帶附加氣室的汽車懸架空氣彈簧性能研究*

趙向陽，趙廣宣，劉 慶，2

（1.河南工學(xué)院車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.哈密職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通運輸系，新疆 哈密 839001）

0 引言

懸架是汽車車架或者車身與車橋之間的連接裝置，起到結(jié)構(gòu)連接和力的傳遞作用，同時緩沖來自路面的沖擊與振動，保證汽車平順的行駛。彈簧是汽車懸架的重要組成部分，影響整個懸架系統(tǒng)的性能。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，空氣彈簧技術(shù)研究深受業(yè)內(nèi)關(guān)注，空氣彈簧相對于傳統(tǒng)彈簧，具有減振效果明顯、提高汽車舒適性顯著的優(yōu)勢[1]。

帶附加氣室的空氣彈簧具有剛度低、振動頻率低、抵抗路面沖擊能力強等優(yōu)點，同時受到氣室初始壓力、附加氣室容積、節(jié)流孔面積、激振頻率等多方面因素影響[2]。因此，帶附加氣室的空氣彈簧振動特性呈現(xiàn)明顯的非線性特征。國內(nèi)對帶附加氣室的空氣彈簧的研究起步較晚，主要從理論分析、空氣彈簧有效面積和體積變化、有限元分析等多個方面進行了研究，取得了一定的成效。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，通過理論分析的方式推導(dǎo)影響帶附加氣室的空氣彈簧振動特性的參數(shù)，為后續(xù)的試驗研究提供理論支撐。

1 帶附加氣室空氣彈簧懸架結(jié)構(gòu)分析

圖1 空氣彈簧懸架結(jié)構(gòu)圖

帶附加氣室的空氣彈簧懸架主要組成包括：空氣彈簧、減振器、導(dǎo)向機構(gòu)、高度控制閥等機械元件；電動機、壓縮機、電磁閥、溫度傳感器、排氣閥、傳感器等空氣供給系統(tǒng)；汽車行駛過程中，根據(jù)安裝在前后車輪的車高傳感器，判斷車身高度變化，控制壓縮機和排氣閥工作，使空氣彈簧伸長或者壓縮，從而起到調(diào)節(jié)車身高度和姿態(tài)，減少振動沖擊的作用。常見的帶附加氣室的空氣彈簧懸架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.1 空氣懸架高度控制閥

圖2 高度控制閥結(jié)構(gòu)圖

空氣懸架中高度控制閥是控制空氣彈簧伸縮的主要元件，其原理是通過控制空氣彈簧內(nèi)氣體壓力的大小，適應(yīng)外界壓力變化，保證在任何載荷下車身與路面保持一定的高度[3]。高度控制閥應(yīng)用廣泛，其工作壓力范圍為1.5MPa～2MPa，疲勞次數(shù)將近300 萬次，工作溫度將近110℃。

高度控制閥根據(jù)是否帶延時機構(gòu)，可分為即時型高度控制閥和延時型高度控制閥，如圖2 所示。即時型高度控制閥是指當汽車在高度方向產(chǎn)生位移時，空氣彈簧立刻做出充放氣動作，完善汽車行駛工況。即時型高度控制閥雖然具有反應(yīng)靈敏、工作性能好的優(yōu)點，但是對安裝精度、加工精度等具有較高的要求。延時型高度控制閥獲得車身位移變化信號后通常延遲2s～4s，保證空氣彈簧的高度雖有變化但不起進、排氣作用，而當靜載荷變化或以極低頻率振動時，保證空氣彈簧進行充、排氣，以使在汽車正常的振動中高度閥的進、排氣閥不會頻繁地打開，從而減少對壓縮空氣的浪費。目前，即時型高度控制閥和延時型高度控制閥在汽車空氣懸架的應(yīng)用中均占有較大比例。

1.2 空氣彈簧結(jié)構(gòu)分析

空氣彈簧的工作原理是依靠橡膠和充滿高壓空氣的封閉高壓腔體來實現(xiàn)減振作用。帶附件氣室的空氣彈簧是在主氣室的基礎(chǔ)上加裝附加氣室，在主氣室和附加氣室加設(shè)節(jié)流閥，通過控制節(jié)流閥開度實現(xiàn)主氣室和附加氣室氣流量的傳遞。帶附件氣室的空氣彈簧中附加氣室的作用是增加空氣彈簧的空氣容量，擴大其工作壓力范圍。

根據(jù)安裝的位置不同，附加氣室可分為內(nèi)置式和外置式兩種。內(nèi)置式的帶附件氣室的空氣彈簧是在主氣室的內(nèi)部增設(shè)一個空腔，作為向空氣額外提供空氣量的容器。這種空氣彈簧結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，但是其體積較小，工作壓力范圍有限。外置式的帶附件氣室的空氣彈簧是在主氣室的外部增設(shè)一個氣室，并通過節(jié)流口與主氣室連接，增加了空氣彈簧的空氣量。這種空氣彈簧體積大、安裝要求高、氣室容積調(diào)節(jié)方便。兩種方式的帶附件氣室的空氣彈簧工作原理相同，均是利用主氣室和附加氣室的壓力差調(diào)節(jié)空氣彈簧的剛度。

