载货汽车的悬架系统结构的设计毕业设计说明书

载货汽车的悬架系统结构的设计目录摘要.Abstract. 1 绪论31.1 悬架的概述31.2 悬架的分类41.3 重型载货汽车悬架系统目前的工作状况51.4 悬架技术的研究现状及发展趋势61.4.1悬架技术的研究现状61.4.2悬架技术的发展趋势61.4.3悬架设计的技术要求62 空气悬架结构72.1 空气悬架结构简介72.1.1空气悬架系统的基本结构72.1.2空气弹簧的类型72.1.3导向机构82.1.4高度控制阀82.2 空气悬架系统的工作原理83 悬架主要参数的确定103.1 载货汽车的结构参数103.2 悬架静挠度103.3 悬架动挠度113.4 悬架弹性特性114 弹性元件的设计134.1 空气弹簧力学性能134.1.1空气弹簧刚度计算134.1.2空气弹簧固有频率的计算154.1.3空气弹簧的刚度特性分析164.2 高度控制阀185 悬架导向机构的设计195.1 悬架导向机构的概述195.2 横向稳定杆的选择195.3 侧顷力臂的计算方法205.4 稳定杆的角刚度计算225.5 悬架的侧倾角校核236 减振器机构类型及主要参数的选择计算246.1 分类246.2 主要参数的选择计算257 技术与经济性分析308 结论31参考文献32致谢33附录A 译文34附录B 外文原文41附录C 维图形.511 绪论1.1 悬架的概述悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车架和车身时，可能引起汽车机件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间作弹性联系。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减（振幅迅速减小）。为此，在许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减振器。以下对悬架重要的组成部分进行简单的介绍。(一)弹性元件弹性元件主要是把车架或车身与车桥或车轮弹性的连接起来，主要有空气弹簧，钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等。(1)空气弹簧空气弹簧是由橡胶囊所围成的一个密闭容器，在其中贮入压缩空气，利用空气的可压缩性实现其弹簧的作用。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体气压升高，弹簧刚度增大。反之，当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故空气弹簧具有较理想的弹性特性。随着科学技术突飞猛进，生活水平的不断提高，人们对汽车的乘坐舒适性及各方面的性能提出了更高的要求，这便迫使各汽车生产厂家不断的引进先进技术，生产出更好的产品，保持强大的竞争能力。从而空气弹簧的设计与研究也越来越受到车辆设计人员的青睐。在本论文主要是对空气弹簧进行了研究与探讨。(2)钢板弹簧由多片不等长和不等曲率的钢板叠合而成。钢板弹簧除具有缓冲作用外，还有一定的减震作用。(3)螺旋弹簧只具备缓冲作用，多用于轿车独立悬挂装置。由于没有减震和传力的功能，还必须设有专门的减震器和导向装置。(4)扭杆弹簧将用弹簧杆做成的扭杆一端固定于车架，另一端通过摆臂与车轮相连，利用车轮跳动时扭杆的扭转变形起到缓冲作用，适合于独立悬挂使用。(二)导向装置导向装置是指悬架中的某些用来传力同时还承担着使车轮按一定轨迹相对车架和车身跳动的任务的机构。导向装置主要有以下几点作用：在车架或车桥之间传递力矩。使车桥或车轮按一定轨迹相对车身或车架跳动。(三)减振装置减振装置主要是用来消耗振动能量，衰减振动。弹性系统在受到冲击后，将会产生振动，减震器可以使振幅迅速减小，以避免持续的振动给驾驶员的不舒适和疲劳。车轮相对于车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。由此可见，上述这三个组成部分分别起缓冲、减振和导向的作用，然而三者共同的任务则是传力。432151弹性元件 2纵向推力杆 3减振器 4横向稳定器 5横向推力杆图1-1 汽车悬架组成示意图1.2 悬架的分类根据导向机构型式的不同，汽车悬架又可分为非独立悬架和独立悬架。非独立悬架的结构特点是，左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架和车价（或车身）连接；独立悬架的结构特点是，左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接。独立悬架是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。现代轿车大都是采用独立式悬架，按其结构形式的不同，独立悬架又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架等。图1-2 独立悬架非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用在货车和大客车上。图1-3 非独立悬架1.3 重型载货汽车悬架系统目前的工作状况 现代的载货运输特点是要求多样化的，简单的将货物从甲地运送到乙地的运输方式以满足不了运输要求。在经济领域中，由于道路情况不同，运输的安全性，守时性，灵活性以及运输的价格和效率比直接关系到企业的命运和存亡。