汽车囊式空气悬架的设计说明书.doc

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1、摘要悬架是现代汽车的重要总成之一.它把车价和车轴弹性地结合连接起来。主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架的冲击载荷.衰减由此引起的承载系统的振动.保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性.保证汽车的操纵稳定性.使汽车获得高速行驶能力。悬架由弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块和横向稳定器等组成.囊式空气弹簧是弹性元件其中一种.它含有帘布层结构的橡胶气囊内冲入空气.并以空气为介质.利用空气可以压缩的特点来实现弹性作用。通过高度控制阀.来保证车身高度不随汽车载荷变化而变化.保证汽车的平顺性和稳定性。关键词：悬架；囊式空气弹簧；减震器；高度控制

2、阀AbstractModern automobile suspension is one of the important assembly line and axle, it connects with flexibility. Main task is to transfer function between the wheel and frame of all the force and moment, To ease the impact load road frame, the attenuation caused by the vibration, guarantee system

3、 of bearing of vehicle, Ensure the road wheels rough and load changes have ideal characteristics, cars, cars won maneuvering high-speed capability.Suspension of elastic component, guiding device, shock absorber, transverse stabilizer blocks and a buffer, cystic components, such as air spring flexibl

4、e components, it contains one layer structure of air curtain inside irruptive air, rubber and air as medium, the characteristics of air can be compressed to achieve flexibility.Through the height valve body height, to ensure that no changes with the automobile loading, guarantee the stability and ca

5、r ride.Key words:Suspension, Capsule type air spring, Shock absorber,height control valve目录1 悬架.11.1 悬架的功用.11.2 悬架的分类.11.2.1.1 独立悬架.21.2.1.2 非独立悬架.21.3 悬架的组成.21.3.1.1 减振器.31.3.1.2 弹性元件.42 空气悬架.42.1 空气悬架工作原理.42.2 空气悬架的特点.52.3 空气弹簧.52.3.1 囊式空气弹簧.52.4 高度控制阀.63 重型载货汽车.64 汽车结构参数.65 前空气悬架设计.65.1 空气弹簧刚度的计算

6、.65.2 减震器的选择.75.3 前悬架空气弹簧校核.76 后空气悬架的设计.86.1 空气弹簧的刚度计算.86.2 减震器的选择.86.3 后悬架空气弹簧校核.87 侧倾校核.97.1 弹簧质量的侧倾中心.97.2 侧倾力臂计算.97.3 稳定杆角刚度的计算.97.4 整车侧倾角刚度.107.5 侧倾角校核结果.107.6 车身振动系统简化模型.118 结束语.121悬架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。1.1悬架的功用悬架的功用是把轮面作用于车轮上的垂直反力支承力、纵向反力驱动力和制动力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架或承载式车身上.以保证汽车的

7、正常行驶。1.2悬架的分类悬架可分为非独立悬架和独立悬架两类。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。如图所示。非独立悬架 独立悬架独立悬架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

8、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。非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。1.3悬架的组成悬架由弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块和横向稳定器得组成。如图所示1、弹性元件 2、纵向推力杆 3、纵向推力杆 4、横向稳定器 5、横向推力杆.1减振器为加速车价和车身振动的衰减.以改善汽车的行驶

9、平顺性.在大多数汽车的悬架系统内部装有减振器.减振器和弹性元件是并联安装的。汽车悬架系统中广泛采用液力减振器.如图所示为本设计中采用的双向作用筒式减振器示意图。如下图所示。减振器上端与车身或者车架相连.下端与车桥相连。当轿车在不平坦路上行驶.车身会发生振动.减振器能迅速衰减车身振动.利用本身油液流动的阻力来消耗振动的能量。 现代轿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.而是随轿车运

10、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.有些轿车的减振器是可调式的可根据传感器信号自动选择。 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。 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。 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。 在汽车悬架系统中广泛采用的是筒式减振器.且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双向作用式减振器.还有采用新式减振器.它包括充气式减振器和阻力可调式减振器。双向作用筒式减振器工作原理说

