4.5空⽓悬架、油⽓弹簧设计
4.5.1空⽓悬架的设计
空⽓悬架多应⽤于各类⼤型客车和⽆轨电车上，在⾼级轿车、长途运输重型载货汽车和挂车上也有所采⽤。其弹性元件是由夹有帘线的橡胶囊或膜和冲⼊其内腔的压缩空⽓所组成。这种悬架除弹性元件、减振器和导向机构外，⼀般还装有车⾝⾼度调节装置。 由于空⽓弹簧可以设计得⽐较柔软，因⽽空⽓悬架可以得到较低得固有振动频率，同时空⽓弹簧的变刚度特性使得这⼀频率在较⼤的载荷变化范围内保持不变，从⽽提⾼了汽车的⾏驶平顺性。空⽓悬架的另⼀个优点在于通过调节车⾝⾼度使⼤客车的地板⾼度和载货汽车的货箱⾼度随载荷的变化基本保持不变。此外，空⽓悬架还具有空⽓弹簧寿命长、质量⼩以及噪声低等⼀些优点。 高压软起
空⽓悬架的不⾜之处在于：结构复杂，与传统的钢制弹性元件相⽐，需要增加压⽓机、车⾝⾼度调节器以及⽓阀等零部件；价格昂贵；空⽓弹簧尺⼨较⼤，不便于布置；需要专门的导向机构传递侧向⼒、纵向⼒及制动、驱动⼒矩。
正是由于这些原因，普通轿车上很少采⽤空⽓悬架。戴姆勒—奔驰公司仅在其最⾼档的600系列轿车上
才装有空⽓悬架。
按照结构特点，空⽓弹簧可以分为囊式和膜式两⼤类。囊式空⽓弹簧结构相对简单，制造⽅便，但刚度较⾼，因⽽常⽤于⼤型客车、⽆轨电车和载货汽车，并且常配有辅助⽓室以降低弹簧刚度。膜式空⽓弹簧刚度⼩，适合于⽤作轿车悬架，但同等空⽓压⼒和尺⼨下其承载能⼒⼩，并且动刚度会增⼤。
图4－17
如图4—17所⽰，当在充满⽓体的空⽓弹簧上作⽤外⼒P 后，会引起弹簧的微⼩变形df ，相应的⽓体容积变化量为dV 。由于囊壁变形所做的功与外⼒所作的功相⽐可以忽略，因⽽外⼒作的功Pdf 等于⽓体受压作的功dV p p a )(-
dV p p Pdf a )(-= （4－39）
黑导电布
式中p ——弹簧内空⽓的绝对压强；
a p ——⼤⽓压强。
k ——⽓体常数，当汽车载荷缓慢变化时，弹簧内空⽓状态的变化接近于等温过程，可取k ＝1；当汽车在⾏驶过程振动时，弹簧内空⽓状态的变化接近于绝热过程，可取k ＝1.4；实际计算时，通常取k ＝1.2～1.4。
定义弹簧的有效⾯积
df dV A eff /-= （4－40）
可以得到
eff a k k eff a A p V V p A p p P
-=-=00)( （4－41）将上式对位移求导可得空⽓弹簧得刚度为
电子标签分拣系统df dA p V V p A V V kp df
dA p p A df dp C eff a k k eff k k eff a eff ???? ??-+=-+=+002100)( （4－42）
这表明空⽓弹簧的刚度由两部分构成，分别由⽓体体积的变化和有效⾯积的变化⽽引起。在设计空⽓弹簧时，对这两个⽅⾯都要加以考虑。
在静平衡位置时，有0p p =，0V V =，代⼈式(4－42)可得到静平衡位置的弹簧刚度为
df
dA p p A V kp C eff a eff )(200-+= （4－43）从中可以看出，要想获得较软的刚度，应该增⼤0V ，但在布置上⼜不允许占⽤过⾼的空间，因⽽常常采⽤增加辅助⽓室的办法来达到增⼤0V ，减⼩刚度的⽬的。辅助⽓室容积ae V 以及静平衡位置压⼒0p 对空⽓弹簧弹性特性的影响如图4—17和图4—18所⽰。
