南通航运职业技术学院学报
关键词： 汽车； 空气悬架； 发展趋势
汽车空气悬架系统综述
陶金忠
（ 南通航运职业技术学院 汽车与港口机械系， 江苏 南通 ）
空气悬架诞生于19世纪中期，早期用于机械设备隔振。最早在车辆上作为悬架元件使用是在1901年，当时作为专利用作有轨电车悬架的减振元件，随后作为车辆悬架的弹性元件被使用。1947年美国首先在普耳曼汽车上使用空气悬架，意大利、英国、法国及日本等国家和地区相继对汽车空气悬架作了应用研究。到1964年， 德国生产的55种大中型公共汽车， 有38种使用了空气悬架。目前，国外这些地方无论是客车还是载重车都已经比较普遍采用空气悬架系统。而国内却处于刚刚起步阶段，只应用在一些豪华客车和少部分重型载货车上。
1汽车空气悬架的结构类型和工作原理
汽车空气悬架由两部分组成：第一部分主要为结构件，包括空气弹簧、导向传力机构、减振器阻尼装置、横向稳定器及各种安装支架等；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、安全阀、高度控制阀组件、管路、密封件等。
1.1 空气弹簧
空气弹簧是一橡胶/帘布结构的气囊，以空气为介质，利用空气具有压缩弹性的性质制成的弹簧。根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧一般分囊式空气弹簧和膜式空气弹簧。囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶制成的气囊和密闭在其中的压缩空气构成。气囊外层由耐油橡胶制成单节或多节，节数越多弹簧越软，节与节之间围有钢质腰环，防止两节之间摩擦。 气囊上下盖板将空气封于囊内，其主要靠橡胶气囊的挠曲获得弹性变形。膜式空气弹簧由橡胶片和金属压制件组成，在盖板和底座之间放置一圆柱形橡胶气囊。其主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形。囊式空气弹簧寿命较长、制造方便、刚度较大，常用于载货汽车上；膜式空气弹簧尺寸较小、弹性特性曲线更理想、刚度较小，常用于轿车上。
1.2 导向机构
由于空气弹簧只能承受垂直载荷， 要传递作用在车轮和车架〔或车身〕之间的一切力（纵向力和侧向力）和其力矩，必须在汽车空气悬架中设计导向机构。导向机构的形式很多，目前典型的导向机构有如下几种。
1.2.1 板簧式导向机构
主要用于复合式空气弹簧悬架中， 钢板弹簧主要作用为导向元件， 同时也承担一部分载荷，兼起一部分弹性元件的作用。日野、日产及韩国的部分大中型客车都采用这种悬架结构型式。这种导向机构对于具有纵梁或类似纵梁的汽车底盘结构布置比较方便，对于传统的工字型锻造前梁和铸造后桥壳，不需进行改造，可直接装置空气悬架。常见有纵置半椭圆钢板弹簧导向机构和纵置四分之一椭圆钢板弹簧导向机构。
1.2.2 纵向单臂式导向机构
纵向单臂式导向机构类似于纵置四分之一椭圆钢板弹簧导向机构，所不同的是纵臂采用刚性臂，而纵置四分之一椭圆钢板弹簧导向机构采用弹性臂，这种导向机构必须设置横向推力杆，用来承担侧向力。该导向机构可降低汽车纵向倾覆力矩中心位置，增加了车身抗纵倾能
力。前悬架导向臂一般较长。可保持主销后倾角不变。通常导向臂与车桥及车架弹性连接，消除了刚性连接应力集中的影响，也可减少噪声的传递。
1.2.3 A形导向机构
形导向机构可以看成是纵向单臂式导向机构的特殊型式，它将两根纵置刚性臂通过与车架上一点的连接构成A形架，在传递纵向力的同时还传递侧向力。A形架可避免导向机构内的附加载荷，克服了纵向单臂式导向机构的缺点。A形架的另一优点是可使左右空气弹簧中心距较大，大大提高了悬架的侧向角刚度。但是该结构为了减少轮胎磨损，避免空气弹簧有过大的垂直位移，常把A形架做得很大以增加摆臂长度，使得导向机构尺寸和重量变大。
1.2.4 四连杆导向机构
四连杆导向机构是空气弹簧悬架系统广泛采用的一种结构型式。它常采用两种结构型式， 一种主要用于前悬架； 另一种主要用于后悬架。如依卡露斯256前悬架、 三菱扶桑MP158前悬架等，这种导向机构采用一根上纵向推力杆，二根下纵向推力杆和一根横向推力杆组成。依卡露斯256后悬架、日野RE大客车后悬架等其四连杆导向机构采用两根上纵向推力杆在水平面内倾斜布置的方式，构成了一个三角形架,上推力杆不仅承受纵向力， 也承受侧向力。
1.3高度控制阀组件
高度控制阀组件是用来控制空气弹簧内气体压力的执行机构，装配在车架和车桥之间， 用来感知车身与悬架之间高度变化，即空气弹簧挠度变化，调整空气弹簧的刚度，使之维持在标准高度附近。
高度控制阀根据阀门开闭对车身振动反应时间分为即时型和延时型。所谓即时型高度控制阀即当车身有相对位移时，高度控制阀就有充放气动作。这就要求控制设备精度高，气路密封性好，同时所有的控制设备每时都处于工作状态，工作负荷较大；延时型高度控制阀避免了这种频繁工作的现象。延时型高度控制阀通过延时装置产生阻尼， 延缓阀门的动作， 其延时时间一般为1—6s，通常使用时间为2—4s，即在两个振动周期左右不敏感，以节省压缩空气无益的消耗，减小了阀中各零部件的磨损，延长了高度控制阀的使用寿命，所以被普遍采用。
1.4减振器
减振器的作用是吸收悬架弹性元件变形时的车辆振动，使其迅速恢复平稳状态，以改善汽车