运输质量和安全首先通过行驶系统来保证，因此越来越多的车辆制造者和汽车企业家认识到悬架系统的重要性。目前的重型载货汽车一直面临着一个问题就是：汽车载重量和平顺性之间的矛盾。载货汽车空载时汽车的舒适性会比满载时差的很多，尤其是大型工程运输车在凹凸不平的路面甚至是露天矿山上长时间往返的行驶时，这种情况更加明显。在空载或少量载荷时货车的平顺性及其差，这样会使驾驶员和乘坐者很容易感到疲劳，从而引发交通事故，造成严重的后果。对于载重货车而言，根据不同的用途，不同的工况以及客户的需求承载能力和平顺性必须要综合考虑。目前的重型载货汽车多用被动式的定刚度的悬架系统，若要求其有较高的承载能力，势必要有很大的悬架刚度。然而根据以往的研究得知，悬架的刚度越大汽车的行驶平顺性和安全性能也就越差。因此，承载能力与平顺性一直是载货汽车悬架系统设计中对永恒的矛盾。1.4 悬架技术的研究现状及发展趋势1.4.1悬架技术的研究现状机械装置的基本规律指出：载货汽车良好的舒适性，操纵稳定性及良好的承载能力在使用定刚度和定阻尼减震器的传统悬架中是不能同时满足的。因此，传统的悬架在设计过程中不可避免的要进行乘坐舒适性和操纵稳定性的折衷，尽管近年来传统悬架在结构上的不断更新和完善，采用优化设计方法进行设计，已使汽车(特别是轿车)的乘坐舒适性和操纵稳定性有很大提高，例如横臂式独立悬架、纵臂式独立悬架、车轮沿主销移动的悬架(烛式和麦弗逊式)等等的采用，但传统悬架系统仍然受到许多限制，如最终设计的悬架参数(弹簧刚度、减振器阻尼系数)是不可调节的，致使传统悬架系统只能保证汽车在一种特定的道路和速度条件下达到性能最优的折衷。1.4.2悬架技术的发展趋势当前在大型商用汽车、半挂车中采用空气悬架系统越来越多。空气悬架突出的优点是平顺性好，维修少，寿命长，对承运的乘客和货物的保护比钢板弹簧悬架有着很大的提高，而对整车和路面的损坏程度也大大减少。钢板弹簧在不同的载荷下产生不同的弯曲，这样会导致整车到地面的距离总是在发生变化，如果保持弹簧的弹性而增加载荷的话，这会降低弹簧的固有频率甚至使弹簧的特性发生改变。空气弹簧基于空气的可压缩性，封闭在气囊里的空气是弹性元件，空气弹簧通过不同气囊的压力来平衡不同的载荷。空气弹簧的固有频率稳定，因此它的弹性性能也稳定，这样就意味着空气弹簧更加的接近理想状态。随着我国高速公路的迅速发展，公路运输量的增加，对汽车性能的要求也越来越高，空气悬架凭着其自身的优越性能在货车上的应用必将越来越广泛。另外，随着重型载货汽车对路面的破坏机理的研究及认识的进一步加深，以及政府对高速路养护的进一步重视，空气悬架在重型货车上的应用也必将进一步增加。因此，对空气悬架的设计进行深入的研究也显得越来越重要。1.4.3悬架设计的技术要求对悬架提出的设计要求有：（1）保证汽车有良好的行驶平顺性；（2）具有适合的衰减振动的能力；（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性；（4）汽车制动或加速时，要保证车身稳定性，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要适合；（5）有良好的隔声能力；（6）结构紧凑、占用空间尺寸要小；（7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。2 空气悬架结构2.1 空气悬架结构简介2.1.1空气悬架系统的基本结构空气弹簧悬架具有变刚度、刚度小、振动频率低、车身高度不变等优点。典型的机械式空气悬架主要包括以下几个部分：(1)空气弹簧空气弹簧是由橡胶囊所围成的一个密闭容器，在其中贮入压缩空气，利用空气的可压缩性实现其弹簧的作用。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体气压升高，弹簧刚度增大。反之，当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故空气弹簧具有较理想的弹性特性。(2)导向机构导向机构是承受汽车的纵向力、力矩及横向力。由于空气悬架只能承受垂直载荷，所以需要安装导向机构以承受横向力、纵向力及力矩以使车桥(或者车轮)按一定的轨迹相对车身或车架跳动。(3)减振装置减振装置主要是用来消耗振动能量，衰减振动。空气作为空气弹簧的工作介质，内摩擦极小，与板簧相比空气弹簧本身只有少量阻尼，所以空气悬架必须装有阻尼器，而且其阻尼要相应增加以达到迅速衰减振动的目的。但如果阻尼过大又会使反应迟钝并向车身传递过多的高频振动和冲击，所以减振器阻尼的匹配是否合理将影响悬架的性能。(4)高度控制阀高度控制阀是空气弹悬架系统的一个重要组成部分，其主要功能是：随整车载荷变化保持合理的悬架行程；高速时降低车身高度，保持车身稳定性，减少空气阻力；在起伏不平的路面上，可以提高车身高度从而提高了汽车的通过性，空气弹簧的优越性通过安装高度控制阀充分的显现出来。(5)其它附属装置空气弹簧以压缩空气作为介质，所以必须装有压气机以产生压缩空气，另外为了进一步提高空气弹簧的性能大部分空气悬架还装有辅助气室。现如今，随着科技的迅速发展，很多高档的客车、轿车以及商用车上已经成功的使用了电控空气悬架，这种悬架使用高度传感器和电子控制单元来控制空气弹簧的充气和排气，从而更加提高了空气悬架的控制精度和反应速度。但在功能好的同时也有其缺点：这种汽车悬架的结构更为复杂，而且成本非常高。所以在国内应用的还不是很广泛，但是这是汽车悬架发展的必然趋势。2.1.2空气弹簧的类型空气弹簧的结构可以设计成很多类型，根据压缩空气所用容器不同，可以将空气弹簧分为囊式、膜式两种形式。