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
<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：①在车架或车桥之间传递力矩。②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。
1—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,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：①随整车载荷变化保持合理的悬架行程；②高速时降低车身高度,保持车身稳定性,减少空气阻力；⑨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
现代商用车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。
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