汽车空气弹簧的设计与分析

汽车空气弹簧的设计与分析[20191208103004]
摘 要
在我国交通运输事业发展日益迅猛的背景下,伴随着迅速增加的还有客货运输量,与此同时人们对商用车的要求也随之水涨船高。 与配备钢板弹簧悬架的车辆相比,车辆的空气弹簧悬架不但可以提高乘客的舒适性,同时也增加了车辆的可操作性和车轮与地面接触的能力, 减少车辆磨损和对道路的损坏,这样也能够更好的保护车上所承载的货物。 因此,作为大、中型客车和卡车悬挂弹性元件的空气弹簧,在今后发展中,将会是大势所趋。
本文依据任务书要求,结合厂家提供的一系列数据,通过简要的计算来筛选弹簧;重点对载货汽车空气弹簧进行了匹配设计计算。着重对其弹簧阻尼和刚度进行必要的分析,最后得出刚度以及阻尼适合设计要求的空气弹簧数据以及其相应的特性。

关键字:空气弹簧匹配计算仿真分析特性曲线
Key Words: Airs pring; Matching calculation ; The simulation analysis ; Installation目 录
1.绪论 1
1.1概述 1
1.2空气弹簧的国内外研究现状 1
1.2.1国外研究现状 1
1.2.2国内研究现状 1
1.3本课题的目的和意义 2
2.空气弹簧 3
2.1空气弹簧的特点 3
2.2空气弹簧的种类、结构与工作原理 4
2.2.1空气弹簧的种类 4
2.2.2空气弹簧总成各部件的名称及含义 5
2.3空气弹簧的工作原理 5
2.4本章小结 5
3.空气弹簧的选择与匹配计算 6
3.1空气弹簧悬架各参数变量及含义 6
3.2空气弹簧的基本参数数据 7
3.3空气弹簧的匹配计算 7
3.4空气弹簧的设计注意事项 11
3.5空气弹簧的安装指导 11
3.6本章小结 12
4.空气弹簧的刚度和阻尼特性分析 13
4.1空气弹簧的刚度计算与分析 13
4.1.1基本公式及含义 13
4.1.2弹簧的刚度分析 13
4.2空气弹簧的阻尼特性 15
4.3本章小结 17
5.结论 19
参考文献 20
致谢 21
附录 22
1.绪论
1.1概述
空气弹簧能够变化刚度,由于这样的特性,空气弹簧容易获得到较低的频率,那么我们就可以得到一个很好的驾乘舒适性,所以国外高级旅游巴士都开始使用空气悬架[1]。尽管我国从50年代就开始对空气悬架进行研究工作,但一直都没有能够获得推广应用。最近几年,伴随汽车技术的发展,个别国产高档旅游车都已经逐步开始使用了空气悬架,空气悬架的主要部件是空气弹簧。从结构形式上分为两类:囊式空气弹簧还有膜式空气弹簧。 两者相互比较,囊式制造方便,寿命更长,刚度更大[2]。膜式刚度更小,而且可以很容易地改变其特性曲线的形状,以达到更为理想的使用效果,所以,它在汽车上得到了十分普遍的应用。关于汽车悬架,弹性元件的重要参数不仅仅包括负载特性和它的刚度,还包括空气弹簧在内。本课题将理论和实际相结合,探讨了空气弹簧的匹配设计计算方法。
1.2空气弹簧的国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
空气弹簧开始在第十九世纪,专利的记录是在1847约翰刘易斯的发明专利的空气弹簧[3]。在空气弹簧被研究出现以后,很多人花费了大量精力,分析和研究了空气弹簧的密封性、等等一系列的特性。专利空气弹簧的应用是在1901,当空气弹簧作为悬架阻尼元件的有轨电;1910年乔治班克罗夫特收到了空气弹簧在汽车悬架的专利申请;在1914年,第一个装有空气弹簧的汽车被设计发明出来,是发明家乔治西屋设计和制造的,但是由于橡胶制品还有存在很大缺陷,导致当时的这些专利和产品没有能够在商业上得到应用。 真正意义上空气弹簧得到应用还是在人造合成橡胶得到量产之后。在这以后,通用汽车公司生产的豪华巴士使用fireslong提供空气弹簧作为悬架系统的主要部件,使空气弹簧迅速发展;在1984年福特汽车公司电子控制空气弹簧悬架系统在Continenlal Mark Vlli型汽车上成功地应用之后,空气弹簧的智能控制时代也就到来了[4]。
