汽车空气悬架试验系统方案设计.doc

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1、汽车空气悬架试验系统方案设计任务书填表须知：1本任务书所列各项由指导教师详细填写，以便学生全面了解和正确执行。本任务书经学院、系(教研室)审定后，送教学科一份，发给学生一份。2学生接到任务书后，应制订好工作计划，填写开题报告，认真进行毕业设计，并按规定时间完成。任务书所列各项内容不得涂改，因特殊情况需要变动的必须经系(教研室)负责人、教学院长审核同意。3本任务书中“ ”内容为填表解释。毕业设计完成后，本任务书装订在设计前面，交学院存档。一、基本情况1、学院专业： 学院 专业。2、选题名称： 汽车空气悬架试验系统方案设计 。3、指导教师 ；指导教师职称： 。4、协助指导教师： ；协助指导教师职称

2、： 。5、学生学号： ；学生姓名： 。6、导师团成员： 。助教及助教以下职称的指导教师需导师团成员指导7、作业期限： 年 月 日至 年 月 日。8、作业地点： 。9、选题性质： 科研 生产 其它 。10、选题出处：填写毕业设计选题的具体来源，例如科研项目名称、生产项目名称等 车辆半主动悬架智能控制器研究（校创新基金CX2004-05） 。二、审批情况1、系(教研室)意见：经论证，该毕业设计任务书 填“符合/不符合”人才培养方案要求。 系(教研室)负责人： 年 月 日2、学院审批意见：经审核， 填“同意/不同意”下发该任务书。 教学院长签字或学院盖章： 年 月 日三、毕业设计任务1、总体要求进行

3、毕业设计的时间为16周。学生依据导师给定的选题，能编写符合要求的设计说明书，独立进行资料的收集、加工与整理，能综合运用科学的理论、知识和技能，进行必要的实验、测试、分析，解决设计问题，正确绘制有关图表，独立撰写并答辩。2、设计内容及具体要求主要包括对前言、环境概况、设计依据、设计立意、总体设计及功能、规划、附图、附表等的要求1、 对目前国内外汽车空气悬架的现状及发展趋势作一个全面、深入的了解，阐述建立汽车空气悬架试验系统进行空气悬架的性能研究和进行可控空气悬架研究和开发的目的、意义。2、 在熟悉空气悬架原理和结构的基础上，进行四分之一车辆模拟空气悬架试验系统的方案设计。系统应设计成可控的空气悬

4、架系统。3、 整个方案设计应包括台架的总体结构设计；各种元件的正确选型和论证，如空气压缩机、调节装置；信号采集系统的布置等。4、 依据汽车理论关于车辆模型简化的理论,并参照目前国内外相似试验系统的设计资料，设计出符合要求的试验系统。5、 整个设计应结构简洁、经济合理、整个装置及测试仪器便于拆卸和安装。6、 整个系统应设计合理，便于信号的采集。7、 主要设计参数：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10000N/m,轮胎刚度kt为100000N/m。8、 画出试验系统总体布置图，重要零件的零件图。9、 图纸要求：工程制图标准。10、 按毕业设计

5、撰写规范按时撰写毕业设计，提交电子文档一份。3、指定阅读的参考文献原则上要求中文文献不低于10篇，外文文献不低于5篇1、陈家瑞.汽车构造(下册 ) M.人民交通出版社,1999.2、英Dave Crolla，喻凡.车辆动力学及其控制M. 人民交通出版社,2004.3、余志生.汽车理论（第3版）M.机械工业出版社2002.4、张庙康，胡海岩.车辆悬架振动控制系统研究的进展J. 振动、测试与诊断, 1997，3 .5、方子帆等.汽车半主动悬架系统研究进展J.重庆大学学报,2003,1.6、喻凡,黄宏成,管西强.汽车空气悬架的现状及发展趋势.汽车技术,2001,第8期.7、俞德孚.车辆悬架减振器的理

