一、采用空氣懸架的目的——改善汽車使用性能

1．改善平順性，減小車輪對地面動載

1）影響平順性的三個主要系統(tǒng)：

• 輪胎
• 懸架
• 座椅

2）影響車輪動載的主要因素：

• 輪胎剛度
• 懸架剛度與阻尼
• 簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量的比值

2．空氣懸架應達到較好的平順性指標，才有被選用的價值（改善平順性的同時，也減小了車輪動載）

1）在B級路面，以50km/h勻速行駛，后軸上方座椅的垂直振動加速度響應Leg≤113dB（或按ISO2631計算耐疲勞限達到4－5h）。

2）偏頻――單自由度系統(tǒng)自然振動固有頻率（客車）：

• 板簧：95－105cpm(1.6-1.75Hz)；
• 氣簧：

①現(xiàn)階段80－85cpm(1.3-1.4Hz)；

②高級階段（路面不平度進一步提高后）65－70cpm(1.1-1.16Hz)。

3）阻尼：理論上的阻尼比為0.33-0.35

按經(jīng)驗公式選擇減振器復原阻力時取上限或超上限值；有條件時，采用可調(diào)阻尼減振器，目前可供選擇的有電磁流變改變粘度及繼電器改變阻尼孔尺寸兩種。有手控、自控兩類，按載荷及按路面不平度輸入來調(diào)節(jié)。

4）抗側(cè)傾能力，應在0.4g側(cè)向加速度條件下,穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角Φ≤5－6゜。

3．充分認識并利用空氣懸架的優(yōu)點

1）較理想的彈性特性

• 空、滿載之間有高度控制閥調(diào)節(jié)氣壓，具有較好的等頻性；
• 振動時，假定沒有充放氣，彈性特性曲線呈非線性，增大動容量，防止懸架擊穿。若反跳行程由減振器或其它機構實施彈性限位，則彈性特性呈反S形的理想特性。

2）可設計成較低的剛度，提高平順性，不會因為空、滿載之間靜撓度變化太大，車高超標而受到限制。

3）高度控制閥除了自動調(diào)節(jié)設計位置的車身高度不變之外，還可用來調(diào)節(jié)車身抬高或下降（下跪），以提高車身通過性或方便乘客上、下車。

4）幾乎消除了全部庫倫阻尼，使懸架系統(tǒng)全部由粘性阻尼消振，其效果是：

• 消除高頻微幅振動的鎖止作用，改善高頻域的傳遞特性，減小高頻動剛度。
• 消除懸架響聲。

但是，若減振器阻尼值不可調(diào)節(jié)，則阻尼比因載荷變化而變化，無法同時滿足空載和滿載的要求，只能取折衷值。而庫倫阻尼恰與載荷成正比變化，所以像載貨車這種后軸負荷變化很大的車型，后懸架采用庫倫阻尼值大的多片鋼板彈簧，對于保持空、滿載阻尼比變化較小是有利的。

設計、開發(fā)空氣懸架的六大技術關鍵

1．空氣彈簧（氣簧）

1）類型的選擇

囊式（葫蘆形），有單曲、雙曲、三曲――根據(jù)振動行程大小和剛度的要求來選擇。目前除軌道車輛和設備基礎外很少采用。優(yōu)缺點：①    橡膠囊的應力小，壽命很長。②    制造工藝簡單，零件數(shù)量少，成本低。③    因有效面積變化率很大，所以空氣彈簧的剛度較大，滿足不了低偏頻車型的要求。 膜片式（活塞式），囊體有全橡膠型和金屬殼連接橡膠膜片兩種，目前采用前者較多。優(yōu)缺點：①    彈性特性與活塞形狀有關，可以根據(jù)需要設計不同輪廓線的活塞。②    因有效面積變化率較小，一般情況下剛度較低，不必增加輔助氣室?；钊麅?nèi)腔可根據(jù)剛度要求設計成不儲氣或儲氣的。③    金屬件數(shù)量較多，制造成本高，特別是產(chǎn)量不大成本更高。