图4－18
增加辅助⽓室后，可使空⽓弹簧的弹性特性更接近于理想弹性特性，但辅助⽓室的容积⼀般不超过弹簧容积的3倍。
由于空⽓弹簧⽆法承受侧向⼒及转矩，必须为悬架选择恰当的导向杆系。⽬前常⽤的有以下三种⽅式：①⽤钢板弹簧作为导向元件，这种⽅法的优点在于可以利⽤以前的零部件，便于改装，同时板簧与空⽓弹簧联合作⽤可使悬架弹性特性更接近理想，悬架的偏频在很⼤载荷范围内近似保持不变。②纵臂式，这种⽅式增加了设计的灵活性，可以较好地保证悬架的纵倾特性，车轮跳动时主销倾⾓的变化量也能满⾜要求。③A型架式，实际上为纵臂式的变形，其侧向刚度较⼤，可减⼩车⾝侧向摆动的加速度，从⽽减⼩悬架中出现的附加载荷，多⽤于重型车的悬架。在轿车上，⼀般前悬采⽤双横臂，后悬采⽤纵臂式导向机构。
空⽓悬架车⾝⾼度调节机构是⼀端固定在车架、⼀端固定在车⾝上的联动阀，当车引⾼度变化时，阀动作打开相应的⽓路，向弹簧⽓室中补充或由弹簧⽓室放出空⽓，达到测节车⾝⾼度的⽬的。
汽车在正常⾏驶过程中，由于垂向振动或侧倾，车⾝与车桥之间总会发⽣相对位移。在设计车⾝⾼度调节器时，必须采取必要的措施以防⽌在此类情况下车⾝⾼度调节器频繁动作。
图4—19 带电控单元的空⽓悬架系统⽰意图
1－车⾝⾼度传感器；2－空⽓弹簧；3－空⽓压缩机；
4－电控单元；5－四路进排⽓阀；6－车况输⼊
图4—19所⽰为带电⼦控制单元的轿车⽤空⽓悬架系统⽰意图。电控单元可以根据当时的车况、驾驶员的要求和三个车⾝⾼度传感器的测量信号分别控制四路进⽓/排⽓阀的开闭，从⽽⾃如地调节车⾝⾼度、车⾝姿态⾓和悬架的刚度。
4.5.2油⽓弹簧的设计
油⽓弹簧是空⽓弹簧的⼀种特例，其⼯作原理如图4—20所⽰。
图4—20 油⽓弹簧⼯作原理图
1－油液；2－⽓体；3－橡胶膜；4－活塞荧光寿命测试
其中起弹性元件作⽤的仍是密封在⼯作⽓室内的惰性⽓体(⼀般为氮⽓)，但在⽓体与活塞之间引⼊油液作为传⼒介质。通常⽤弹性橡胶膜将⽓体与油液隔开，从⽽防⽌在⾼温、⾼压及复杂的⼯作条件下⽓体溶于油液，确保性能的稳定性。由于油⽓弹簧采⽤钢制⽓室，因⽽与空⽓弹簧相⽐，可以有更⾼的⼯作压⼒，通常为5～7 MPa，有的⾼达20MPa。因此在同样的⼯作条件下，油⽓弹簧具有尺⼨短、质量⼩的优点，便于在车上布置，⽤于重型⾃卸汽车上⽐钢板弹簧轻50％以上。油⽓弹簧的其他优点还包括：传⼒的油液介质同时也可起到润滑滑动表⾯的作⽤；在缸筒内安装内置节流阀，可以提供必要的阻尼⼒使油⽓弹簧同时起减振作⽤，从⽽取消了单独的减振器；依靠车⾝⾼度调节阀调节油液的压⼒，可以⽅便地实现车⾝⾼度的调节；油⽓弹簧具有较低的固有振动频率等。其缺点有：由于⼯作介质为⾼
单面铜基板压⽓体和油液，因⽽对相对运动部件的表⾯粗糙度、耐磨性、装配精度以及密封环节的设计都提出了较⾼的要求，以确保密封性。在使⽤过程中⽓体会缓慢地泄漏，需要专门的充⽓装备及作业规程并及时充⽓。所以油⽓弹簧结构较复杂，维修保养较⿇烦。⽬前油⽓弹簧常⽤于重型汽车尤其是重型⾃卸汽车上，也有个别轿车采⽤油⽓弹簧(如雪铁龙DS —19型汽车)。