(1)囊式空气弹簧囊式空气弹簧是由夹有帘线的橡胶气囊、密闭在容器中的压缩气体所组成。气囊的内层用气密性好的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。根据橡胶气囊曲数不同可将其分为单曲、双曲和多曲的囊式空气弹簧。气囊各段之间镶嵌有金属轮缘，用于承受气体的内压张力。囊式空气弹簧的有效面积变化率较大，刚度较大，振动频率也较高。所以对于囊式空气弹簧来说，适当的选择空气弹簧的有效面积变化率和辅助气室容积，可以有效地降低振动频率。随着段数的增加，空气的弹簧的刚度会变小。主要是由于气囊的变形可由各个曲部平均分担，因而曲段数越多，空气弹簧的有效直径变化率就会越小。(2)膜式空气弹簧膜式空气弹簧的构造是在金属外筒与内筒或缸筒与活塞之间放置橡皮膜，通过膜的变形实现整体伸缩。在外筒的内壁与内筒的外壁上预先给出适当的倾斜或曲面，据此橡皮膜伸缩时可沿该壁面发生变形，受压面积随变形而变化。这就可以获得在标准高度下很软，而在大位移时变硬的特性，即合适的非线性弹簧特性。膜式空气弹簧在国内外大客车上的应用日益广泛。因膜式空气弹簧有效直径变化较小，其刚度较低，自振频率较低膜式空气弹簧的底座同时也是活塞，该空气弹簧的有效直径能通过改变活塞的外形从而得到改变。从而可以得到所需的弹性特性。许多膜式空气弹簧的底座还作为辅助气室以增加空气弹簧的总容积，改善空气弹簧的性能。这是提高空气弹簧系统隔振效果的有效措施之一。2.1.3导向机构导向传力机构是空气悬架的重要组成部件，要承受汽车的侧向力，纵向力及其力矩。因此要有一定的强度，布置的方式要合理。空气弹簧悬架中空气弹簧主要承受垂直载荷。如果导向机构布置的不合理则会给空气弹簧带来很大的负担，使其发生扭曲，摩擦等现象，恶化减震的效果，从而缩短了空气弹簧的寿命。汽车空气悬架导向机构主要有以下几点作用：在车架或车桥之间传递力矩。是车桥或车轮按一定轨迹相对车身或车架跳动。这是空气悬架中导向机构的最重要的一个作用。2.1.4高度控制阀高度控制阀是空气悬架系统的重要组成部分，其作用是保证车辆在任何静载荷下与路面保持一定的高度，而且空气弹簧的优势也只有在采用了高度控制阀的情况下才能得到充分的体现。汽车空气悬架的高度控制阀一般分为机械式和电磁式，按其组成可分为带延时机构高度控制阀和不带延时机构高度控制阀-由于目前在国内空气悬架多采用机械式高度阀，因而在此针对带延时机构和不带延时机构的两种机械式高度阔进行简单介绍。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，车辆在运行过程中高度阀的进、排气阁不断地关闭，空气消耗量大，为此一般在空气通道上设置一节流孔，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。2.2 空气悬架系统的工作原理在理想状态下，装有空气弹簧悬架的汽车通过压缩空气的压力能够随载荷和道路条件变化进行自动调节，不论满载还是空载整车高度几乎不会发生变化。可以大大提高乘坐的舒适性。空气悬架的工作原理：空气压缩机供给储气筒压缩空气，储气筒上装有压力保护阀，当储气筒的压力超出设定压力时，压力保护阀会自动打开把过载压力卸掉。当车辆在平直路面上行驶时，高度阀的充气阀门和排气阀门均关闭，空气弹簧气囊内即不充气也不放气，车架高度保持不变。当车辆行驶在不平路面或转弯时，车轮产生跳动或转弯离心力都会使车架产生倾斜，连接在车架上的高度控制阀的控制杆就会转过一定的角度，当车辆载荷增加时，空气弹簧被压缩，车架整体下移，高度控制阀控制杆向上旋转，使控制阀的充气阀门打开，压缩空气经高度控制阀向气囊内充气，在气压的作用下，车架回升，高度控制阀的控制杆随之向下旋转，使控制阀的充气阀门的开度逐渐变小直至关闭，此时车架恢复到设定高度，即空气弹簧气囊回升到原来的高度；当车辆载荷下降时，空气弹簧气囊在其腔内压缩空气的作用下伸长，车架整体上移，高度控制阀控制杆向下旋转，使控制阀的放气阀门打开，压缩空气经高度控制阀向外界排出，车架下降，高度控制阀控制杆随之向上旋转，使控制阀的放气阀门的开度逐渐变小直至关闭，此时车架逐渐恢复到设定高度。3 悬架主要参数的确定3.1 载货汽车的结构参数重型载荷汽车是货车一种，它的吨位必须满足大于14t才能称之为重型载荷汽车。针对目前国内载货汽车空气悬架系统的设计与研究较少，本文在现有东风日产柴牌DND1250CWB459P钢板弹簧悬架载货汽车的基础上，进行了空气悬架改装设计，对多轴载货车辆空气悬架系统的设计具有一定的参考意义。DND1250CWB459P整车参数如下表所示。为了满足舒适性及行驶平稳性的要求, 悬架要求全部采用空气弹簧。其前悬架采用四连杆机构空气悬架系统, 空气弹簧布置在桥的正上方, 其作为弹性元件承受全部垂直载荷。后悬架也全部采用空气悬架,空气弹簧布置在与桥连接的车架上方。整车的主要尺寸参数有货车的外廓尺寸的长为10150mm，宽为2400mm，高为2985mm，轴距4615+1300mm，轮距（前/后）为2045/1860mm，前悬为1400mm，后悬为2835mm。整车的主要质量参数有整车整备质量为9805kg，额定载质量为15000kg，最大总质量为25000kg，前轴与中轴的轴距为3 800mm，中轴与后轴的轴距为1380mm；前悬轮距为1958mm，后悬轮距为1800mm；车轮静力半径为540mm，满载时整车重心高度为1800mm。前轮定位参数有主销内倾角为330，主销后倾角为130，前轮外倾角为130，前轮前束为0mm-1mm。