2）空氣彈簧的布置及空氣懸架分類

• 全空氣懸架：系統(tǒng)垂直振動的彈性作用全部由空氣彈簧承擔。
• 復合式空氣懸架：系統(tǒng)垂直振動的彈性作用75％以上由空氣彈簧承擔。
• 輔助式空氣懸架：系統(tǒng)垂直振動的彈性作用75％以下由空氣彈簧承擔。

注：彈性作用的度量似應以折算靜撓度為宜，參閱復合式空氣懸架的計算公式。

3）剛度計算公式

空氣彈簧剛度計算公式。注意標準大氣壓的取值與單位有關。全空氣懸架的剛度為空氣彈簧剛度或多個空氣彈簧剛度折算到車軸上的剛度之和（除以杠桿比平方）。復合式空氣懸架的剛度為空氣彈簧剛度和其它彈簧剛度折算到車軸上的剛度之和。公式中的氣壓p0、承壓面積A、體積V及有效面積變化率dA/dx等的特性曲線均由試驗確定，應由空氣彈簧供應商提供。目前還沒有辦法用理論的方法按氣囊的結(jié)構參數(shù)和尺寸來推算（雖有學者做過這類工作，但不成熟）。

4）空氣彈簧的氣密性，按標準檢驗。

• 封口氣密性① 機械式a.    嵌壓式，可靠，但只一次性使用，金屬件與氣囊一起更換。b.    螺栓夾緊式，金屬件不必更換，但初始成本較高。② 自封式：成本低，結(jié)構簡單。封口精度要求較高，否則會漏氣。懸架反向限位要可靠，否則會出現(xiàn)行駛中脫囊大事故。

囊體橡膠的氣囊性要好，否則會發(fā)生慢漏。

5）氣囊的疲勞壽命，按標準試驗。目前國外、國內(nèi)的產(chǎn)品都能滿足要求。

2．高度控制閥

1）分類

（1）有延時作用：控制桿非剛性，即裝有彈性件，再加上液壓阻尼，使控制桿在較高頻率振動時，輸出端不運動，因而不開、關閥芯；當慢速運動時，阻尼力很小，輸出端隨輸入端運動而開、閉閥門。這種閥可使空氣懸架在行駛中不耗氣。

（2）無延時作用：控制桿剛性聯(lián)接，直接操縱閥門。結(jié)構較簡單，成本低。行駛中因車軸不停跳動，高度閥總在充、放氣，增加耗氣量，且有響聲。為減少耗氣量，可在閥內(nèi)或閥外增設節(jié)流孔，或?qū)㈤y門空程加大。對于客車，因上、下乘客載荷變化很慢，采用無延時加節(jié)流孔較合適。對于自卸車或一次性加、卸載很大的貨車，采用有延時的高度閥較合適。

2）可調(diào)節(jié)車身高度的高度閥

高檔客車要求裝有“下跪”調(diào)節(jié)，可采用調(diào)節(jié)控制桿的支點位置或連桿長度來實現(xiàn)，也可以另設閥門及管路來控制。車身特別低的客車，可以靠它提高離地間隙，在壞路上改善通過性。

3）電控高度閥

車軸與車身的相對運動靠杠桿控制電量位移傳感器，再用其輸出電壓來控制繼電器及氣路系統(tǒng)。用電量控制容易實現(xiàn)延時、下跪、舉升等要求。

4) 高度閥的布置

   高度控制閥的數(shù)量及布置有下列幾種：

• 三閥：理論上講三點定一個平面，所以采用三閥布置最合理。因為采用單閥的懸架，左、右空氣彈簧氣路相通，其角剛度為零，所以采用前1后2較合理。左、右相通的氣簧往往要加節(jié)流，使動態(tài)側(cè)搖時增加角剛度。
• 四閥：前、后懸架各2個高度閥，使前、后氣簧的角剛度都得到利用。四個閥屬于超定位，只適用于在平路面上行駛的客車。
• 五閥：除了一、二橋采用四閥外，第三橋又裝一個高度閥（左、右氣簧連通）。這種布置屬于嚴重超定位，有一個高度閥對應的車輪或車軸下落，會將所有的壓縮空氣放光。裝車后高度閥也很難調(diào)整。
• 二閥：前、后懸架各只裝一個閥，左、右氣簧連通，其角剛度為零，汽車的左、右支撐全靠穩(wěn)定桿和導向臂來實現(xiàn)。這種布置極罕見。

