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空气悬架系统概述及优缺点屈庆磊

发表时间：2021/7/19 来源：《基层建设》2021年第12期作者：屈庆磊

[导读] 空气悬架目前已经成为提升汽车性能的关键部件之一，其独特的变刚度、低振动频率

徐工汽车制造有限公司江苏省徐州市 221116
摘要：空气悬架目前已经成为提升汽车性能的关键部件之一，其独特的变刚度、低振动频率、抗冲击的特性有效地提高了汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性，同时还可以有效地减小汽车对路面的损坏，目前我国在客车上已经大范围推广空气悬架，商用车领域欧美国家已经在驱动桥上大批量切换，国内已经在危化品车型上强制切换空气悬架。
关键词：悬架；空气弹簧；舒适性；通用性

一、空气悬架系统概述
悬架是车辆的重要组成部分，车辆悬架系统的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩按人们预定的目的传递到车架上，以保证车辆的正常行驶。从系统动力学角度讲，乘坐舒适性要求悬架弹簧软一些好，而操纵稳定性要求悬架弹簧硬一些好，传统被动悬架难以同时满足这两方面的要求。空气悬架系统是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性来实现弹性作用的。压缩气体的气压能够随载荷的道路条件的变化而进行自动调节，无论满载或者是空载，整车的高度不会变化，可以大大提高车辆乘坐的舒适性。
        1.空气悬架的发展历程
        空气悬架1901年最初在车辆上作为悬架元件使用，主要用作有轨电车悬架的减振元件。1947年，美国的普尔曼车上首先使用了空气弹簧悬架系统。到了20世纪六十年代，汽车空气悬架已经进入了蓬勃发展的阶段，不仅取得了丰富的理论成果，而且在美国、欧洲等发达国家的大部分公共汽车、豪华旅游车是得到了应用。我国早在20世纪六十年代就曾经设计生产了空气悬架系统，但是由于我国的整体工业水平比较低，实际产品的使用效果并不理想。目前，我国正处于重新起步阶段，空气悬架只应用在一些豪华客车和少部分重型货车上。
        2.汽车空气悬架的工作原理及结构特点
        汽车空气悬架主要由空气弹簧组件、推力杆、高度控制阀、减振器和横向稳定杆等组成。它把空气弹簧作为弹性元件，通过空气的可压缩性来起到弹性的作用。空气弹簧是空气悬架的核心部件，由纺织物作为骨架增强层的弹性支撑承载部件，可以通过充气来调节车身的高度，并利用橡胶的弹性和空气压力，获得综合性的减振缓冲性能。
        汽车空气悬架中空气弹簧具有非线性刚度特性，理论计算时，空气弹簧刚度可以由载荷对应位移求导得出。在空气弹簧工作过程中，气体状态的改变在短时间内完成，因此可以认为空气弹簧内部和外部没有热交换，是气体状态变化的一种等温绝热过程。则有如下方程：
        空气弹簧刚度计算公式
        （1）载荷与气压关系式
         （1）
        式中：P为载荷；P为气囊内绝度气压；A为气囊有效承压面积；为，为标准大气压。
        （2）气压与容积变化关系式-气体状态方程式
           （2）
        式中：P为任一位置气囊内气体的绝对气压；V为任一位置气囊内气体容积；Po为静平衡位置气囊内气体的绝对气压；Vo为静平衡位置气囊内气体容积；m为多变指数，静态即等温过程，m=1，动态即绝热过程，m=1.4，一般状态，可取
        （3）刚度
        弹性特性为弱非线性，取其导数，即