11、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3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8流到活塞上面的腔室上腔。上腔被活塞杆1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6.流回贮油缸5。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8关闭.上腔内的油液推开伸张阀4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7流进下腔进行补充。由于这些阀的节

12、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。.2弹性元件汽车悬架系统中采用的弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧等几种结构。弹性元件优劣各异钢板弹簧：由多片不等长和不等曲率的钢板叠合而成。安装好后两端自然向上弯曲。钢板弹簧除具有缓冲作用外.还有一定的减振作用.纵向布置时还具有导向传力的作用。非独立悬挂大多采用钢板弹簧做弹性元件.可省去导向装置和减振器.结构简单

13、。 螺旋弹簧：只具备缓冲作用.多用于轿车独立悬挂装置。由于没有减振和传力的功能.还必须设有专门的减振器和导向装置。 油气弹簧：以气体作为弹性介质.液体作为传力介质.它不但具有良好的缓冲能力.还具有减振作用.同时还可调节车架的高度.适用于重型车辆和大客车使用。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。2空气悬架空气弹簧有压气机、油水分离器、调压阀、储气筒、高度控制阀、控制连杆、空气弹簧、储气罐、空气滤清器、管路、导向传力杆、减振器、横向稳定器等部分组成。空气弹簧式在含有帘布层结构的橡胶气囊内充入空气.并以

14、空气为介质.利用空气可以压缩的特点来实现弹性作用。2.1空气悬架工作原理在发动机带动下.压气机产生的压缩空气经过油水分离器和调压阀进入储气筒。调压阀可使储气筒内的压缩空气保持一定的压力 。需要时.压缩空气从储气筒出来.流入固定在车架上的高度控制阀内。高度控制阀上有通气源和充气阀和通大气的放气阀.这两个阀由控制连杆控制。 当汽车载荷增加时候.车架与车桥之间的距离缩短.然后通过控制连杆机构的作用.打开充气阀.压缩空气流入空气弹簧的气囊使之压力增加.筒式使车架升高.直至充气阀关闭为止.此时车架又恢复到载荷增加前的高度.汽车卸载时.车架与车桥之间的距离增大.此时通过控制连杆的作用打开放气阀.使气囊内的

15、气体排入大气.压力减小.直至车架高度恢复到卸载前的位置为止。此时.装有空气弹簧悬架的汽车.从空空在到满载的各种载荷状态下均能保持车身高度不变。这有利于乘客上、下车或工人装、卸货物。2.2空气弹簧的特点当多轴货车或挂车采用空气悬架时.在空载或部分承载工况下.能够进行单轴或多轴提升.这有利于减少提升轴和未提升桥上轮胎的磨损.同时增加驱动桥的附着力。当未提升桥过载的条件下.被提升的车轴能自动回位并参与承载.通过对气囊充气或者放气.可以实现变换车身高度。在汽车通过坏路面时.要求升起车身以便提高汽车的通过性；在平坦的好路面上行驶.又希望降低车身高度.藕以获得低的质心高度和较好的行驶稳定性以及减少空气阻力

16、。采用空气弹簧以后.在汽车左、右侧的簧载质量不均匀时.通过高度控制阀的作用.可以保证整车车身处于水平状态。在汽车高速转弯的行驶条件下.与采用钢板弹簧悬架的汽车比较.采用空气弹簧悬架的汽车车身侧倾角明显减小。汽车行驶在路上.车轮对路面作用有冲击力.车速越高冲击力越大.在垂直、纵向和横向力综合作用下.行程对路面的剪切力.使路面行程凸包；波浪等而损坏。总质量越大的汽车.对高速公路的破坏的程度越严重.这也是造成高速公路损坏的主要原因之一。装用空气悬架的汽车.因空气悬架的刚度低.所以车轮对路面作用的动载荷要小.这就使路面受到的破坏程度得以减轻。2.3空气弹簧根据气囊结构形式的不同.将空气弹簧分类为囊式空