6、论与实践.兵工学报坦克装甲车与发动机分册,1988(3):25-27.8、王望予汽车设计机械工业出版社，2000年5月.9、陈兴林，胡树华.汽车空气悬架的应用发展与我国汽车业的应对策略. 汽车科技,第4期,2004年7月.10、解福泉.关于主动式汽车空气悬架的控制技术研究. 交通标准化,2006年8期.11、倪建华等. 一种新型的磁流变阻尼器及其在半主动控制车辆悬架中的应用研究. 机械科学与技术, 2004年1月,第23卷第1期.12、周立开,陈龙等. 车辆半主动悬架的试验研究. 兰州理工大学学报, 2005年6月, 第31卷第3期.13、JDCarlson and B.F.Spencer J

7、r. Magneto-Rheological Fluid Dampers For Semi-Active Seismic Control. In the Proceedings of the 3rd International Conference on Motion and Vibration Control, September 1-6, Chiba, Japan, 1996, Vol. , pp. 35-40.14、 Lord Corporation, 15、F. Goncalves, J. H. Koo, and M. Ahmadian, “Experimental Approach

8、for Finding the Response Time of MR Dampers for Vehicle Applications,” DETC 2003 19th Biennial Conference on Mechanical Vibration and Noise, September, 2-6, 2003 in Chicago, IL, USA.16、J.H. Koo, F. Goncalves, and M. Ahmadian, Investigation of the response time of magnetorheological fluid dampers. Ad

9、vanced Vehicle Dynamics Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA 24061-023817、Grosby M J, Karnopp D C. The Active Damper -A New Concept for Shock and Vibration Control. The Shock and Vibration Bull, 1973, 43(4):119-133.Jing Zhou, Peizhi Zhang. Digital Control o

10、f an Automotive Active Suspension System. ME561 Design of Digital Control Systems（Final Report）, 2003,4.18、K Yi, B S Song. A new adaptive sky-hook control of vehicle semi-active suspensions. Proc Instn Mech Engrs, 1999, 213 Part D04298.4、备注指导教师对学生的其他要求及说明等附录：毕业设计(论文)评分标准一、计分方法评定毕业设计(论文)的成绩，采用五级记分制(优

11、秀、良好、中等、及格、不及格)和评语相结合的办法。指导教师、评阅教师、答辩成绩各占40%、20%和40%。二、评语内容1、毕业设计(论文)是否达到任务书的要求，有何特点和独创性。2、应用所学知识和技能，进行实验、设计、分析与研究探讨问题的能力。3、毕业设计(论文)的正确程度、实验意义、图表质量和文字表达能力。4、答辩时报告和回答问题的情况，以及毕业设计(论文)中的表现和工作态度等评语由指导教师评写，经答辩委员会(组)主席或教研室(组)主任审改后，填入有关表格中。三、评分标准1、优秀全面正确地按任务书的要求完成了设计(论文)任务。能创造性地应用所学知识和技能。设计(论文)的基本论点、结论、方案、

12、图表、说明等均论述有据，质量较高，并能应用先进技术。独立工作能力较强。答辩时概念清楚，能正确回答与本课题有关的全部问题。2、良好较全面地按任务书的要求完成了设计(论文)任务。能综合应用所学知识和技能。设计(论文)的基本论点、结论、方案、图表、说明等基本正确，质量较好。有一定的独立工作能力。答辩时概念清楚，能正确回答与本课题有关的主要问题。3、中等能按任务书的要求完成设计(论文)任务。设计(论文)中一般能综合应用所学知识和技能。设计(论文)的基本论点、结论、方案、图表、说明等质量尚好，但有非原则性错误。具有初步的独立工作能力。答辩时概念清楚，基本上能正确回答与本课题有关的主要问题。4、及格基本上

13、能按任务书的要求完成了设计(论文)任务。设计(论文)和图表质量一般，非原则性错误较多。独立工作能力一般。答辩时概念基本清楚，尚能正确回答与本课题有关的最基本的问题。5、不及格未能按任务书的要求完成设计(论文)任务，或依赖教师和同学勉强完成了设计(论文)。设计(论文)和图表的质量不符合要求。答辩时概念不清，不能正确回答与本课题有关的最基本的问题，或有原则性错误。四、评分要求评分要严肃认真，坚持标准，实事求是，力求反映学生的真实业务水平。毕业设计(论文)成绩主要依据学生完成毕业设计(论文)和答辩的情况，不涉及学生的其它因素。各课题组的评分标准应该一致。一个教学班的评分应符合“正态分布”的一般规律。

