高级大客车空气悬架及其控制系统的研究

herod

  典型的大客车空气悬架主要是由空气弹簧组件（包括空气弹簧、空气压缩机、储气筒等）、高度控制组件（车身高度调节阀、高度传感器）、导向杆件（推力杆）、横向稳定器、减振器和缓冲限位部件等组成。大客车对悬架系统的要求非常高，而且钢板弹簧式悬架系统已不能满足使用要求，发展方向之一是采用空气悬架。其中空气弹簧是空气是架的弹性元件和重要组成部分。空气弹簧具有较理想的弹性特性，其振动频率不随簧载质量的变化而变化，并且有良好的可控制性，可进一步提高大客车的舒适性，因此得到了广泛的应用。

1、空气悬架的特性

1．1空气悬架的优点

a）单位质量的储能量高，它是评价弹性元件好坏的一个重要指标。空气弹簧单位质量的储能量与缸体的工作压力和气体在标准状态下的密度有关。在6.OMPal作压力下的氮气，其质量能可达3．3X105Nm/g。而钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、橡胶弹簧的质量能分别为76-115Nm/kg、178-280Nm/kg、254-38ONm/kg、508-1O16Nm/kg。由此可见，气体是弹性元件最合适的工作介质
b）具有变刚度特性，因而整个悬架系统可以得到较低的固有振动频率。试验表明，空气悬架的固有频率为1．25-1．7Hz，而板簧悬架为2．O-2．7Hz，所以空气悬架可大大改善乘坐舒适性。
C）其刚度是由气体容积和压力决定的。对于同一规格的气囊，当改变内部压力时，可以得到不同的承载能力。因而同一种空气弹簧可适应多种刚度或载荷的要求，因此经济性较好

d）能较好地缓和来自路面的振动，而减振器又能迅速抑制振动。试验表明：当车速为40km／h时，装有空气是架的汽车车身的振幅比钢板弹簧悬架降低近50％，而当车速增至80km／h时，振幅可降低近46％。
e）具有高吸振及低噪声性能。空气弹簧以空气为介质，与板簧相比，内摩擦极小，因此工作时空气是架几乎没有噪声，这对于高级大客车来说是特别有利的。
f）可显著减小车身在转向时的侧倾角。试验表明，当车速在24km/h以下时，空气悬架与板簧这两种悬架的侧倾角相同，当车速达到30km／h时，空气悬架的侧倾角就可以减小约30％。
g）能通过车身高度调节阀来调节车身高度，从而保证车身高度不随载荷变化而变化。当簧载左右不均时，车身高度调节阀可以维持整车车身处于水平状态。
h）使用寿命比板簧长得多。气囊的寿命决定了空气悬架的寿命。台架试验表明，我国生产的气囊的寿命约为板簧的20-3O倍，并可节约大量弹簧钢。

综上所述，使用空气簧不仅可明显改善和提高汽车的行驶平顺性和舒适性，而且还具有良好的经济性。

1．2空气悬架的缺点

a）结构复杂。因空气弹簧只能承受垂直载荷，故必须安装导向结构以承受横向力、纵向力及力矩，因而整个悬架总成的成本较高。
b）空气弹簧尺寸较大，这在非独立悬架的布置上就较难保证两侧的空气弹簧有较大的中心距，限制了整车侧倾角刚度提高，因此在悬架系统中必需装备横向稳定器。
C）密封环节多，容易因密封件质量不良和磨损而漏气，导致维修复杂化。

2、空气弹簧的特性和类型

2．1空气弹簧的弹性特性

空气悬架的特性在很大程度上取决于空气弹簧的弹性特性。空气弹簧具有非线性特性。空气弹簧的载荷一位移曲线形状呈反“S”形，作该曲线上某点的切线便得到了该点的刚度。通过合理选择设计参数，可使空气弹簧在正常工作范围刚度较小且刚度变化小，而在伸张或压缩的边缘区段刚度逐渐增加，这就带来以下优点：

a）空气弹簧在正常工作范围工作柔和，振动频率较低。
b）当因振动发生较大的压缩或拉伸位移时刚度迅速增加，从而小振幅。
C）空气弹簧可保持在标准高度附近工作。

在相同的载荷作用下，空气弹簧的当量静挠度比钢板弹簧的静挠度大得多，这就使得空气弹簧可以得到比钢板弹簧低得多的振动频率，从而提高行驶平顺性。

2．2空气弹簧的类型

根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可分为囊式空气弹簧、膜式空气弹簧和混合式空气弹簧三种。囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的挠曲获得弹性变形；膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形；混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式。

2．3空气弹簧的布置

空气弹簧的布置应考虑汽车的侧倾角刚度。在布置允许的情况下，应尽可能把空气弹簧布置在车架以外，以利加大弹簧的中心距，提高汽车的侧倾角刚度，在日野、奔驰等大客车的后悬架上，采用了一种变梁结构，在每个弯梁的瑞部安装了与前悬架气囊尺寸相同的二个气囊，这样就可以加大气囊的中心距。又如在曼等大客车的后悬架上，采用了A形架结构，将两根纵向导向臂的饺链点在车架的连接处合并在一起，空气弹簧布置在后轮附近，