油⽓弹簧的典型结构是单⽓室结构，除此之外，还有双⽓室(即带反压⽓室)和两级⽓室(或两级压⼒式)等结构型式。
由于油⽓弹簧的⽓体密封在⼯作⽓室内，在不同的载荷下其质量维持不变，因⽽⼜称为定质量空⽓弹簧。与此相⽐较，上⼀节所讨论的囊式和膜式空⽓弹簧在给定的⼯作⾼度下，其⼯作容积不受载荷的影响，基本维持不变，因⽽也称为定容积空⽓弹簧。
单⽓室油⽓弹簧的特性可⽤式(4－39)求得。在式(4－40)中，由于油⽓弹簧的有效⾯积df dV A eff /-=就是活塞⾯积A ，当活塞位移时其⾯积A 保持不变，即0/=df dA eff ，因⽽弹簧刚度C 可表述为
21002100A V
V kp A V V kp C k k eff k k ++== （4－44）为计算⽅便起见，今将⽓体体积y 折合成活塞⾯积A 和⼀⾼度H 的乘积，即引⼊⽓体折算⾼度A V H /=，则上式进⼀步简化为
k V V H A kp C ??
=00 （4－45）在静平衡位置时，有
00H A kp C = (4－46)) 式中0H ——静平衡位置时⽓体折算⾼度，
A V H /00= （4－47）
由式(13—4)、(13—95)和式(13—87)可得到在静平衡位置时的振动偏频n (Hz)为
0021
H gk p p p n a ?-=π（4－48）式中g ——重⼒加速度，g ＝9810mm ／2s 。
由式（4－48）可以看出，振动的偏频与静平衡位置时的折算⾼度成反⽐。亦即当弹簧所承受的载荷增加时，由于⽓体被压缩，其折算⾼度减⼩，振动频率增加；当载荷减⼩时，⽓体的体积增加，折算⾼度增⼤，振动频率减⼩。这种振动频率随载荷增加⽽增⼤的特性与⼀般线性弹簧刚好相反。
由于载荷减⼩时油⽓弹簧的刚度减⼩，在伸张⾏程时有可能导致动容量太⼩，经常发⽣撞击限位块的情况。为防⽌这种情况发⽣，可以采取增⼤伸张⾏程阻尼⼒的办法，也可以采⽤双⽓室即带反压⽓室结构。在该种结构中有⼀个反压⼯作⽓室，其中有⼀浮动活塞将油液与⾼压⽓体分隔，油液有回路与主⽓室的油液相通。因此，带反压⽓室油⽓弹簧的刚度由主⽓室与反压⽓室的参数共同决定。通过合理选择主⽓室与反压⽓室的参数，可以得到恰当的弹簧
刚度特性。
油⽓弹簧的另⼀种型式为两级⽓室或两级压⼒式结构。在这种结构中，有两个并联⼯作的⽓室，其中之⼀为主⽓室，其⼯作压⼒1p 与单⽓室油⽓弹簧相近，另外⼀个⽓室称为补偿⽓室，其中充以⾼压⽓体，⼀般其压⼒c p 约为1p 的1.5～2.0倍。当弹簧承受轻载时，只有主⽓室的⽓体参与⼯作，当所承
受的载荷超过某⼀临界载荷0P 时，补偿⽓室开始参与⼯作，此时，由于⽓体总容积的增加，使得⽓体折算⾼度增加，弹簧刚度下降，振动频率降低，从⽽改善了汽车的⾏驶平顺性。两级⽓室型油⽓弹簧的作⽤原理与钢板弹簧主、副簧结构的类似，它们都是为了使汽车在空、满载时均具有良好的平顺性，但钢板弹簧是当载荷增加时增⼤刚度，⽽油⽓弹簧则要减⼩刚度。
