輕型商用車空氣懸架系統(tǒng)的設計研究

摘要：為進一步優(yōu)化輕型商務車懸架系統(tǒng)設計，以空氣懸架概述及其主要構(gòu)成作為切入點，分別基于空氣彈簧、減振器、鋼板彈簧以及懸架偏頻等角度對其設計匹配要求進行了分析，同時從懸架設計分析、車輛穩(wěn)定性研究以及懸架設計優(yōu)化等角度介紹了輕型商用車空氣懸架系統(tǒng)方案，最后對未來車輛空氣懸架系統(tǒng)設計發(fā)展趨勢進行了闡述，以期為有關車輛設計從業(yè)者提供參考。

關鍵詞：輕型商用車；空氣懸架；匹配要求；方案設計

中圖分類號：U462收稿日期：2024-12-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.009

1前言

作為汽車底盤的重要組成部分，車輛懸架的設計直接影響汽車的行駛質(zhì)感與駕乘感受。為了更進一步滿足車輛市場的個性化需求，助力商用車設計水平的全方位發(fā)展，及時推進輕型商用車懸架系統(tǒng)設計方案的技術創(chuàng)新具有至關重要的作用。相關設計團隊以及技術人員應充分明確空氣懸架系統(tǒng)的優(yōu)勢與技術特征，并能夠按需對空氣懸架技術進行利用，從而保障輕型商用車的體驗與駕乘安全。

同時，受法規(guī)強制安裝要求，空氣懸架在商用車中得到逐步推廣。GB7258—2017《機動車安全運行技術條件》中規(guī)定，總質(zhì)量大于等于12000kg的危險貨物運輸?shù)暮筝S應裝備空氣懸架。該法規(guī)于2020年1月開始實施。

2空氣懸架概述及其主要構(gòu)成

2.1空氣懸架概述

空氣懸架系統(tǒng)主要指的是以空氣彈簧為主要彈性元件，依托氣體的可壓縮性實現(xiàn)彈性作用并完成車身與車輪之間彈性支承的一項技術手段。在車輛空氣懸架系統(tǒng)的工作過程中，主要由空氣壓縮機（空壓機）進行吸氣，并將其輸送至彈簧與減振器空氣室中，使車輛的高度發(fā)生變化，同時運用傳感器網(wǎng)絡以及電控系統(tǒng)實現(xiàn)對車輛狀況的實時反饋，使壓縮機、排氣閥以及空氣彈簧的形態(tài)發(fā)生變化，進而減少行駛過程中所產(chǎn)生的姿態(tài)變化與振動現(xiàn)象，提升車輛平順性與穩(wěn)定性[1]。

空懸的優(yōu)勢如下：

a.舒適性好，減震效果強。利用壓縮空氣，實現(xiàn)軟連接，緩解來自路面的沖擊。

b.延長輪胎壽命，利于路面保護。能有效減小輪胎與路面之間的沖擊，減小輪胎的摩擦，同時降低對路面的載荷沖擊，增加對路面的保護，減少道路維護保養(yǎng)費用。

2.2空氣懸架主要構(gòu)成

a.供氣單元（空氣壓縮機、單向閥、氣路、氣罐）、減震系統(tǒng)（空氣彈簧、阻尼可調(diào)減震器）。

b.控制單元（高度傳感器、加速度傳感器、ECU、電磁閥）。

其中空氣壓縮機如無集成干燥器，需額外配備干燥器。

2.2.1空氣彈簧

在車輛空氣懸架內(nèi)部結(jié)構(gòu)件中，空氣彈簧發(fā)揮著關鍵性價值和作用。一般來說，在乘用車或商務用車的懸架彈簧設計與調(diào)節(jié)過程中，為盡可能減少車身姿態(tài)變化以及車身振動給駕乘體驗帶來的影響，全面提升乘員舒適性，需要保障懸架彈簧的剛度。但在實際應用過程中，受限于車輛行駛狀態(tài)以及路況因素的影響，車身姿態(tài)穩(wěn)定性會出現(xiàn)一定下降，在加速、剎車或轉(zhuǎn)彎時可能會給行車安全造成影響。