增加了弹簧中心距，提高了汽车的抗倒倾的性能。

3、车身高度调节装置

3．1高度调节阀的调节特性

高度调节阀是固定在车架上的。车架与导向机构之间的相对位置变化通过连杆和摆杆反映到高度调节阀上，摆杆的两端分别与连杆上端及高度调节阀连接，连杆下端通过球铰连接到导向机构上。

车身的高度主要取决于空气弹簧的工作高度。而空气弹簧工作高度的确定是通过调整连杆下端点的位置来实现的。装配时应按设计要求确定空气弹簧的工作高度。在汽车正常行驶状态下，连杆绕下端球铰中心作小幅度摆动，从而带动摆杆控制高度调节阀。一般要求连杆下端点位于导槽的中间，气囊充气后车身正好位于设计高度。当要求改变设计高度时，可松开连杆的下端点，使连杆沿导槽上下移动。导槽的长短决定了车身高度可调节范围的大小。为了使空气弹簧不因车身高度的小幅波动就进行频繁地充气和放气，从而产生较大的频率变化，高度调节阀的摆杆应留有一个空摆角。

3．2高度调节阀的基本结构布置

车身高度调节阀安装位置。高度调节阀通过调节摆杆、连杆与车桥连在一起。车架与车桥之间的相对位置的变化通过援杆的角度变化反映到高度调节阀上。具体地说，就是连杆的上下移动带动了摆杆的转动，从而使得高度调节阀进行工作。

车身高度调节阀是串联在空气悬架气路中的，是以一个车身高度调节装置来控制左右两侧的两个空气弹簧。来自于储气筒的压缩空气由进气管接通车身高度调节阀，并分配给两个空气弹簧。车身高度调节阀必须安置在汽车的中部，这种布置的优点是结构简单，布置方便。其缺点是，当汽车发生偏载时，会造成车身沿纵轴侧斜。

为了克服该缺点，采用独立控制形式，即每个车身高度调节阀控制一个空气弹簧。来自于储气筒的压缩空气，分配给两个车身高度调节阀，每个阀接通一个空气弹簧，这样就保证了汽车在发生偏载的情况下，始终维持汽车车身处于水平状态。

在现代高级大客车及城市大客车的设计中都要求尽量降低车身地板高度或一级踏步高度以方便乘客的上下车，但是由于受最小离地间隙的限制，车身高度又不能太低，因此必须解决乘客上下的方便性与行驶过程中的通过性这一对矛盾的。在采用空气悬架的现代大客车上，可通过空气悬架中高度调节阀的调节协调矛盾，这就是所谓的“下跪功能”。

在空气悬架的气路中串联一个电磁阀，此电磁阀在车门一边的气路中，并且在空气弹簧与车身高度调节阀之间。当汽车停在车站时，由驾驶员手动控制电磁阀动作，电磁阀在关闭车身高度调节阀与空气弹簧之间气路的同时，使空气弹簧通过电磁阀向大气放气，从而使得汽车车门一边的车身向下倾斜，以降低一级踏步的高度，方便乘客上下车；当乘客上下车完毕，驾驶员手控关闭电磁阀，此时车身高度调节阀与空气弹簧接通并起作用，车身很快恢复水平状态。

应注意的是，车门一侧车身下降的高度应预以控制，在汽车上通常采用限位阀来保证，限位阀在工作时起单向阀的作用，串联在电磁阀和空气弹簧之间。当车身下降到控制高度时，眼位阀工作，关闭空气弹簧一电磁阀的通路，从而保证空气弹簧中的空气不致过多排放，而造成空气弹簧的损坏。

3．3高度调节阀的工作原理

控制杆与导杆相连，导杆的内端是一个偏心装置，随着控制杆的转动，偏心装置带动活塞上下移动，从而控制了过气阀和出气阀的开闭。当汽车载荷增大时，空气弹簧被压缩，从而使车轴与车身的距离缩短，控制杆升高，由此转动偏心装置，使其推动活塞朝着阀片的方向移动，并打开进气口，来自于储气筒的压缩空气，自阀的上部进入，通过进气口及出口阀到达空气弹簧。随着空气弹簧内部的空气增加，车身逐渐升高，当车身升高到控制高度时，控制杆已转过足够的角度在关闭过气口，即停止向空气弹簧供气。反之，若汽车载荷减少，车轴与车身的相对距离增大，则控制杆向相反的方向转动，活塞向下移动，打开出气口，空气弹簧中的空气经出气阀及出气口，在阀的底部与大气接通，空气弹簧中的空气释放入大气，从而车身高度降低，当车身的高度降低到控制位置时，出气口关闭，空气弹簧停止释放空气。通过以上的调节过程，使得汽车在使用过程能维持车身的高度保持不变，从而满足了高级大客车的使用要求。