行驶的平稳性。空气悬架系统减振器是一种高性能减振器，该减振器性能随载荷的增减而改变，有很高的拉伸强度,具有极限行程的限位作用。
1.5横向稳定器
横向稳定器的作用是为了提高汽车抗侧倾能力和保证汽车具有良好的转向特性。防止汽车在高速行驶转弯时， 车身产生过大的侧向倾斜和侧向角振动， 使悬架具有足够的侧倾角刚度。横向稳定器常用弹簧钢制成横向稳定杆， 安装于汽车紧靠悬架的前端或后端。
2 汽车空气悬架的特性研究
2.1 空气弹簧刚度特性
汽车空气悬架中空气弹簧与常见的线性定刚度钢板弹簧不同，它具有非线性刚度特性。其特性:
1）空气弹簧的刚度是可变的，它取决于其工作压力、有效面积和工作时的容积；
2）空气弹簧刚度随位移的变化是非线性的；
3）在工作压力一定的情况下，减小有效面积变化率，增大空气弹簧容积可减小其刚度。
2.2 空气弹簧有效面积特性
由于空气弹簧气囊是一个弹性体，一般情况下在空气弹簧变形时有效面积是变化的，而且不同结构形式的空气弹簧，有效面积的变化是不同的。囊式空气弹簧有效面积变化率较大，弹簧刚度较大。但可增加气囊的曲数，减小有效面积变化率（因气囊的变形时由各个曲部平均分担，有效直径变化率小）或采用辅助气室以减小其刚度。膜式空气弹簧有效面积的变化率比囊式弹簧小，并可通过改变底座形状的方法控制其有效面积变化率，以获得比较理想的弹性特性。
2.3 空气悬架频率特性
传统的金属弹簧悬架的弹簧刚度一般是固定的， 所以当簧载质量发生变化时，悬架系统的固有频率也随之发生变化。当簧载质量增加，系统的固有频率下降，反之上升。如果汽车的簧载质量变化较大，固有频率会剧烈变化，汽车的平顺性变差。
空气悬架在簧载质量即载荷发生较大变化时，空气弹簧的内部工作压力也随之改变
;另一方面，弹簧刚度与弹簧载荷的比值基本保持一定值，即空气弹簧上的载荷变化对系统的固有频率影响不大——准等频频率特性。由于空气悬架的固有频率随着空气弹簧载荷 （或内部气体有效压力）的变化而变化的幅度很小，因此它被称作“准等频悬架”。
另外，我们可以通过降低空气弹簧的工作压力、减小有效面积变化率、增大空气弹簧容积等简单的措施减小其刚度，从而使空气悬架具有较低的固有频率。
空气悬架如此的频率特性对改善汽车的平顺性创造了极好的条件。汽车旅行架
3 汽车空气悬架的优缺点
3.1 空气悬架的优点
由于空气弹簧有以上的一些特性，因此空气悬架比传统的金属弹簧悬架具有很多的优点。主要表现为：
1）空气弹簧具有非线性刚度特性，可将其特性曲线按实际需要进行理想设计，使在额定载荷附近具有较低的刚度值，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。
2）空气悬架质量轻、弹簧刚度低，高速行驶时，可以提高轮胎的附着能力，提高在低附着系数路面上的起步能力，缩短制动距离；转向时，过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性。
3）负载变化时，借助高度控制阀，使车身高度不变。还可根据需要抬高或降低车身高度，以提高车辆的通过或方便乘客上下车。
4）相对板簧结构而言，空气悬架车体平稳，从空载到满载的整个范围内都能提供一种气垫式的支承，能有效隔断路面传递的振动，具有防震、防噪声等功能。
5）空气弹簧的寿命取决于橡胶气囊的寿命。试验表明， 空气弹簧寿命相当于钢板弹簧的3-4倍。
6）由于振动频率低， 减少了对道路的冲击， 保护路面， 降低高速公路的维修费用。
3.2 空气悬架的缺点
1）空气弹簧结构复杂， 制造成本高。
2）空气弹簧尺寸大，布置困难。尤其是在非独立悬架的布置上无法保证两侧的空气弹簧有较大的中心距，从而使悬架侧向角刚度较小，必须装置横向稳定器。
3）密封困难。空气悬架密封环节多， 密封不良而漏气将直接影响悬架的性能。
4 汽车空气悬架的发展
目前我国在汽车悬架系统方面，除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟以外，其它悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进、仿制或直接购买产品阶段。随着汽车市场激烈的竞争、行业政策的引导（ 2002年7月，交通部《营运客车类型划分及等级评定》规定高级大中型客车必须采用空气悬架）、公路条件的改善和政府对高速公路养护的重视（限制超载超限的法规及措施的实施），空气悬架的应用必将越来越广泛，而空气悬架技术也将得到更大发展。在这样的形势下，我们必须不断地对空气悬架进行理论研究，与此同时，对空气悬架与整车匹配技术、空气弹簧设计和制造技术、空气悬架导向机构设计以及空气悬架控制技术进行深入地研究。
空气悬架自诞生起不断发展完善，随着现代科技的进步与人们要求的不断提高，空气悬架必
将迎来新的发展。空气悬架的小型化、刚度多级甚至无级可调、控制的智能化是其发展的必然趋势。随着电子计算机技术的不断发展，空气悬架控制系统的智能化程度将会越来越高。
参考文献：
1.Alf Homeyer 等（德）.采用现代方法设计空气弹簧系统[J].国外铁道车辆,1999,(3)
2.余志生.汽车理论[M].北京： 机械工业出版社，1996.
3.喻凡等.汽车空气悬架的现状及发展趋势[J]汽车技术，2001.(8)
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