3．減振器

1）減振器的選型

目前還缺乏理論計算公式可遵循，一般借助經(jīng)驗公式選取復原阻力，再按產(chǎn)品說明書選擇工作缸尺寸。由于空氣懸架幾乎沒有庫倫阻尼，所以公式中系數(shù)應選上限甚至超上限，以期達到理論上的阻尼比0.33-0.35。

減振器的行程為壓縮行程與拉伸行程之和。前者取決于懸架上跳行程限位塊的設計，最好以“鐵碰鐵”來確定，也可按懸架動載（可取靜載的2.5倍）分攤給限位塊的壓縮量加上動行程（限位塊開始接觸）來求得。減振器的壓縮行程要比懸架上跳行程大5－10mm，以免萬一頂彎連桿。拉伸行程取決于懸架反跳行程的限位值，空氣懸架多數(shù)利用減振器作為反向限位，其限位值就是減振器的拉伸行程，其大小取決于空氣彈簧本身規(guī)定的最大拉伸量。減振器拉伸限位器完全限位時的行程要略小于空氣彈簧允許的最大拉伸量。

計算行程時要計算杠桿比的影響。減振器的長度尺寸

Lmin=L0+S

Lmax=Lmin+S=L0+2S

式中：Lmax、Lmin為減振器最大、最小長度

S為減振器總行程

L0為減振器基長，為設計的基本指標。

減振器規(guī)格的最終確認，只能通過試驗，達到滿意的平順性和可靠性之后才算完成。

2）阻尼可調(diào)的減振器

減振器的阻尼值一般是不變的，在汽車懸架中稱為被動懸架，它存在兩個缺點：

（1）懸架載荷變化后，系統(tǒng)阻尼比也變化。即，若滿載時阻尼合適，空載時則過大，反之亦然。設計時只能選折衷值，這樣，滿載時阻尼值就偏小些，空載時則偏大。平順性總不能保持最佳。

（2）路面不平度輸入不同時，若阻尼比不變，則低頻大振幅輸入時略顯阻尼不足，而高頻小振幅輸入時又顯阻尼過大。所以，阻尼值應隨不同路況及車速而改變，才能保持平順性最佳。

調(diào)節(jié)減振器阻尼值的方法目前有兩種，一種借助電磁閥改變減振器閥門的節(jié)流孔大小；另一種靠磁場改變減振器內(nèi)液體的粘度，即所謂電磁流變原理?？刂品椒ǚ譃槭謩蛹白詣涌刂苾深悾笳邉t是目前流行的半主動懸架或自適應懸架?？諝鈶壹芤_到理想的性能，最終要發(fā)展到半主動甚至全主動懸架（阻尼、剛度都自動調(diào)節(jié)）。

3）有反向限位的減振器

若空氣懸架系統(tǒng)中沒有反向限位裝置（如鋼絲繩、鋼箍帶、半隨圓板簧、反向限位塊等），就必須利用減振器來實施反向限位。

主要結(jié)構有兩種：

（1）    橡膠緩沖圈。當活塞被拉伸到最高點前與橡膠圈接觸，壓縮橡膠圈，阻力急驟增大，起到緩沖限位作用。

（2）    液壓節(jié)流。當活塞被拉伸到最高點附近，節(jié)流孔被關閉，阻力急驟增大，上腔油壓也急驟增大，起到緩沖限位作用。

4．抗側(cè)傾能力

1）計算方法及限值

懸架彈簧、穩(wěn)定桿的角剛度，側(cè)傾力臂以及穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角的計算公式見附件D。其中前、后懸架的側(cè)傾中心離地高度可用兩種方法來求解：

• 利用運動學的方法。根據(jù)懸架導向桿系，求車輪相對車身運動的瞬時中心，再劃出輪胎接地點到瞬時中心的連線，此連線與汽車對稱中心線的交點即是該懸架的側(cè)傾中心。
• 利用靜力學的方法。有些懸架導向桿系很難求出瞬時中心，則可求出簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量之間的側(cè)向力傳遞的合力中心，根據(jù)理論驗證，該合力中心就是瞬時中心即側(cè)傾中心。