以往的車輛懸架彈性組件結(jié)構(gòu)較為單一，剛度很難發(fā)生相應變化，對于差異化路況與車身姿態(tài)的適應能力較為低下。而采用空氣彈簧的車輛懸架，則能夠依托加速度傳感器和高度傳感器實現(xiàn)對彈性組件剛度和車身高度的實時調(diào)節(jié)，有效提升懸架結(jié)構(gòu)對于路況、車輛姿態(tài)以及穩(wěn)定性的適應能力，使車內(nèi)乘客的駕乘體驗以及車輛行駛安全性均得到相應提升。

按照結(jié)構(gòu)進行劃分，車輛懸架設計方案常用的空氣彈簧形態(tài)主要包括囊式空氣彈簧和膜式空氣彈簧等兩種主要類別，其彈性特性變化幅度具有一定差異，因此在進行懸架設計的同時，應充分考慮到車輛底盤的設計需求和車輛綜合成本，確保相關方案的適用性。

2.2.2導向結(jié)構(gòu)

在車輛懸架的工作過程中，所面臨的工況路況存在一定差異，懸架內(nèi)部結(jié)構(gòu)所承受的力矩同樣也較為復雜，這就需要對懸架的導向結(jié)構(gòu)進行合理設計，使車輪與車架之間的相對運動得到有效緩沖與引導，從而提升車輛穩(wěn)定性。

按照結(jié)構(gòu)特點進行劃分，可將導向機構(gòu)主要分為以下幾種類型：

a.板簧式結(jié)構(gòu)，這一類型的導向結(jié)構(gòu)設計與加工較為簡便，生產(chǎn)成本較為低廉，對空間需求較低，應用范圍較為廣泛。

b.雙橫臂結(jié)構(gòu)，該類型結(jié)構(gòu)較為緊湊，對路況的適應能力強，但球頭部位承載能力較為低下。

c.四連桿結(jié)構(gòu)，依托縱向推力桿與導向桿的同步作用能夠?qū)崿F(xiàn)對力矩的綜合傳導。

d.五連桿結(jié)構(gòu)，該類型結(jié)構(gòu)能主要用于前懸架設計當中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強，但對于輪胎的影響與干涉較為突出，可能會加快輪胎的損耗速度。

2.2.3高度控制閥

作為車輛空氣懸架設計方案中另一項重要組成部分，高度控制閥能夠結(jié)合懸架工況和車輛姿態(tài)等具體情況對壓縮空氣進行實時調(diào)控，使懸架結(jié)構(gòu)能夠充分適應不同類型的路況特征，從而有效保障車輛駕乘平順性與綜合穩(wěn)定性[2]。

通常來說，為保障民用商用車輛的設計、生產(chǎn)與使用維護成本，多采用附加延遲機構(gòu)的機械式高度控制閥，當車輛運行載荷增加時，其所承受的力矩將會通過空氣彈簧進行傳導，使控制桿、擺臂、緩沖彈簧等組件的狀態(tài)同樣發(fā)生變化，開啟進氣閥門，使車輛高度升高；而當車輛運行載荷降低時，其所承受的力矩將會通過空氣彈簧進行傳導，使控制桿、擺臂、緩沖彈簧等組件的狀態(tài)同樣發(fā)生變化，開啟進氣閥門，使車輛高度下降，實現(xiàn)對車輛懸架高度的有效控制。

3空氣懸架的匹配要求

在商用車空氣懸架的開發(fā)與設計過程中，保障其內(nèi)部組件的匹配度與契合度，是提升懸架穩(wěn)定性，保障車輛行駛安全與駕乘體驗的關鍵所在。因此相關設計人員以及技術團隊應當基于空氣懸架的組件架構(gòu)做好方案的匹配工作，實現(xiàn)參數(shù)之間的協(xié)同對標，避免出現(xiàn)誤差或風險。