14、毕业设计(论文)的评分和评语，均装入学生档案。毕业设计(论文)成绩不及格的按我校学生学籍管理实施细则的规定处理。 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

15、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 r

16、eplaced by an air spring, and the air suspension testing rig have been designed.The test rig put the suspension rigidity adjustment into 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

17、variable stiffness. The mechanical vibrating system of 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 gath

18、ers signal, then the 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 as well as the shock absorber, the sensor, the air o

19、perated part and the 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

20、 suspension, The suspension test rig 目 录前 言1第一章 绪论21.1空气悬架结构与分类21.2空气弹簧悬架国内外发展历史和现状31.3本论文研究的目的、内容和意义4第二章 汽车振动的简化及分析52.1振动的简化52.2车身与车轮双质量系统的振动分析6第三章 空气悬架系统元件概述93.1空气弹簧93.1.1空气弹簧特性103.1.2空气弹簧特性试验123.2减振器143.3高度控制阀15第四章 控制方式184.1最优控制方法184.2自适应控制方法184.3模糊控制和神经网络控制方法19第五章 信号采集、控制元件的选择205.1试验台信号采集、控制方案设计

21、205.2元件选择205.3信号采集装置的布置及刚度、高度调节22第六章 机械元件的设计、校核236.1空气弹簧设计计算236.1.1空气弹簧刚度计算236.1.2附加空气室设计246.2减振器选择与计算246.3轮胎当量螺旋弹簧的设计、校核256.4 减振器螺栓的校核266.5 立柱的设计266.6 簧上、簧下质量的确定276.6.1簧上质量的确定276.6.2簧下质量的确定28结 论29致 谢30参考文献31附 录前 言汽车空气悬架近几年开始发展迅猛，在空气悬架中，空气弹簧是主要的弹性元件，它代替了传统悬架中的螺旋弹簧，是一种新型的弹性元件，它的刚度可根据具体情况灵活改变，使乘坐舒适性大大

22、提高。不仅如此，配合其特有的高度控制阀，它还可以自动调整车辆高度，增加高速时的行车安全性。与传统汽车悬架相比，空气悬架有许多性能优点是传统悬架无法与之匹敌。本论文首先在熟悉空气悬架各零部件的工作原理和结构的基础上，主要根据学校实验室现有的一个四分之一模拟悬架机械装置，针对空气悬架试验台系统的要求对上述四分之一模拟悬架机械装置进行改进和优化，然后对空气悬架总成中的重要零部件进行型号选择和论证，确定整个试验台的功用和结构布局，以方便后期试验台的制造。本论文所涉及的是南京林业大学车辆半主动悬架智能控制器研究(校创新基金CX2004-05)项目中的一部分。姓名：日期：第一章 绪论1.1空气悬架结构与分

23、类悬架是现代汽车的重要总成之一，它是车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接机构的总称。其主要任务是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，缓和路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。空气悬架，顾名思义，就是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性起弹性作用的。压缩气体的气压能够随载荷和道路条件变化而进行自动调节，不论满载还是空载，整车高度不会变化，可以大大提高乘坐的舒适性。其总成由两部分组成：第一部分主要为结构件，包括空气弹簧、减振器、横向稳定杆及各种安装支架等；第二部分为气路和控制系统，包括空气压缩机、储气筒、空气滤清器、干燥器、限压阀、安

24、全阀、高度控制阀组件、管路、密封件等。如图1.1和1.2所示为某客车空气悬架的前悬和后悬。图1.1前悬 图1.2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1.3，图1.4、图1.5所示。 图1.3全长钢板弹簧并用式 图1.4钢板弹簧后端式 图1.5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

25、，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弹簧诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备的隔振。1947年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧，到1964年，美国生产的25种公共汽车中，有23种使用了空气弹簧悬架。美国的通用汽车公司在1958年就生产了装有空气弹簧悬架的牵引车。1961年，德国开始在大多数公共汽车上使用空气弹簧，到1964年，德国生产的55种大中型客车中，有38种使用了空气弹簧悬架。此后意大利、英国、法国及日本等

