(2)加大空气弹簧的跨距
通常是采用香蕉梁或井字架,将气簧布置在轮胎前后。
因角刚度与跨距平方成正比,这方法很有效。
缺点是重量很大,成本高,质量好坏取决于材料及工艺。
(3)采用半刚性的单臂导向杆,即导向臂与车轴(或扭力梁)构成一个很强的稳定杆,有以下几种方案:
1采用刚度很大的四分之一椭圆钢板弹簧,一般为单片或双片少片簧。
2刚性单臂通过两个橡胶衬套再与车轴连接。
3刚性臂后端通过橡胶衬套再与一根扭力管连接,实质上属扭力梁式悬架。
刚性臂可用一个或两个橡胶衬套与车轴连接。
4刚性臂直接刚性地与前轴连接,这时,前工字梁就成为扭力梁。
(4)加装横向稳定杆
一般先加前悬架,角刚度不够时再加后悬架。
为了提高不足转向效应,希望前轮偏离角大于后轮,则前悬架角刚度应相对地大于后悬架。
请注意,在一定尺寸限制下,稳定杆的角刚度是有限的,选用过大角刚度会导致应力过高,使用中会塑变或断裂。
(5)提高弹性元件刚度,包括提高复合式空气悬架中半椭圆板簧的刚度。
这是下策,牺牲了平顺性,但有时对操纵稳定性、抗制动点头有利,应综合考虑。
3.4高度控制系统
设计目标:
确保静态和准静态下起作用
功能:
有效控制悬架高度,满足各种设计要求
1)高度控制阀分类
(1)有延时作用:
控制杆非刚性,即装有弹性件,再加上液压阻尼,使控制杆在较高频率振动时,输出端不运动,因而不开、关阀芯;当慢速运动时,阻尼力很小,输出端随输入端运动而开、闭阀门。
这种阀可使空气悬架在行驶中不耗气。
(2)无延时作用:
控制杆刚性联接,直接操纵阀门。
结构较简单,成本低。
行驶中因车轴不停跳动,高度阀总在充、放气,增加耗气量,且有响声。
为减少耗气量,可在阀内或阀外增设节流孔,或将阀门空程加大。
对于客车,因上、下乘客载荷变化很慢,采用无延时加节流孔较合适。
对于自卸车或一次性加、卸载很大的货车,采用有延时的高度阀较合适。
2)可调节车身高度的高度阀
高档客车要求装有“下跪”调节,可采用调节控制杆的支点位置或连杆长度来实现,也可以另设阀门及管路来控制。
车身特别低的客车,可以靠它提高离地间隙,在坏路上改善通过性。
3)电控高度阀
车轴与车身的相对运动靠杠杆控制电量位移传感器,再用其输出电压来控制继电器及气路系统。
用电量控制容易实现延时、下跪、举升等要求。
4)高度阀的布置
(1)三阀:
理论上讲三点定一个平面,所以采用三阀布置最合理。
因为采用单阀的悬架,左、右空气弹簧气路相通,其角刚度为零,所以采用前1后2较合理。
左、右相通的气簧往往要加节流,使动态侧摇时增加角刚度。
(2)四阀:
前、后悬架各2个高度阀,使前、后气簧的角刚度都得到利用。
四个阀属于超定位,只适用于在平路面上行驶的客车。
(3)五阀:
除了一、二桥采用四阀外,第三桥又装一个高度阀(左、右气簧连通)。
这种布置属于严重超定位,有一个高度阀对应的车轮或车轴下落,会将所有的压缩空气放光。
装车后高度阀也很难调整。
(4)二阀:
前、后悬架各只装一个阀,左、右气簧连通,其角刚度为零,汽车的左、右支撑全靠稳定杆和导向臂来实现。
这种布置极罕见。
5)空气管路及相关系统各元件的气密性
(1)空气悬架系统各元件(如:
气簧、高度阀、储气筒、单向阀等)及管接头必须有可靠的气密性,并且气路要排除油、水,防锈,否则空气悬架就不可能可靠工作。
(2)车的其它系统的元件、管路也应保证气密性,主要是气制动系统、离合器气助力等,它们漏气最终也会使空气弹簧塌下来。
在整车各系统没有全面过关之前,建议空气悬架系统采用独立储气筒,并用单向阀与其它系统隔离开,这样可能延长停车后气簧塌下来的时间。
3.5其他联接系统
设计目标:
满足强度与疲劳寿命要求
根据悬架系统的边界条件及各部件的布置形式,进行联接机构的结构设计。
设计过程中,在满足联接尺寸要求及加工经济性的前提下,力求结构简单、外形美观,并满足系列化,通用化要求。
根据各部件的结构分布,进行悬架系统的受力分析,计算出各零部件的受力情况,再利用有限元分析软件,对其进行优化设计,使各零部件满足强度要求。
在满足强度要求及加工经济性的前提下,降低零件重量。
4空气悬架的验证
4.1空气悬架系统的验证
4.1.1空气悬架系统性能的验证
基于试验台的自由振动测试系统的偏频和阻尼比测试
基于在B级路面,以50km/h匀速行驶,后轴上方座椅的垂直振动加速度响应Leg≤113dB(或按ISO2631计算耐疲劳限达到4-5h)。
4.1.2空气悬架系统的可靠性试验
与主机厂装车试验及样车试验场试验
4.2关键零部件的性能试验
空气弹簧静、动特性试验(GB-T13061-1991汽车悬架用空气弹簧橡胶气囊)
减振器的阻尼力试验(QC/T545—1999汽车筒式减振器 台架试验方法)
高度阀的流量特性曲线
橡胶衬套的4个方向静、动刚度试验
推力杆轴向、横向静、动刚度试验
4.3关键零部件的静强度试验
导向系统
联接机构
4.4关键零部件的疲劳寿命试验
导向系统
弹性元件
联接机构
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