3.2 悬架静挠度悬架静挠度是指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时悬架刚度c之比，即。对于大多数汽车而言，其悬架质量分配系数，因而可以近似地认为，即前、后桥上方车身部分的集中质量的垂直振动是相互独立的，并用偏频，表示各自的自由振动频率。偏频越小，则汽车的平顺性越好。采用钢板弹簧的载货汽车的偏频略高于轿车，前悬架约为1.3Hz，后悬架则可能超过1.5Hz，采用空气弹簧后，这一数值可以进一步降低，载货汽车为0.8-1.2Hz。为了减小汽车的角振动，一般汽车前、后悬架偏频之比约为=0.85-0.95。； （3-1），为前、后悬架的刚度（N/cm）；，为前、后悬架的簧上质量（kg）当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可以用下式表示；式中，g为重力加速度，g=9810mm/。将，代人式（3-1）得到 ； （3-2）式中， 的单位为mm。有式可知，悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频n。因此，保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确的选取悬架的静挠度。在选取前、后悬架的静挠度值和时，希望后悬架的静挠度比前悬架的静挠度小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角振动。理论分析证明：若汽车以较高车速驶过单个路障，/1时的车身纵向角振动要比/1时小，故推荐取（0.80.9）。考虑到货车的前、后轴荷的差别，推荐。用途不同的汽车，对平顺性要求不一样。以运送人为主的轿车对平顺性的要求最高，大客车次之，载货车更次之。对普通级以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求在1.001.45Hz，后悬架则要求在1.171.58Hz。原则上轿车的级别越高，悬架的偏频越小。对高级轿车满载的情况，前悬架偏频要求在0.801.15Hz，后悬架则要求在0.981.30Hz。货车满载时，前悬架偏频要求在1.502.10Hz，而后悬架则要求在1.702.17Hz。选定偏频以后，再利用式(32)即可计算出悬架的静挠度。3.3 悬架动挠度悬架的动挠度是指从满载平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大形变。要求悬架应有足够的动挠度，防止破坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对货车，取60-90mm。据汽车最新使用手册得，采用空气弹簧的载货汽车的偏频=0.9Hz，=1Hz。代人公式（3-2）得，=307.0mm，=248.7mm。本设计选取=90mm，=60mm。3.4 悬架弹性特性悬架受到的垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于车身位移厂(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形厂与所受垂直外力F之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，称为线性弹性特性，此时悬架刚度为常数。当悬架变形与所受垂直外力F之间不呈固定比例变化时，弹性特性如图31所示。此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置(图中点8)附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好；距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大。这样可在有限的动挠度范围内，得到比线性悬架更多的动容量。悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功。悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架。轿车簧上质量在使用中虽然变化不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架。钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的，而带有副簧的钢板弹簧、空气弹簧、油气弹簧等，均为刚度可变的非线性弹性特性悬架。图31 悬架弹性特性曲线1缓冲块复原点 2复原行程缓冲块脱离支架 3主弹簧弹性特性曲线 4复原行程5压缩行程 6缓冲块压缩期悬架弹性特性曲线 7缓冲块压缩时开始接触弹性支架 8额定载荷4 弹性元件的设计空气悬架多应用于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有所应用。其弹性元件是由夹有帘线的橡胶囊或模和充入其内腔的压缩空气所组成的。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的比较柔软，因而空气悬架可以得到较低的固有频率，同时空气弹簧的变刚特性使得这一频率在较大的载荷变化范围内保持不变，从而提高了汽车的平顺性。空气悬架的另一个优点在于通过调节车身高度使得大客车的地板高度和载货汽车的货箱高度哦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、质量小以及噪音低等一些优点。