【技研】空气悬架的设计要点

一、采用空气悬架的目的――改善汽车使用性能

1．改善平顺性，减小车轮对地面动载

1）影响平顺性的三个主要系统：

（1）    轮胎

（2）    悬架

（3）    座椅

2）影响车轮动载的主要因素：

（1）    轮胎刚度

（2）    悬架刚度与阻尼

（3）    簧上质量与簧下质量的比值

2．空气悬架应达到较好的平顺性指标，才有被选用的价值（改善平顺性的同时，也减小了车轮动载）

1）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）。

2）偏频――单自由度系统自然振动固有频率（客车）：

（1）    板簧：95－105cpm(1.6-1.75Hz)；

（2）    气簧：

①    现阶段80－85cpm(1.3-1.4Hz)；

②    高级阶段（路面不平度进一步提高后）65－70cpm(1.1-1.16Hz)。

3）阻尼――理论上的阻尼比为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。

4）抗侧倾能力，应在0.4g侧向加速度条件下,稳态侧倾角Φ≤5－6゜。

3．充分认识并利用空气悬架的优点

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）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。

4）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。

二、设计、开发空气悬架的六大技术关键

1．空气弹簧（气簧）

1）类型的选择

（1）    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。

（2）    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。

注：弹性作用的度量似应以折算静挠度为宜，参阅复合式空气悬架的计算公式，参见附件A。

3）刚度计算公式

（1）    空气弹簧刚度计算公式，见附件B。注意标准大气压的取值与单位有关。

（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，参见附件C。

（4）    公式中的气压p0、承压面积A、体积V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）空气弹簧的气密性，按标准检验。

（1）    封口气密性

①    机械式

a.    嵌压式，可靠，但只一次性使用，金属件与气囊一起更换。

b.    螺栓夹紧式，金属件不必更换，但初始成本较高。

②    自封式：成本低，结构简单。封口精度要求较高，否则会漏气。悬架反向限位要可靠，否则会出现行驶中脱囊大事故。

（2）    囊体橡胶的气囊性要好，否则会发生慢漏。

5）气囊的疲劳寿命，按标准试验。目前国外、国内的产品都能满足要求。

2．高度控制阀

1）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

   高度控制阀的数量及布置有下列几种：

（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。

3．减振器

1）减振器的选型

目前还缺乏理论计算公式可遵循，一般借助经验公式选取复原阻力，再按产品说明书选择工作缸尺寸。由于空气悬架几乎没有库伦阻尼，所以公式中系数应选上限甚至超上限，以期达到理论上的阻尼比0.33-0.35。

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。

2）阻尼可调的减振器

减振器的阻尼值一般是不变的，在汽车悬架中称为被动悬架，它存在两个缺点：

（1）    悬架载荷变化后，系统阻尼比也变化。即，若满载时阻尼合适，空载时则过大，反之亦然。设计时只能选折衷值，这样，满载时阻尼值就偏小些，空载时则偏大。平顺性总不能保持最佳。

（2）    路面不平度输入不同时，若阻尼比不变，则低频大振幅输入时略显阻尼不足，而高频小振幅输入时又显阻尼过大。所以，阻尼值应随不同路况及车速而改变，才能保持平顺性最佳。

调节减振器阻尼值的方法目前有两种，一种借助电磁阀改变减振器阀门的节流孔大小；另一种靠磁场改变减振器内液体的粘度，即所谓电磁流变原理。控制方法分为手动及自动控制两类，后者则是目前流行的半主动悬架或自适应悬架。空气悬架要达到理想的性能，最终要发展到半主动甚至全主动悬架（阻尼、刚度都自动调节）。

3）有反向限位的减振器

若空气悬架系统中没有反向限位装置（如钢丝绳、钢箍带、半随圆板簧、反向限位块等），就必须利用减振器来实施反向限位。

主要结构有两种：

（1）    橡胶缓冲圈。当活塞被拉伸到最高点前与橡胶圈接触，压缩橡胶圈，阻力急骤增大，起到缓冲限位作用。

（2）    液压节流。当活塞被拉伸到最高点附近，节流孔被关闭，阻力急骤增大，上腔油压也急骤增大，起到缓冲限位作用。

4．抗侧倾能力

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。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。

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。

5．导向杆系

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。本文仅就目前常见的几种方案以及设计时应注意的事项做简要介绍。

1）方案介绍

（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。

6．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。