17、气弹簧、膜式空气弹簧和复合式空气弹簧。2.3.1囊式空气弹簧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.气囊被分为不同的节数.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.如图所示为双曲空气弹簧的示意图。双曲囊式空气弹簧示意图2.4高度控制阀高度控制阀分为五阻尼高度控制阀和有阻尼高度控制阀.无阻尼高度控制阀能保证车身高度不随汽车载荷变化而变化.单当车桥与车身之间存在很小的相对位移时.也会使高度控制阀产生重启或者排气动作.浪费压缩空气有增加了阀的磨损.排气时候还伴有噪声。3 重型载货汽

18、车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.本次设计中采用的是15t重载货车4汽车结构参数针对某型4重型载货汽车进行空气悬架的设计。该车的满载总质量为15t.前轴的轴载质量为6000kg.后轴的轴载质量为9000kg.轴距为4500mm.前轮距为1900mm.后轮距为1800mm.车轮静力半径450mm.满载时整车中心高度为1000mm。5前空气悬架的设计前悬有两个气囊.两个减振器；单个高度控制阀.一个横向稳定杆.一个横向推力杆.一个纵向稳定杆。5.1 空气弹簧刚度计算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60

19、00kg.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2750kg.每个空气弹簧受力为P=27500N根据空气弹簧刚度C=Kp+p+ p将上述的数值代入公式可求得空气弹簧刚度为C=164N/mm5.2减震器的选择悬架阻尼力F=V2i式中：为悬架相对阻尼比.前悬架取8.0.i为汽车车轮和减振器跳动行程杠杆比.在此另i为1；m为悬架簧载质量.前悬架为5500kg.代入上述数据可得悬架阻尼力F=0.5220.81=5782N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F=F/cos=5782N悬架压缩时.压缩阻力F=.复原阻力F=为复原与压缩力之比.其范围在1020之间.

20、这里取.代入得F=1051N F=10512N通过压缩阻力和复原阻力选取减振器型号5.3前悬架空气弹簧的校核由于丁苯橡胶具有良好的减振效果.固选取丁苯橡胶进行硫化所得的硫化橡胶作为内外囊的材料.因为空气弹簧受垂直力作用进行往复运动.因此其主要承受的应力类型属于压缩力。由弹簧载荷变形特性曲线可以得出5.1所示.当受到垂直载荷27500N力时.弹簧内部的压强为6bar0.6MP,而非金属材料橡胶的压缩需用应力为3MP.因此分布到弹簧内部各个单位面积的压强远远小于此值.不用计算就可以知道弹簧的尺寸是完全合适的。6后空气悬架的设计后悬架采用四个空气气囊.两个减震器.一个横向稳定杆.一个横向推力杆.一个

21、纵向推力杆。6.1 空气弹簧刚度计算设后悬非簧载质量G=1000kg.轴载质量为9000kg.则后悬簧上质量为8000kg则每个后悬簧上质量为2000kg.通过弹簧载荷变形特性曲线可知.落在4bar、190mm交点处.通过C=Kp+p+p.按照前悬弹簧的计算过程可知后悬空气弹簧刚度为C=143N/mm6.2减震器的选择根据前悬架的计算方法.悬架阻尼力F=V2i= 4450N后减振器垂直布置.F=F= 4450N 压缩阻力F=809N .复原阻力F=8010N由压缩阻力和复原阻力确定减振器型号6.3后悬架空气弹簧的校核与前空气弹簧的校核同理.当施加全部载荷的时候.弹簧内部的压力为0.4MP.远远