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当简单，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，适应于用作轿车悬架，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。以橡胶囊为主要元件的囊式空气弹簧，在用来承受内压张力的钢质腰环分割下来，气囊被分为不同节数，并据此分为单曲、双曲和多曲气囊三种，囊式空气弹簧结构比较简单，制造容易，因此成本低；又因为工作时橡胶膜的曲率变化小，所以使用寿命长。本次设计选取双曲空气弹簧。图 41 双曲气囊空气弹簧1上盖 2橡胶膜 3腰环 4底座4.1 空气弹簧力学性能空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩空气。容积比、气体压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的力学性能。4.1.1空气弹簧刚度计算空气弹簧是利用橡胶气囊内压缩空气的反作用力作为弹性恢复力的弹性元件。刚度是空气弹簧的重要性能参数，用如下理论公式空气弹簧垂直刚度C计算： (4-1)橡胶气囊内压缩气体工作压力；标准大气压，取0.1MPa；空气弹簧有效承压面积；L空气弹簧有效行程；气弹簧有效承压面积变化比；V-空气弹簧内的空气体积；n为多变指数，取决于空气弹簧形变速度。空气弹簧缓慢振动时，弹簧内气体状态变化视为等温变化，n=1；空气弹簧剧烈振动时，弹簧内气体状态变化视为绝热过程，n=1314，本次设计选取n=1.380。囊式空气弹簧的有效面积变化率对空气弹簧的固有频率的影响较大，当空气弹簧在等压的条件下，有效面积的变化率=0，本次设计选取=0。由式（4一l）可知，空气弹簧的有效承压面积及其交化率对空气弹簧刚度的影响显著。囊式空气弹簧工作时有效承压面积交化率较大，弹簧刚度较大。由于分担气囊形变的曲囊越多，气囊有效承面积变化率越小，因此曲囊增多可减小囊式空气弹簧的刚度。在橡胶气囊正常工作气压范围内，膜式空气弹簧的有效承压积面变化率比囊式气弹簧小，即膜式空气弹簧的刚度比囊式空气簧小。同时，膜式空气弹簧可以通过改变活塞底部形状来控制有效承压面积变化率，以获得理想弹性特性。另外，囊式空气弹簧可以通过添加辅助气室，膜式空气弹簧可利用活塞底座空心内腔作为辅助气室来增大气体体积，从而降低弹簧刚度。1）前悬的空气弹簧刚度计算前悬架有四个气囊、四个减震器、两个高度控制阀、两根横向推力杆和两根纵向推力杆构成的四连杆结构。根据GB/T13061-91对汽车的空气弹簧的规定，本次选取的弹簧型号为B7-380X390的囊式空气弹簧。设前悬架非簧载质量按500kg计算，前悬架每支空气弹簧的承受负载为式中：G为前悬轴载荷为6370kg，i为空气弹簧个数，为前悬簧载质量，为前悬非簧载质量。代入推出为1467.5kg，每个空气弹簧受力为=14381.5N。n为多变指数，此处选取为1.380；为橡胶气囊内压缩气体工作压力，取；为标准大气压，取0.1MPa；为空气弹簧有效承压面积，在390mm的设计高度上当载荷为14381.5N时，弹簧内部压强为0.3Mpa，计算=14381.5/0.3=4.8010，V为空气弹簧体积V=3904.8010=18.710mm；为有效面积的变化率，当空气弹簧在等压的条件下，=0。将上述数据代入公式（4-1），经计算可得前悬空气弹簧刚度=69.8N/mm。2）后悬的空气弹簧刚度计算后悬架有四个气囊、四个减震器、两个高度控制阀、两根横向推力杆和两根纵向推力杆构成的四连杆结构。根据GB/T 13061-91对汽车的空气弹簧的规定，本次选取的弹簧型号为B7-380X390的囊式空气弹簧。式中：后悬轴载荷为=12740kg，j为空气弹簧个数，为后悬簧载质量，后悬非簧载质量=1000kg。代入推出为2935kg，每个空气弹簧受力为=28763N。对于同一种空气弹簧，变指数、有效面积不变，有效面积的变化率仍然为零，橡胶气囊内压缩气体工作压力，取，将参数代入式子（4-1）得到后悬空气弹簧刚度=118.9N/mm。4.1.2空气弹簧固有频率的计算弹簧振动固有频率用来表示，即= （4-2）式中 g重力加速度, g=9810mm/；D气囊圆截面有效直径；当空气弹簧的垂直刚度己知时，也可以用下式计算固有频率：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1.4；实际计算时，通常取1.21.4。从式子（4-2）可以看出：1）频率与选择的充气压力有关，越大，固有频率越低。这种影响在压力较低时尤为明显。当充气压力提高时，接近1时，再提高，则对降低固有频率无明显影响。频率与折算高度H=有关，H越大固有频率越低。特别是对于较小的气囊，增加H对降低固有频率有明显影响。对于较大的气囊，H的影响不是很明显。2）频率与有效面积的变化率有关，越大n越高。越小n越低。当充气压力提高时，接近1时，再提高，则对降低固有频率无明显影响，故本次设计选取=1；n为多变指数，此处选取为1.380；为有效直径变化率，一般囊式空气弹簧的有效直径变化率为0.350.40，膜式空气弹簧的有效直径变化率在0.100.2之间。本次设计选取=0.4；将上述参数代入（4-2）中空气弹簧固有频率=0.94Hz。4.1.3空气弹簧的刚度特性分析当在充满气体的空气弹簧上作用外力后，会引起弹簧的微小变形，相应的气体容积变化量为。