圖3 空氣彈簧種類與結(jié)構(gòu)圖

由于結(jié)構(gòu)和工作方式差異，空氣彈簧主要分為囊式、膜式和復(fù)合式三種，如圖3 所示。其中，囊式空氣彈簧由夾有簾線的橡膠氣囊和密閉在其中的壓縮空氣組成，工作時接觸面積較大，振動時的頻率較小，能適應(yīng)較低的剛度和工作高度。膜式空氣彈簧的密閉氣囊由橡膠膜片和金屬壓制件組成，與囊式的相比其彈性特性曲線比較理想，并且尺寸較小，因此在轎車上應(yīng)用較多。復(fù)合式空氣彈簧從結(jié)構(gòu)上是介于囊式和膜式之間的一種型式，它綜合兩種空氣彈簧的優(yōu)點，具有較低的彈簧剛度、但制造工藝復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸較大，因此多布置于客車等大型車輛上。

2 帶附加氣室空氣彈簧理論分析

2.1 帶附加氣室空氣彈簧模型分析

帶附加氣室的空氣彈簧的工作原理如圖4 所示。空氣彈簧的主氣室與附加氣室通過管路連接，之間加設(shè)節(jié)流閥，用于調(diào)節(jié)空氣流量。主氣室為主要的受力機構(gòu)，通過與附加氣室的壓力差來控制空氣的流動，空氣在流動過程中產(chǎn)生的阻尼能改變彈簧的剛度。附加氣室是一個剛性的容器，為空氣彈簧提供更大的空氣容量[4]。

空氣彈簧主要承受垂直方向的力，因此只考慮其垂直方向的運動。帶附加氣室的空氣彈簧振動過程中，彈簧底座承受來自路面的垂直激勵q，振動通過空氣彈簧向上傳遞到車身等簧上質(zhì)量M，產(chǎn)生垂直方向振動z，根據(jù)牛頓定律，可推算出簧上質(zhì)量的運動微分方程（1）：

式中：M——空氣彈簧的簧載質(zhì)量，kg；

F——空氣彈簧的垂直作用力，N；

汽車運動過程的復(fù)雜性決定了空氣彈簧的高度呈現(xiàn)不規(guī)則的動態(tài)變化，因此，空氣彈簧的動態(tài)高度計算公式為（2）：

式中：h——空氣彈簧的工作高度，m；

h0——空氣彈簧平衡位置的高度，m；

q——空氣彈簧的振動位移，m。

將公式（2）兩邊求導(dǎo)即可得到空氣彈簧工作高度變化關(guān)系（3）：

圖4 帶附加氣室空氣彈簧工作原理示意圖

2.2 力學(xué)特性分析

帶附加氣室的空氣懸架具有連續(xù)變剛度的特點，相比于鋼板彈簧，其振動頻率較低，有效提高了車內(nèi)人員乘坐舒適性，空氣作為空氣彈簧的介質(zhì)，其力學(xué)特性對空氣懸架性能影響最為直接[5]。在空氣懸架中，由于空氣壓力和流速較低，因此可將空氣視為不可壓縮。

2.2.1 空氣彈簧分析

根據(jù)空氣彈簧的特征，基于空氣流體力學(xué)建立空氣彈簧的氣體方程如下：

因為，

因此能量方程為：

式中：Q——氣體質(zhì)量（kg）；P——氣體壓力（Pa）；q——氣體質(zhì)量流量（kg/s）；V——氣體體積（m3）；R——氣體常數(shù)（J/mol·k）；Cv——定容比熱（J/kg·K）；Xm——氣柱高度（m）；A——橫截面積（m2）；Sh——傳熱面積（m2）；Ta——溫度（K）；h——傳熱率（W/m2k）；ρ——氣體密度（kg/m3）；Tm——彈簧內(nèi)氣體溫度（K）。

2.2.2 附加氣室分析

為了計算和研究方便，通常將附加氣室和空氣彈簧一同視為聯(lián)系的系統(tǒng)，根據(jù)空氣流體力學(xué)理論知識，附加氣室的氣體方程式如下：

能量方程：

2.2.3 連接管路的氣體方程

在對管路中的氣體進行理論研究時，由于管路中空氣大多數(shù)情況下是紊亂的，因此只考慮其慣性，并在進行模型建立時，只考慮其慣性。假設(shè)連接管路中的空氣和附加氣室的空氣是絕熱狀態(tài)，則其空氣方程如下：

式中：u——空氣的流速；L——連接管道的長度。

2.3 帶附加氣室空氣彈簧等效模型建立

根據(jù)以上空氣方程可得：

假設(shè)系統(tǒng)壓力和容積變化較小，對空氣彈簧和附加氣室做線性化處理，結(jié)果如下：

式中：K——絕熱指數(shù)；V1（0）——初始溫度（K）；Pm（0）——初始壓強（Pa）。

經(jīng)過推算，動力系統(tǒng)傳遞方程為：

帶附加氣室空氣彈簧的動態(tài)特性具有明顯的非線性，為了研究方便，在一定誤差范圍內(nèi)，采用小偏差線性法對其非線性進行線性處理，得到帶附加氣室空氣彈簧的等效模型如圖5 所示。

圖5 帶附加氣室空氣彈簧等效模型

3 結(jié)論

通過對帶附加氣室空氣懸架的整體和關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)分析，掌握了帶附加氣室空氣懸架的基本工作原理，明確了附加氣室基本作用以及相比于普通空氣懸架具有剛度低、振動頻率低、抵抗路面沖擊能力強優(yōu)點。通過理論分析得到了帶附加氣室空氣懸架的結(jié)構(gòu)模型與等效模型，為后續(xù)研究連接管路對空氣彈簧剛度的影響提供了理論依據(jù)。