22、的小于橡胶的许用压缩应力3MP.因此后空气弹簧的设计是完全符合标准的。7侧倾校核7.1 簧载质量的侧倾中心前后悬架侧倾中心.参照其他重型载货汽车和低地板客车的侧倾中心高度位置可以粗略估算.前悬架侧倾中心由推力杆布置可知侧倾中心离地高度h为350mm.后悬架由推力杆布置求得其侧倾中心离地高度为h为340mm。7.2侧倾力臂的计算 根据质心公式.簧载质心高度为 S= = = 1061mm质心距前轴距离L=L 其中为前轴簧载质量.为后轴簧载质量.L为轴距.将数据代入可求得L为2667mm。根据前、后悬架侧倾中心和簧载质量的分布.并由几何关系求出簧载质量侧倾力臂为 h = Sh = 717mm7.3稳

23、定杆角刚度的计算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%.由此根据图的几何关系计算得出前横向稳定杆的角刚度为 C = 1.5 10Ncm / rad后横向稳定杆的角刚度为 C = 0.5 10Ncm / rad 稳定杆示意图7.4整车侧倾角刚度整车侧倾角刚度为前后悬架刚度之和C= C + D + C + DD D为前后悬架空气弹簧跨度.这里分别取为115cm、130cmC C为前后横向稳定杆角刚度代入可求出整车侧倾角刚度为C=2.2310Ncm / rad7.5侧倾角校核结果根据上述数据.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

24、力矩平和条件推出侧倾角为 = 式中：为向心加速度.在此选取0.4g；S为簧载质量质心高度；G为簧载质量；h为簧载质量侧倾力臂；C为整车侧倾角刚度。将相关数据代入公式可得 = 0.07 rad .即4。根据资料查的一般货车侧倾角范围为25.最多不超过67.综上所述.侧倾角刚度满足设计要求。7.6 车身振动系统简化模型根据分析可以知道.汽车车身振动可简化为如图单质量系统模型。m为汽车悬挂系统质量.它由车身、车架及其上的总成所构成.k为空气弹簧的刚度.c为减振器的阻尼系数.三者组成了汽车的悬架系统。根据图可知道.该简化模型的振动形式是单自由度有阻尼力振动系统。MkC8 结束语空气悬架现在广泛应用在各

25、种车系中.在国外.空气悬架系统在重型货车上的使用率超过80%.在高速客车和豪华城市客车上已100%采用.部分轿车也安装了这个系统。空气悬架较以往的普通悬架有着不可替代的优势.因此随着这种技术的普及与改进.必然会在以后的汽车工业中得到更广泛的应用。 在此次设计中.重型载荷汽车囊式空气弹簧的设计参数参考了相关文献参数.例如侧倾中心、非簧载质量、轴距、轮距和稳定杆的角刚度都是在一定范围内估算出来的.但综合计算出来的结果.符合设计要求可以使用；在悬架的部件的布置上.采用了基本的单横臂稳定器和单高度控制阀.前后悬架均采用了两个减震器.后悬架比前悬架多出两个空气弹簧目的是为了更好的缓冲载荷给车架和车身的垂

26、直力。目前空气弹簧还处在发展阶段.电控系统和传感器已经逐步进入空气悬架系统.复合式多推力杆的空气悬架机构为汽车行驶的稳定性和平顺性起到了积极的作用.相信空气悬架的发展将会不断的复杂化、合理化和功能化。参考文献1 汽车工程手册编辑委员会汽车- 程手册 M 北京：人民交通出版社.200152 王望予.汽车设计M.机械工业出版社.2007.63 陈家瑞.汽车构造M.人民交通出版社.2002.64 巩云鹏.田万禄.机械设计课程设计M.东北大学出版社.2000.125 孙志礼.冷兴聚.机械设计M,东北大学出版社.2009.16 刘惟信.机械最优化设计M.第2版.北京.清华大学出版社.19947 刘惟信.汽车设计 M 北京：清华大学出版社200178高书移.梁为E Q 6 8 5 0 K R 高级客车空气弹簧悬架设计开发 l J 1 客车技术与研究.2003