由于囊壁变形所做的功与外力所作的功相比可以忽略，因而外力作的功等于气体受压作的功 （43）式中弹簧内空气的绝对压强； 标准大气压强。定义弹簧的有效面积 （44）可以得到 （45）将上式对位移求导可得空气弹簧得刚度为 （46）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，代人式(46)可得到静平衡位置的弹簧刚度为 （47）从中可以看出，要想获得较软的刚度，应该增大，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，减小刚度的目的。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：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。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。A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。4.2 高度控制阀高度控制阀是空气悬架系统的重要组成部分，其作用是保证车辆在任何静载荷下与路面保持一定的高度，而且空气弹簧的优势也只有在采用了高度控制阀的情况下才能充分体现。高度控制阀（以下称高度阀）分为机械式和电磁式，按组成分为带延时机构和不带延时机构。考虑到目前国内空气悬架多采用机械式高度阀，因此针对带延时机构和不带延时机构的两种机械式高度阀进行研究。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。图42 不带延时机构的高度阀示意图 高度阀的主要特性参数有截止频率一般为1Hz，不感带mm，动作延迟时间为s，低流量为120 L/Min，标准流量为350 L/Min，排气气流流速为875 L/min。5 悬架导向机构的设计5.1 悬架导向机构的概述空气悬架的主要组成部分除了空气弹簧以外，还有导向杆件、减振器、横向稳定器、高度控制组件及缓冲限位部件等组成。其中，导向机构发挥着非常重要的作用。导向传力机构是空气悬架中的重要部件，要承受汽车的纵向力、侧向力及其力矩，因此要有一定的强度，布置方式要合理，避免运动干涉。空气弹簧在悬架中主要承受垂直，减振、消振，如果导向机构设计得不合理，则会增加空气弹簧的负担，甚至会发生扭曲、摩擦等现象，恶化减振效果，缩短弹簧的寿命。汽车空气悬架导向机构的主要作用是：在车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间传递力或力矩。使车桥(或车轮)按一定轨迹相对车身或车架跳动。重型汽车空气悬架导向机构组成型式上主要有以下几种：（1）钢板弹簧混合式导向机构（2）双横臂式导向机构（3）双纵臂式导向机构 本设计选用双纵臂式导向机构图51 双纵臂四连杆导向机构在重型汽车空气悬架的设计中，双纵臂式导向机构被广泛的采用，下纵臂一般布置在两边，上面两根纵向推力杆的位置方式则可根据需要进行灵活的安排。一种是两下纵臂同样布置，另一种是两根上臂合在一起，布置在中间。这两种方式不能承受侧向力，需要横向推力杆。还可以将上面的两根推力杆倾斜布置，构成一个三角形架，他和下面的两根纵向推力杆构成一个四连杆机构。在设计时一般都采用4X4X4设计思想：四个气囊、四个减震器、四连杆结构。现今重型汽车上采用v型推力杆的结构也较为流行，这种结构在传递纵向力的同时也传递横向力，而且机构比较紧凑，简洁，空间布置更合理。5.2 横向稳定杆的选择为了降低汽车的固有振动频率以改善行驶平顺性，现在轿车悬架的垂直刚度值较小，从而使汽车的侧倾角刚度值也较小，结果是汽车转弯侧倾严重，影响了汽车的行驶稳定性。为此，现代汽车大多都装有横向稳定杆来加大悬架的侧倾角刚度以改善汽车的行驶稳定性。横向稳定杆带来的好处除了可以增加悬架的侧倾角刚度，从而减小汽车转向时车身的侧倾角外，适当地选择前、后悬架的侧倾角刚度比值，也有助于使汽车获得所需的不足转向特性。通过，在汽车的前、后悬架中都装有横向稳定杆，或者只在前悬架中安装。若只在后悬架中安装，则会使汽车趋于过多转向。横向稳定杆带来的不利因素有：当汽车在坑洼不平的路面行驶时，左右轮之间有垂向相对位移，由于横向稳定杆的作用，增加了车轮处的垂向刚度，会影响汽车的平顺性。在有些悬架中，横向稳定杆还兼起部分导向杆系的作用，其余情况下则设计时应当注意避免与悬架的导向杆系发生运动干涉。为了缓冲隔振和降低噪声，横向稳定杆与车轮及车架的连接处均有橡胶支承。本次设计选取DND1250CWB459P的前后横向稳定杆的形状如下图所示图52 横向稳定杆的外形图5.3 侧顷力臂的计算方法现在来讨论一下侧顷力臂的计算方法， 双纵臂式非独立前悬架布置方式如图53所示图53 纵臂式非独立悬架布置形式在这种悬架中，纵向推力杆只传递轮胎到车身的纵向力。当车身受到侧顷力作用时，地面通过两根斜向布置的导向杆的约束反力的台力Y来平衡。Y的作用点0在通过车轴的横向垂直平面上的投影0m即侧顷力矩中心。单纵臂式悬架的侧倾力矩中心与双纵臂类似，因篇幅有限，本文不再详细描述。整车侧倾力臂h的计算为： （5-1）式中-悬挂质量重心高度； -整车侧倾力矩中心高度。根据质心公式，簧载质量质心高度为： （5-2）式中：G为满载整车质量，G=25000kg；为非簧载总质量，=2500kg；为车轮静力半径，=540mm；为满载时整车重心高度，=1800mm。将上述参数代入公式可得=1940mm。 （5-3）式中 ，分别为车身在前后轴处的侧倾力矩中心高度；a整车悬挂质量重心到前轴的距离；l轴距；根据载荷分配关系，质心距前轴距离为： （5-4）根据上一章节计算可知前轴簧载质量=5870kg =11740kg；为前轴与中轴间距，=3800mm；为中轴与后轴间距，=1380mm。将参数代入上面（5-4）的公式，可得a=2990mm。根据计算后得知，为前悬架簧载质心到侧倾中心的距离，=650mm；为后悬架簧载质心到侧倾中心侧倾距离，=680mm：轴距l=4615+1300mm，及（5-4）所得a=2990mm，一起代入（5-3）得到=665mm。最后得出整车侧倾力臂=1940-665=1275mm。5.4 稳定杆的角刚度计算横向稳定杆的机构如图5-4所示。根据材料力学原理可求出稳定杆的角刚度。根据材料力学原理可求出稳定杆的角刚度由于连接点橡胶件变形，稳定杆侧倾角刚度会减小15%-30%。 （5-5）式中：E为材料的弹性模量，E=2.06X10MPa； I为稳定杆的截面惯性矩的惯性距，；根据选取DND1250CWB459P的前横向稳定杆直径d=60mm，其余参数如下图5-4所示图54 横向稳定杆计算用简图将参数代入公式（5-5），可得前横向稳定杆角刚度为，后横向稳定杆角刚度为。整车侧倾角刚度为前后悬架刚度之和： （5-6）式中：，为前、后悬架空气弹簧跨度；，为前、后横向稳定杆角刚度，即=，=。将参数代入公式（5-6），可得=5.5 悬架的侧倾角校核悬架侧倾角刚度系数指簧上质量产生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩。它对簧上质量的侧倾角有影响。侧倾角过大或过小都不好。乘坐侧倾角刚度过小而侧倾角过大的汽车，乘员缺乏舒适感和安全感。侧倾角刚度过大而侧倾角过小的汽车又缺乏汽车发现侧翻的感觉，同时使轮胎侧偏角增大。如果发生在后轮，会使汽车增加了过多转向的可能。对整车侧倾角进行简单校核，在侧倾角极小时，根据绕侧轴的力矩平和条件推出侧倾角为 （5-7）式中：为向心加速度，在此选取0.4g；为簧载质量质心高度；为簧载质量；h为簧载质量侧倾力臂；为整车侧倾角刚度。将本章各节所求的参数代入公式（5-7），即簧载质量质心高度=1940mm；h为簧载质量侧倾力臂h=1275mm；整车侧倾角刚度=，可得 = 0.04rad ，即2.23。要求在侧向惯性力等于0.4倍车重时，货车车身侧倾角不要超过。车身侧倾角在25。的范围内，侧倾角刚度满足设计要求。6 减振器机构类型及主要参数的选择计算6.1 分类 悬架中用得最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。汽车车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体的粘性摩擦形成了振动阻力，将振动能量转变为热能，并散发到周围空气中去，达到迅速衰减振动的目的。如果能量的耗散仅仅是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称之为单向作用式减振器，反之称之为双向作用式减振器。后者因减振作用比前者好而得到广泛应用。根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。虽然摇臂式减振器能够在比较大的工作压力(1020MPa)条件下工作，但由于它的工作特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大而遭淘汰。筒式减振器工作压力虽然仅为2.55MPa，但是因为工作性能稳定而在现代汽车上得到广泛应用。筒式减振器又分为单筒式、双筒式和充气筒式三种。双筒充气液力减振器具有工作性能稳定、干摩擦阻力小、噪声低、总长度短等优点，在轿车上得到越来越多的应用。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。现代汽车大多都是采用筒式减振器，当车架与车轴相对运动时，减振器内的油液与孔壁间的摩擦形成了对车身振动的阻力，这种阻力工程上称为阻尼力。阻尼力会将车身的振动能转化为热能，被油液和壳体所吸收。人们为了更好地实现轿车的行驶平稳性和安全性，将阻尼系数不固定在某一数值上，而是随汽车运行的状态而变化，使悬挂性能总是处在最优的状态附近。因此，有些汽车的减振器是可调式的可根据传感器信号自动选择。 (1) 在压缩行程（车桥和车架相互靠近），减振器阻尼力较小，以便充分发挥弹性元件的弹性作用，缓和冲击。这时，弹性元件起主要作用。 (2) 在悬架伸张行程中（车桥和车架相互远离），减振器阻尼力应大，迅速减振。 (3) 当车桥（或车轮）与车桥间的相对速度过大时，要求减振器能自动加大液流量，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。 双向作用筒式减振器工作原理说明。在压缩行程时，指汽车车轮移近车身，减振器受压缩，此时减振器内活塞向下移动。活塞下腔室的容积减少，油压升高，油液流经流通阀流到活塞上面的腔室（上腔）。上腔被活塞杆占去了一部分空间，因而上腔增加的容积小于下腔减小的容积，一部分油液于是就推开压缩阀，流回贮油缸。这些阀对油的节约形成悬架受压缩运动的阻尼力。减振器在伸张行程时，车轮相当于远离车身，减振器受拉伸。这时减振器的活塞向上移动。活塞上腔油压升高，流通阀关闭，上腔内的油液推开伸张阀流入下腔。