1.2.2国内研究现状
我国空气弹簧的开发与研究是开始于1957年的,当时只有有限的车辆使用空气弹簧,一开始只是简单初步研究空气弹簧的理论,在郭孔辉的带领下完成的,发表了几份关于空气弹簧理论的文章,并作了大量的试验,积攒了很多经验。 在20世纪80年代初,当时国内为数不多的几家汽车公司,邀请了长春汽车研究所为他们研究了空气弹簧悬架。在20世纪90年代,国内相关科研院所,高等院校和一些主要的汽车制造厂空气弹簧已经开始的产品的研究开发,比如上海的同济大学和淮汽进行了合作,研究和开发五种钢板弹簧,并将之修改为空气弹簧悬架。
1.3本课题的目的和意义
为了解决普通钢板弹簧的卡车拖车使用磨损和裂纹故障,驾驶室和汽车寿命低,运行成本高,停机时间长,价格昂贵的电子设备故障,汽车平顺性,以及司机的乘坐舒适性等问题。因此需要设计空气弹簧,以解决这一系列普通钢板弹簧带来的问题。
相比于安装钢板弹簧的卡车和挂车,安装空气弹簧悬架的卡车和挂车很少发生磨损和裂纹故障。这意味着驾驶室和车辆寿命更长,降低运营成本,减少停机时间,汽车电子设备故障逐步减少。
另一方面,卡车的乘坐性能更好,对于车上载有的货物也同样重要。拥有空气弹簧的卡车和拖车货损率比传统的钢板弹簧悬架车辆明显减少,货物的损坏也逐渐减少投诉。除了以上的经济效益,空气悬架弹簧,驾驶员的舒适性也逐渐成为一个最重要的利益。雇佣想挽留住优秀的司机也已经成为卡车行业中的主要问题。在安装了空气弹簧之后,驾驶员可以获得更好的驾驶感受,司机们在选择公司时,也会优先选择一些使用空气弹簧的汽车运输公司。有些卡车没有安装空气弹簧,有些司机也会要求公司安装。这样大大提升了卡车公司效益,与司机舒适性。
2.空气弹簧
2.1空气弹簧的特点
空气弹簧一般是由橡胶囊和囊中的压缩空气组成,空气弹簧刚度,振动频率低,随负载变化不大,所以并不需要添加机油和润滑油。同时,空气悬架的高频振动具有良好的保温性能,可降低噪音,如果在衰减节气中恰当使用空气弹簧,也可以获得一定的阻尼,如果设计得好,甚至可以省掉减震器。
空气弹簧悬架的缺点是需要导向机构,另外,由于弹簧刚度低,整车的侧倾较大,一般要加装横向稳定器,导致制造成本升高。
空气弹簧刚度可调,一般改变系统的刚度是通过改变气体室的容积或者是改变内腔的压力值。无论多少重量负载,可根据空气压力变化,调节空气弹簧的刚度,也可以使用增加辅助气室增加它的体积的方法,降低刚度。当内部压力转变时,空气弹簧虽然具有相同的尺寸,但是还是得不到一样的承受能力。这使得一种空气弹簧能适应各种不同的负载需求,所以经济性好。同时,在载荷的方向是竖直的时候,空气弹簧也还是受到水平方向上的力矩的。
想要降低隔振系统的固有频率,空气弹簧可以通过改变气囊的总容积来实现,这是它相对于其他弹簧所具有的优点[5]。
由于空间的尺寸是有限的,为了减少振动隔振系统的固有频率,可以辅助气室设计,在远离空气弹簧的地方设置一个附加气室,来减少振动隔振系统的固有频率。空气弹簧的整个容积在辅助空气室的变化下,也随着变大,从而导致空气弹簧的固有频率也随之降低。
想要使得在不同的条件下,工作的高度保持不变,此时高度控制阀也就发挥了其自身的作用。类似地,高度可通过该空气弹簧的高度控制阀来控制具有不同高度的负载,从而能够适应各种不同的结构。
空气弹簧,因为它可以吸收高频振动,所以其噪声性能优良。
空气弹簧主要由橡胶囊和空气组成。在振动过程中,橡胶囊由于伸缩、翘曲,有很小的内摩擦,所以很难传递高频振动。而钢弹簧易于传递高频振动,且容易传递声音。当空气弹簧振动变形时,若节流孔设置在空气弹簧主气室和附加气室之间,两个气室之间就会产生压力差,空气流过节流孔由于阻力而吸收一部分能量, 因而具有阻尼作用[6]。想要合适控制共振,就得提高隔离系统的阻尼特性,而达到这个目标,只有选择合适的节流孔径。