4.6独⽴悬架导向机构设计及强度校核
4.6.1设计要求
1)悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过±4.0mm，轮距变化⼤会引起轮胎早期磨损。
2)悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应产⽣纵向加速度。
3)汽车转弯⾏驶时，应使车⾝侧倾⾓⼩。在0.4g侧向加速度作⽤下，车⾝侧倾⾓不⼤于6°～7°，并使车轮与车⾝的倾斜同向，以增强不⾜转向效应。
4)汽车制动时，应使车⾝有抗前俯作⽤；加速时，有抗后仰作⽤。
对后轮独⽴悬架导向机构的要求是：
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1)悬架上的载荷变化时，轮距⽆显著变化。
2)汽车转弯⾏驶时，应使车⾝侧倾⾓⼩，并使车轮与车⾝的倾斜反向，以减⼩过多转向效应。
此外，导向机构还应⾏址够强度，并可靠地传递除垂直⼒以外的各种⼒和⼒矩。
⽬前，汽车上⼴泛采⽤上、下臂不等长的双横臂式独⽴悬架(主要⽤于前悬架)和滑柱摆臂(麦弗逊)式独⽴悬架。下⾯以这两种悬架为例，分别讨论独⽴悬架导向机构参数的选择⽅法，分析导向机构参数对前轮定位参数和轮距的影响。
4.6.2导向机构的布置参数
1.侧倾中⼼
双横臂式独⽴悬架的侧倾中⼼由如图4—24所⽰⽅式得出。将横臂内外转动点的连线延长，以便得到极点P，并同时获得户点的⾼度。将户点与车轮接地点N连接，即可在汽车轴线上获得侧倾中⼼W。当横臂相互平⾏时(图4－25)，户点位于⽆穷远处。作出与其平⾏的通过N点的平⾏线，同样可获得侧倾中⼼W。
h和P的计算法和图解法图4－24 横臂式悬架和纵横臂式悬架的距离
W
图4—25 横臂相互平⾏的双横臂式悬架侧倾中⼼的确定
双横臂式独⽴悬架的侧倾中⼼的⾼度W h 通过下式计算得出
t a n c o s 2R d K p b h V W ++=σβ (4－49) 式中)
sin()90sin(βαασ+-+= c K d K p +=βs i n
麦弗逊式独⽴悬架的侧倾中⼼由如图4—26所⽰⽅式得出。从悬架与车⾝的固定连接点E 作活塞杆运动⽅向的垂直线并将下横臂线延长。两条线的交点即为P 点。
图4—26 普通规格的麦弗逊式悬架的尺⼨W h 和P 的计算法和图解法
麦弗逊式悬架的弹簧减振器柱EG 布置得越垂直，下横臂GD 布置得越接近⽔平，则侧倾中⼼W 就越接近地⾯，从⽽使得在车轮上跳时车轮外倾⾓的变化很不理想。如加长下横臂，则可改善运动学特性。
麦弗逊式独⽴悬架侧倾中⼼的⾼度W h 可通过下式计算
s
V W r d K p b h ++=σβtan cos 2 式中)
sin(βα++=o c K d K p +=βsin
2.侧倾中⼼
在独⽴悬架中，前后侧倾中⼼连线称为侧倾轴线。侧倾轴线应⼤致与地⾯平⾏，且尽可能离地⾯⾼些。平⾏是为了使得在曲线
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