26、国家相继对空气弹簧作了大量的研究工作。目前，空气弹簧悬架在国外豪华汽车上已经被广泛采用，在高速客车和豪华城市客车上的使用率已达到100%，在中、重型货车以及挂车上也超过80%，如美国的Ford，德国的Benz、Man、Neoplan，瑞典的Volvo，法国的雷诺，日本的尼桑、日野、五十铃、三菱等。同时部分高级轿车上也有选装空气弹簧悬架的，如美国的林肯，德国的Benz300SE和Benz600等。我国早在二十世纪五十年代就对空气弹簧进行了研究，1957年初，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作，进行空气弹簧橡胶气囊的设计与研究，同年底制造出我国第一辆空气悬架货车。1958年，长春汽车研究所在

27、北京、天津、上海等地设计和协助设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等多种车辆的空气弹簧悬架。八十年代初长春汽车研究所再次进行空气弹簧悬架的研究，并为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设计了空气弹簧悬架，当时车身自振频率可降低到1.11.2Hz，平均车速提高了17%。悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了5060公斤。这期间国产空气悬架存在的主要问题是橡胶气囊的寿命偏低和高度控制阀泄漏等没有得到很好解决。上世纪九十年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气弹簧悬架及空气弹簧悬架客车底盘，对其产品进行技术改进，以提高其产品的技术含量，抢占国内高档客车市场，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车

28、公司、亚星客车集团公司等。同时国内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬架进行开发设计和理论研究。如东风汽车工程研究院，中国重型汽车集团公司，上海汇众汽车制造公司，淝河汽车制造厂，交通部重庆公路科学研究所，江苏省交通科学研究院，湖北大学，同济大学，北京理工大学等。在这段时期沈阳飞机制造公司和交通部重庆公路科学研究所起草了GB11612-89客车空气悬架用高度控制阀和GB/T13061-1991汽车悬架用空气弹簧橡胶弹簧国家标准，为高度控制阀和橡胶气囊国产化提供了标准。为了满足空气弹簧悬架维修配件的需要，近年来国内一些企业正在生产空气弹簧悬架零部件，如贵州前进橡胶有限公司、山东莱州市橡胶厂、铁道

29、部四方车辆研究所等厂家，主要生产各种膜式和囊式空气弹簧气囊，应用于汽车、铁路车辆和一些机械设备上。也有些曾经生产过或正在生产高度控制阀的厂家，如铁道部科学研究院机车车辆研究所，华中理工大学，中国电子工程设计院，交通部重庆公路科学研究所，浙江瑞安市东欧汽车零件厂等。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

30、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，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，

31、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，它是由车身、车架及其上的总成所构成。

32、该质量绕通过质心的横轴y的转动惯量为，悬挂质量通过减振器和悬架与车轴、车轮相连接。车轮、车轴构成的非悬挂质量为。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，转动惯量的车身按动

33、力学等效的条件分解为前轴上、后轴上及质心C上的3个集中、。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 (1)2)质心位置保持不变 (2)3)转动惯量的值保持不变 (3)式中为绕横轴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：= = =式中的为轴距。通常，令=/，并称其为悬挂质量分配系数。由上面3个式子可以看出当=1时，联系质量=0。根据统计，大部分汽车的=0.81.2，即接近于1。在=1的情况下，前后轴上方车身部分的集中质量、的垂直方向运动是相互独立的。在此的情况下，当前轮遇到路面不平度而引起

34、振动时，质量运动而质量不运动；反之也是这样；因此，在这种特殊情况下，可以分别讨论图2.2上和前轮轴以及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2.3两个自由度振动系统对于图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=的数值接近1时，前后悬挂系统的垂直振动几乎是独立的。于是可以简化为图2.3所示的两个自由度振动系统。这个系统除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，为悬挂质量(车身质量)；为非悬挂质量(车轮质量)；为悬挂刚