空气弹簧橡除了上盖和下盖,其他基本没有质量,所以比起其他类型的弹簧要轻得多。
2.2空气弹簧的种类、结构与工作原理
2.2.1空气弹簧的种类
空气弹簧的形式大致可以分为三种:膜式,囊式,以及两者组合的混合式空气弹簧。
囊式空气弹簧 囊式空气弹簧是由橡胶膜制成的灯笼形结构,是由一个或多个串联在一起,被称为单曲,双曲或多曲空气弹簧。
膜式空气弹簧 在金属外筒和内筒,就放置着膜式空气弹簧的橡胶膜的结构,或一个气缸和活塞之间,通过变形的膜,实现整体的伸长和缩进。 在内外壁之间的空隙里面预留出适当的曲面[7]。这样的话,在橡胶膜变化时就会沿着这个曲面,随着形变的增加,受力面积也是在变化的。在额定的特性下,变得很软,而当位移很大的时候,又会变得很硬,这样的话就会得到一个合适的非线性的弹性特征,即一个合适的非线性弹性特性。约束膜式和自由膜式又是膜式空气弹簧两种不同的形式[8]。
详细见图2-1,2-2。
(a) (b)
(c)
图2-1 囊式空气弹簧橡胶囊模型
(a) 双曲 (b) 三曲 (c) 单曲
(a) (b)
图2-2 膜式空气弹簧橡胶囊模型
(a) 约束膜式 (b) 自由膜式
2.2.2空气弹簧总成各部件的名称及含义
(1)弹性元件(Flex Members)空气弹簧的弹性元件是由两层尼龙(或聚脂纤维)外附橡胶制造出来的,用来承受膨胀压力和频繁的变形(横向和纵向变形)。外层橡胶用来防止腐蚀、老化和保护弹簧不受外界环境侵蚀;内层橡胶用来承受内部压力以及防止空气泄露。
大多数汽车上使用的空气弹簧弹性元件是由耐久性好、耐低温的天然橡胶制成。天然橡胶的稳定工作范围一般在-55~+70℃。
(2)护圈(Retainer) 上、下护圈的作用是与弹性元件紧密接合、密封,用来防空气泄露。所有护圈还有活塞(与护圈相连,用来确定弹性元件的运动轨迹)均由工程用的热塑或热固复合材料制造而成,或者由抗腐蚀的铝、锌或钢制成。上、下护圈通过锥柱塞或外伸螺栓与其他机件连接。上护圈有一个小孔用来安装3.2mm、6.4mm、12.8mm和19.2mm直径的空气阀。
(3)缓冲块(Bumper) 安装在空气弹簧内部的橡胶缓冲块用来保护弹性元件及端部的护圈。以下几种情形最好能够使用内部缓冲块:
1)总成件在无缓冲块时总是达到“压缩高度”。
2)总成件在无缓冲块时偶尔达到“压缩高度”,但造成的冲击载荷越大。
3)汽车必须要在低的充气压力工况下工作。
2.3空气弹簧的工作原理
在空气弹簧工作过程中,填充有压缩空气的模腔,压缩成一个压缩空气柱。当负荷增加时,整体高度降低,开始减少空腔的体积,增大了弹簧的刚度,存在于内腔的空气柱的有效承载面积也随之变大,与此同时也慢慢将弹簧的承载能力提高了。相反,当振动载荷减小时,弹簧的高度增加,内腔的容积增大,弹簧的刚度降低,空气柱的腔的有效承载面积减小,弹簧的承载能力减少[8]。 这样,空气弹簧在有效的行程内,能够很好的控制弹簧高度[9]。 也可使用增加,减少充气的方法,调节承载能力的弹簧刚度的大小,同时还具有一个附加气室,实现自动控制调节。
2.4本章小结
本章主要说明了空气弹簧的国内外发展趋势,对空气弹簧的分类进行了分析与讨论。最后说明了空气弹簧的主要工作原理。
3.空气弹簧的选择与匹配计算
3.1空气弹簧悬架各参数变量及含义
空气弹簧悬架的结构简图如图3.1所示。
3.1 空气弹簧悬架结构简图
1)尺寸参数
Dw---姣点到轮轴的水平距离;
Ds---姣点至空气弹簧中心线的水平距离;
Lr---杠杆臂比率(Lr=Ds/Dw);
AXe---轮轴最大压缩量;
AXc---轮轴最大伸长量;
c---空气弹簧压缩量;
e---空气弹簧伸长量;
S---空气弹簧冲程量;
DH---给定的空气弹簧设计高度;
hc---空气弹簧最小压缩量(he=DH-c);

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好棒文