由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液不足以充满下腔增加的容积，主使下腔产生一真空度，这时储油缸中的油液推开补偿阀流进下腔进行补充。由于这些阀的节流作用对悬架在伸张运动时起到阻尼作用。 由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力设计的大于压缩阀，在同样压力作用下，伸张阀及相应的常通缝隙的通道载面积总和小于压缩阀及相应常通缝隙通道截面积总和。这使得减振器的伸张行程产生的阻尼力大于压缩行程的阻尼力，达到迅速减振的要求。本次设计选取双筒式液力减振器。图61 双筒式液力减振器1活塞 2工作缸筒 3贮油缸筒 4底阀座 5导向座 6回流孔活塞杆 7油封 8防尘罩 9活塞杆6.2 主要参数的选择计算1.相对阻尼系数减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力F与减振器振动速度之间有如下关系 (61)式中，为减振器阻尼系数。图62b示出减振器的阻力速度特性图。该图具有如下特点：阻力速度特性由四段近似直线线段组成，其中压缩行程和伸张行程的阻力速度特性各占两段；各段特性线的斜率是减振器的阻尼系数，所以减振器有四个阻尼系数。在没有特别指明时，减振器的阻尼系数是指卸荷阀开启前的阻尼系数而言。通常压缩行程的阻尼系数与伸张行程的阻尼系数不等。图62 减振器的特性a）阻力一位移特性b)阻力一速度特性汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数的大小来评定振动衰减的快慢程度。的表达式为 (62)式中，c为悬架系统垂直刚度；为簧上质量。式(62)表明，相对阻尼系数的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度c和不同簧上质量的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。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；值小则反之。通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数取得小些，伸张行程时的相对阻尼系数取得大些。两者之间保持 (0.250.50) 的关系。设计时，先选取与的平均值。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取0.250.35；对于有内摩擦的弹性元件悬架，值取小些。对于行驶路面条件较差的汽车，值应取大些，一般取0.3；为避免悬架碰撞车架，取0.5。2.减振器阻尼系数减振器阻尼系数。因悬架系统固有振动频率，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63a安装时，减振器阻尼系数用下式计算图63 减振器安装位置 (63)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之间的距离。减振器如图63b所示安装时，减振器的阻尼系数占用下式计算 (64)式中，a为减振器轴线与铅垂线之间的夹角。减振器如图63c所示安装时，减振器的阻尼系数用下式计算 (65)分析式(63)式(64)可知：在下横臂长度n不变的条件下，改变减振器在下横上的固定点位置或者减振器轴线与铅垂线之间的夹角。，会影响减振器阻尼系数的变化。3.最大卸荷力为减小传到车身上的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振器打开卸荷。此时的活塞速度称为卸荷速度。在减振器安装如图63b所示时 (66)式中，为卸载速度，一般为0.150.30m/s；A为车身振幅，取40mm，为悬架振动固有频率。如已知伸张行程时的阻尼系数，载伸张行程的最大卸荷力。4.简式减振器工作缸直径D根据伸张行程的最大卸荷力计算工作缸直径D （67）式中，为工作缸最大允许压力，取34Mpa；为连杆直径与缸筒直径之比，双筒式减振器取0.400.50，单筒式减振器取0.300.35。减振器的工作缸直径D有20、30、40、（45）、50、65mm等几种。选取时应按标准选用。贮油筒直径（1.351.50）D，壁厚取为2mm，材料可选20号钢。1）前悬架的减振器的设计悬架阻尼力式中：为悬架相对阻尼比，考虑到舒适性较好的因素及汽车最新实用手册，为悬架阻尼比，前悬架取=0.8；为减振器测试时的加载速度，取=0.52m/s的点；i为汽车车轮和减振器跳动行程杠杆比，本设计取i=1；C为悬架刚度，即=69.8N/mm；为悬架簧载质量，即前悬架为5870kg，代入上述数据可得悬架阻尼力=0.5220.8=16841N前减振器的安装方向与垂直方向夹角为10，所以前悬架阻尼力为=17361.9N悬架压缩时，压缩阻力，复原阻力（为复原与压缩力之比，其范围在1020之间，这里取），代入得=3156.7N ,=15783.5根据压缩阻力和复原阻力选取减振器型号为481700131397号的减振器。2)后悬架的减震器的设计根据前悬架的计算方法，悬架阻尼力式中：为悬架相对阻尼比，考虑到舒适性较好的因素及汽车最新实用手册，为悬架阻尼比，前悬架取=0.6；为减振器测试时的加载速度，取=0.52m/s的点；i为汽车车轮和减振器跳动行程杠杆比，本设计取i=1；C为悬架刚度，即=118.9N/mm；为悬架簧载质量，即后悬架为11740kg，代入上述数据可得悬架阻尼力=0.5220.6=23313.6N根据后减振器垂直布置，悬架压缩时