35、度；为阻尼器阻尼系数；为轮胎刚度；q为输入的路面不平度函数。车轮与车身垂直位移坐标为z1、z2，坐标原点选在各自的平衡位置，其运动方程为：(4)无阻尼自由振动时，运动方程变成(5)由运动方程可以看出，与的振动是相互耦合的。若不动(=0)，则得这相当于只有车身质量的单自由度无阻尼自由振动。其固有圆频率为：。同样，若不动(=0)，相当于车轮质量作单自由度无阻尼自由振动，于是可得车轮部分固有圆频率：与是双质量系统，是只有单独一个质量振动时的部分频率(偏频)。在无阻尼自由振动时，设两个质量以相同的圆频率和相角作简谐振动，振幅为、，则其解为： 将上面两个解代入微分方程组(5)得：(6)(7)将、代入式(

36、6)和(7)，可得此方程组有非零解的条件是和的系数行列式为零，化为代数式即(8)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和的平方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、悬架弹簧动挠度和车轮相对动载的幅频特性，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、阻尼比、刚度比和质量比)对振动响应的影响。具体总结如下：车身加速度、悬架弹簧动挠度和车轮相对动载对车身部分固有频率的变化是很敏感的。阻尼比的变化对、和都有较大的影响：随阻尼比增大，在低频共振区的、的峰值均会下降，而在低频、高频两个共振区之间都增大，在高频共振区变化很小，而有明显下降；当增大

37、时，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增大，、略有减小，主要是变化较大，因此，减小车轮部分质量对平顺性影响不大，主要影响行驶安全性。当其他参数、和均保持不变时，增大相当于悬架刚度不变而轮胎刚度增大，从而使车轮部分系统参数提高而下降，使三个幅频特性高频共振峰向高频移动，而且峰值提高，其中的变化最大，次之；采用软的轮胎对改善平顺性，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

38、适而操纵稳定性更好。第三章 空气悬架系统元件概述3.1空气弹簧橡胶空气弹簧是由帘线层、内外橡胶层或钢丝圈经成型后硫化形成一种挠性体，利用充入空气的可压缩性实现弹性功能的一种橡胶元件。俗称空气弹簧、橡胶气囊、气囊等。空气弹簧只能承受垂直载荷，所以空气弹簧悬架需要一套导向机构来承受切向力和侧向力。橡胶空气弹簧总成一般由弹性元件、护圈、缓冲块等经装配后形一个具有密闭气室的整体。如图3.1所示。图3.1空气弹簧结构橡胶空气弹簧工作时，内腔充入压缩空气，形成一个压缩空气气柱。随着振动载荷量的增加，弹簧的高度降低，内腔容积减小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱的有效承载面积加大，此时弹簧的承载能力增加。当振动载

39、荷量减小时，弹簧的高度升高，内腔容积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时弹簧的承载能力减小。这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递、振幅与震动载荷的高效控制。还可以用增、减充气量的方法，调整弹簧的刚度和承载力的大小，还可以附设辅助气室，实现自控调节。根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可分为囊式空气弹簧、膜式空气弹簧和混合式空气弹簧三种。如图3.2、图3.3、图3.4所示。按密封结构形式分为压力自封式、轮缘夹紧式、箍环密封式和混合式四大类。膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形；囊式空气弹簧主要靠

40、橡胶气囊的挠屈获得弹性变形；混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式。囊式空气弹簧根据橡胶气囊曲数不同分为单曲、双曲和多曲囊式空气弹簧。气囊各段之间镶有金属轮缘，目的是承受内压张力。囊式空气弹簧的有效面积变化率及弹簧刚度较大，振动频率也较高。图3.2囊式 图3.3膜式 图3.4混合式膜式空气弹簧的结构是在盖板和底座之间放置一个圆柱形橡胶气囊，通过气囊挠曲变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧可得到比囊式空气弹簧更为理想的弹性特性曲线。膜式空气弹簧在正常工作范围内，弹簧刚度变化要比囊式空气弹簧小，同时也可通过改变底座形状的方法，控制有效面积变化率，以获得比较理想的弹性特性。膜式空气弹簧有效面积变化率也比囊式