式中：K为任一位置刚度；P为载荷；x为气囊变形量，即行程。将式（1）和式（2）代入上式得：

当气囊处在平衡位置时，有

则：

平衡位置的偏频为

        式中：称为有效面积变化率，g为重力加速度。可见，降低，增大Vo，可降no，提高平顺性。
        二、空气悬架优点
        1.整车频率低，行驶舒适性较好
        通过选择合适的空气弹簧气室体积、有效面积变化率（活塞形状）、内压（活塞面积），可获得较低的刚度，从而降低偏频。而钢板弹簧受布置尺寸（主要是长度）和材料应力的限制，刚度不可能设计得很低。即使可以降低，往往由于静挠度太大，空载时一级踏步或货箱离地太高不被接受。
        降低悬架的偏频，获得的主要好处是：
        （1）改善平顺性，可设计成较低的刚度，即降低垂直振动加速度，一是提高人员乘坐舒适性，二是保护货物的安全性，三是延长车辆相关零部件的使用寿命，降低成本。
        （2）减少轮胎对地面的动载系数，影响以下两个方面：
        a.提高轮胎抓地能力，减少离地倾向，可以有效的改善操纵稳定性。
        b.减轻对道路的损坏。我国法规规定，装有空气悬架的轴荷可以提高到11.5t（板簧悬架为10t）。国外有分析结果：板簧悬架轴荷为10t，动载为15.2t（动载系数1.52），而空气悬架轴荷10t，动载为13.2t（动载系数1.34），降低12%以上。
        2.空气悬架的弹性特性比较接近理想弹性特性。
        理想的弹性特性要解决两个问题：
        （1）等频性，即在各种载荷情况下，由高度控制阀调节气压，固有频率不变，也就是空、满载的平顺性指标相同或相近。
        （2）增大动容量，即在相同的行程内加大吸收的能量，以减少悬架“击穿”的概率，提高平顺性。换言之，在设计时可以选取较小的极限行程。
        一般的线性弹簧，如钢板弹簧，等频性很差。经过设计处理，如采用主、副簧复合的两级刚度悬架、渐变刚度板簧、长滑板端板簧等，可改善等频性，但不是很完善。采用非线性悬架，在压缩行程、动容量都会增大，但往往要加装橡胶限位块等弹性体，才能满足要求。
        3.空气悬架通用性好。
        在一定范围内，同一种规格尺寸的空气悬架可适用于不同载荷和安装高度。不同载荷可以凭借在设计位置的不同气压来适用，不同设计高度也可以借助调整高度阀来实现，这比一般金属弹簧要简单的多。
        4.空气悬架主要部件使用寿命长。
        在零部件供应商保证质量的前提下，空气悬架的主要部件，如空气弹簧（气囊）、高度阀、橡胶铰接头都有很高的使用寿命。
        三、空气悬架缺点
        1.结构较复杂，零部件种类多，往往由于材质不能保证，使用中容易出现故障。经过十来年的实践，当前故障率越来越少。
        2.由于空气弹簧（气囊）直径比板簧宽度大很多，若将它布置在轮胎内侧，其跨距变小，使侧倾角刚度降低。为此，或者要用C型梁将空气弹簧布置在后轮胎前后，使跨距拉大；或者加大横向稳定杆的角刚度；或者利用柔性导向臂来增大角刚度。这些都会增加成本和自重。
        3.关键部件如空气弹簧（气囊）、高度阀、橡胶铰接头、减振器、控制系统等，在设计、工艺、材质等方面都有一定难度，我国目前尚未达到应有水平，国产率低，供货及时性风险较大。
        4.由于复杂、种类多以依赖进口等原因，使我国的空气悬架成本比板簧悬架高很多，这也是限制其推广应用的重要原因。产量低，又是促使成本高的原因。
        四、结束语
        空气悬架目前已经成为提升汽车性能的关键部件之一，其独特的变刚度、低振动频率、抗冲击的特性有效地提高了汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性，同时还可以有效地减小汽车对路面的损坏，目前国内只是在一些客车和危化品商用车上使用，后期随着技术的不断成熟，以及生产成本的下降会有越来越多的车辆使用。
        参考文献：
        [1]《汽车设计》第四版王望予机械工业出版社 2017
        [2]《汽车理论》第六版余志生机械工业出版社 2018