有些懸架若裝有較大弧高的鋼板彈簧，側(cè)向力的傳遞是沿著有弧高的主片，高度在變化。也就是說，簧上與簧下的分界點應選在什么地方？我們建議按比較保守的辦法，統(tǒng)一選在車軸上板簧主片的上表面。

空氣懸架的抗側(cè)傾能力一般較差，應根據(jù)使用要求來確定。我們推薦穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向工況，在側(cè)向加速度為0.4g時，側(cè)傾角不大于5－6゜，高檔車取下限。懸架角剛度也不宜選太大，因為在壞路行駛，路面角振動輸入很大時，懸架反而不能起緩沖作用，汽車的側(cè)向角振動反而更大。

2）提高抗側(cè)傾能力的方法

 采用獨立懸架，獨立懸架的彈簧跨距就是輪距，一般比非獨立懸架要大一倍，使角剛度增到四倍以上。

加大空氣彈簧的跨距，通常是采用香蕉梁或井字架，將氣簧布置在輪胎前后。因角剛度與跨距平方成正比，這方法很有效。缺點是重量很大，成本高，質(zhì)量好壞取決于材料及工藝。

采用半剛性的單臂導向桿，即導向臂與車軸（或扭力梁）構成一個很強的穩(wěn)定桿，有以下幾種方案：

①    采用剛度很大的四分之一橢圓鋼板彈簧，一般為單片或雙片少片簧。

②    剛性單臂通過兩個橡膠襯套再與車軸連接。

③    剛性臂后端通過橡膠襯套再與一根扭力管連接，實質(zhì)上屬扭力梁式懸架。剛性臂可用一個或兩個橡膠襯套與車軸連接。

④    剛性臂直接剛性地與前軸連接，這時，前工字梁就成為扭力梁。

（3）    加裝橫向穩(wěn)定桿

一般先加前懸架，角剛度不夠時再加后懸架。為了提高不足轉(zhuǎn)向效應，希望前輪偏離角大于后輪，則前懸架角剛度應相對地大于后懸架。

請注意，在一定尺寸限制下，穩(wěn)定桿的角剛度是有限的，選用過大角剛度會導致應力過高，使用中會塑變或斷裂。

（4）    提高彈性元件剛度，包括提高復合式空氣懸架中半橢圓板簧的剛度。

這是下策，犧牲了平順性，但有時對操縱穩(wěn)定性、抗制動點頭有利，應綜合考慮。

5．導向桿系

空氣懸架的導向桿系是變化最多，最富有創(chuàng)造性，也是較難設計好的系統(tǒng)。本文僅就目前常見的幾種方案以及設計時應注意的事項做簡要介紹。

1）方案介紹

• 獨立懸架

客車獨立懸架都是采用不等長雙橫臂結(jié)構，空氣彈簧坐落在上臂，只用在前懸架。獨立懸架的本質(zhì)優(yōu)點是：

①    角剛度特別大，在同等條件下可以大大減小垂直剛度，使偏頻降低，提高平順性。

②    簧下質(zhì)量減小，使簧上、簧下質(zhì)量比值變大，可減小車輪對路面的動載荷。

③    減小陀螺效應，對高速行駛的車輛可避免引起轉(zhuǎn)向輪擺振。

缺點：

①    結(jié)構較復雜，成本增加。

②    可靠性往往不易保證，容易引發(fā)鉸鏈松動、擺振、跑偏、輪胎磨損等。

• 縱置四連桿機構，即雙縱臂。

前、后懸架皆可采用，常見的布置型式有：

①    下2縱，上1縱1橫，有時下縱臂同時承載。

②    下2 縱、上V形桿。

③    下V形桿，上2縱，多用于超低地板客車。

④    上、下均為2縱，再加1橫桿。這種結(jié)構4根縱桿必須等長、平行，側(cè)傾時才不會產(chǎn)生運動干涉。

• 單縱臂加柔性連接，起穩(wěn)定桿作用，但運動軌跡不好。

①    剛性臂加雙個橡膠套鉸鏈。

②    剛性臂后端連扭力軸。