41、空气弹簧小。膜式空气弹簧可通过改变气囊长度来增加工作行程。根据橡胶气囊与上盖板和底座的连接方式不同又可分为约束膜式和自由膜式空气弹簧两种。约束膜式空气弹簧密封一般用螺栓夹紧密封；自由膜式空气弹簧采用气囊内的压力自封。混合式空气弹簧的气囊上部与囊式气囊的上部基本相同，它的下部则与膜式空气弹簧类似，混合式空气弹簧兼有膜式空气弹簧与囊式空气弹簧的特点。空气弹簧气囊是由高质量的弹性物质构成，具有良好的力学特性。一般工作内压为0.40.6MPa，适应于-40C+70C的温度变化，并能抗磷化物质、酸碱溶剂和臭氧等的侵蚀。橡胶空气弹簧的载荷主要由帘线承受，帘线的层数主要由2层组成，特殊要求产品由4层帘线层组

42、成。内层橡胶主要是起密封作用，外层橡胶除了起密封作用外，还起保护作用。3.1.1空气弹簧特性(1)空气弹簧具有其刚度随气囊压力和辅助气室以及底座形状的变化而改变的特点，因此可以根据需要将空气弹簧设计成具有理想刚度特性的形式。在装有高度阀的空气弹簧悬架中还可实现在任何载荷下车身固有频率保持不变这一特性，从而提高了车辆行驶平顺性。而对于普通金属弹簧，当设计参数确定后，其刚度固定不变，所以车辆载荷发生变化时其固有频率随载荷的变化而改变，从而无法保证在任何载荷下都具有较好的行驶平顺性。图3.5是普通金属弹簧悬架和带有高度调节阀的空气弹簧悬架的静态特性比较曲线，图中a为载荷挠度特性，b为载荷频率特性。由

43、a可以看出，对于金属弹簧悬架其静挠度随载荷增加而增大，而对于空气弹簧悬架其静挠度在所有载荷条件下都几乎保持不变，从b可以看出当载荷变化时金属弹簧悬架的固有频率变化比空气弹簧悬架大，说明空气弹簧悬架具有其固有频率基本保持不变的特性。a b图3.5两种不同悬架静态特性比较曲线图3.6两种不同弹簧的静特性比较(2)空气弹簧具有非线性弹性特性，可以将其特性曲线设计成理想形状。图3.6为金属弹簧和空气弹簧的静特性比较。在相同的载荷作用下，空气弹簧的当量静挠度比钢板弹簧的静挠度大得多，这就使得空气弹簧可以得到比钢板弹簧低得多的振动频率，从而提高行驶平顺性。空气弹簧的载荷位移曲线形状呈反“S形，作该曲线上某

44、点的切线便得到该点的刚度。通过合理选择设计参数，可使空气弹簧在正常工作范围内刚度及其变化较小，而在伸张或压缩的边缘区段刚度逐渐增加。这样，可以保证车辆在正常行驶时的平顺性，而在急转弯、加速和制动等行驶工况，空气弹簧在大幅度拉伸和压缩时，其刚度逐渐增加，从而能限制车身的运动，提高操纵稳定性。空气弹簧具有变刚度特性，固有频率可以根据需要适当地改变，板簧则不具有这种功能。 (3)空气弹簧的通用性好，对于同一种空气弹簧，当充气压力改变时，可以得到不同的承载能力，因此，同一种空气弹簧可以适应多种载荷的要求。另外，可以通过高度控制系统的作用，使空气弹簧具有不同的安装高度，因此，同一种空气弹簧又能适应多种结构的要求。(4)空气弹簧质量轻，对于高频振动的吸收和隔振、消声能力好。空气弹簧没有钢板弹簧的片与片之间的摩擦问题，与钢板弹簧相比，空气弹簧没有金属相碰和摩擦，工作时空气介质内摩擦极小，几乎没有噪声。(5)空气弹簧单位质量的储能量与其它弹性元件相比是最高的。空气弹簧单位质量的储能量与橡胶气囊的工作压力和气体在标准状态下的密度有关。对于在6.0MPa工作压力下的氮气，其单位质量的储能量可达到3.3105Nm/Kg,而钢板弹簧、螺旋弹簧、橡胶弹簧单位质量的储能量分别仅为76Nm/Kg115Nm/Kg、178Nm/Kg280Nm/Kg