③    板簧立置（相當于剛性臂，但橫向柔性大）并于前軸剛性連接，前軸成為扭力梁。

• 鋼板彈簧復合型導向。

①    半橢圓板簧與氣簧并聯(lián)，縱向及橫向均由板簧導向，結(jié)構簡單，但整體懸架剛度降低不下來。

②    四分之一橢圓板簧導向，采用大剛度少片簧，起穩(wěn)定桿作用，但整體懸架剛度仍較低。缺點是運動軌跡不好，車橋傾角變化大。

往往在板簧延伸段布置氣簧，形成一定杠桿比，為半空氣懸架（即復合式空氣懸架）。若氣簧置于車軸上，杠桿比為1，板簧不承受垂直載荷，即為全空氣懸架。

•  A形架。

實質(zhì)上是單縱臂剛性連接，前鉸鏈點合并在中間一個點，臂長應盡可能大，所以只用在后懸架。要裝橫向拉桿傳遞側(cè)向力。

2）設計要點

所有橡膠鉸鏈必須設計得可靠耐用。

所有橡膠襯套各向位移時只能是橡膠變形，絕不能使橡膠與金屬間發(fā)生相對滑動。這只能靠選擇合適的自由面積和封閉面積，加上合適的粘結(jié)或預壓縮量來實現(xiàn)。

有的橡膠襯套為了消除扭轉(zhuǎn)應力，讓軸銷與橡膠之間可相對轉(zhuǎn)動。這時要加一銅套或復合襯套，內(nèi)腔有潤滑脂且密封好，可繞軸銷轉(zhuǎn)動，外圓與橡膠粘度或壓配，沒有相對滑動。

凡是與金屬粘接的橡膠都會產(chǎn)生收縮應力（拉應力），對橡膠使用壽命很不利。對于自由面小，粘接面（封閉面）大的襯套，收縮應力很大，甚至未使用就已有裂紋。對這種襯套，應采用施加預壓縮的方法來消除收縮應力，轉(zhuǎn)變成為壓縮預應力，可大大提高使用壽命。

目前有些襯套采用聚胺脂橡膠，因其特好的強度和耐磨性，工作時可以又變形又滑動，仍有可觀的使用壽命。

• 運動軌跡的校核。

導向桿系決定了車軸的運動，所有與車軸連接的其它部件都可能產(chǎn)生運動干涉，引起跑偏、擺振、響聲、磨損、磕碰等問題。所以必須對轉(zhuǎn)向縱拉桿、橫拉桿（對于獨立懸架）、傳動軸、氣簧底座（活塞）等進行干涉校核，并控制在許用值以內(nèi)。校核方法一般用作圖法，也可列式計算。

導向桿系的布置原則是，運動當量桿與上述部件的桿件應該：一、固定端同向；二、桿線平行；三、桿子等長。完全做到這三點很難，但應依序盡量做到。

• 其它考慮。

導向桿系還會影響整車的其它性能，如操縱穩(wěn)定性中的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性（不足、過度轉(zhuǎn)向），主要是側(cè)傾軸轉(zhuǎn)向和側(cè)傾拉桿轉(zhuǎn)向、側(cè)傾時車輪外傾角變化等；以及制動跑偏、制動點頭等問題。這些都有專門論著。例如，轉(zhuǎn)向節(jié)臂球頭若置于板簧縱扭瞬時中心之上，就會引起右跑偏（對左置轉(zhuǎn)向盤）；若前懸架導向桿固定端在前，后導向桿固定端在后，如果懸架剛度較低，往往制動點頭角就過大。

6．空氣管路及相關系統(tǒng)各元件的氣密性

1）空氣懸架系統(tǒng)各元件（如：氣簧、高度閥、儲氣筒、單向閥等）及管接頭必須有可靠的氣密性，并且氣路要排除油、水，防銹，否則空氣懸架就不可能可靠工作。

2）車的其它系統(tǒng)的元件、管路也應保證氣密性，主要是氣制動系統(tǒng)、離合器氣助力等，它們漏氣最終也會使空氣彈簧塌下來。在整車各系統(tǒng)沒有全面過關之前，建議空氣懸架系統(tǒng)采用獨立儲氣筒，并用單向閥與其它系統(tǒng)隔離開，這樣可能延長停車后氣簧塌下來的時間。