3.1空氣彈簧匹配

空氣彈簧作為車輛空氣懸架設計過程中的關鍵性核心組件，在確保其與懸架系統(tǒng)乃至整個車體之間的匹配中具有關鍵性作用。因此相關技術團隊和設計人員應當明確商用車運行過程中所面臨的具體工況特征和載荷狀態(tài)，同時按需針對空氣彈簧設計安裝參數(shù)進行調(diào)節(jié)，確保其工況適應能力[3]。通過實驗驗證能夠發(fā)現(xiàn)，車輛懸架中空氣彈簧的性能表現(xiàn)往往與載荷、行程兩項指標相關聯(lián)。隨著車輛運行載荷的不斷增加，空氣彈簧的行程不斷擴大，其體積同樣也在不斷縮小，剛度計算公式為：

[F=PeA]""""""""""""""""（1）

[PVn=const]""""""""""""""（2）

式中，F(xiàn)為垂直方向的載荷變化情況；A為彈簧氣囊面積；P為絕對氣壓；Pe為有效氣壓；V為氣囊容積；n為工況變化系數(shù)，一般取1.33；const表示常數(shù)。

3.2減振器匹配

在商用車底盤與懸架組件的開發(fā)設計過程中，優(yōu)化減振器方案的設計工作能夠針對性減少車輛載荷和復雜路況對車身振動所造成的影響，盡可能提升車輛綜合穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)異常振動、側(cè)傾、位移等情況。在空氣懸架系統(tǒng)減振器進行設計的同時，應當充分考慮到車輛底盤結(jié)構(gòu)、車輛類型、車輛設計目標等相關要求，同時確保其符合懸架彈性組件設計要求，進一步提升懸架組件的綜合減振性能。

設計過程中，應分別考慮到車輛懸架減振器的行程、阻尼力度等多項指標參數(shù)，同時注意區(qū)分懸架擺臂運動方式以及商用車輪胎胎徑，從而使路面以及車輛載荷所誘發(fā)的振動得到及時消除。

3.3鋼板彈簧剛度

商用車復合型空氣懸架設計過程中，同樣也涉及鋼板彈簧的配置，因此技術人員和設計團隊需要針對彈簧的剛度進行合理計算，充分調(diào)節(jié)彈簧片之間的摩擦力，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠充分符合車輛懸架設計生產(chǎn)要求。彈簧剛度計算公式為：

[K=Eα1+α2+α3+α4+α5+α6]"""""""（3）

式中，K為鋼板彈簧剛度；E為彈性模數(shù)；[α1～α6]為各片鋼板彈簧尺寸參數(shù)。

3.4懸架偏頻情況

商用車行駛過程中，其懸架往往會產(chǎn)生一定偏頻，即在理想狀態(tài)下所產(chǎn)生的振動狀況，是影響車輛穩(wěn)定性以及駕乘體驗的另一項重要指標，同時對車輛行駛安全性也會產(chǎn)生一定影響。因此在針對空氣懸架進行設計開發(fā)的同時，應當充分考慮到偏頻要素，并對其進行比對分析與計算，使最終結(jié)果能夠充分符合商用車設計要求。偏頻計算公式為：

[n=（km）/2π]""""""""""""""（4）

式中，n為空氣懸架偏頻；k為懸架設計剛度；m為空氣彈簧以及鋼板彈簧所承載的載荷指數(shù)。通常來說，車輛后懸架偏頻范圍往往大于前懸架偏頻范圍，且商用車懸架偏頻需要進行針對性抑制，從而滿足駕乘人員以及車輛市場的舒適性需求[4]。

4輕型商用車空氣懸架系統(tǒng)方案設計

為進一步提升車輛行駛穩(wěn)定性與安全性，現(xiàn)以某輕型商用車為例，針對其空氣懸架系統(tǒng)方案進行設計，同時給出相應優(yōu)化方案，為后續(xù)工作的開展奠定基礎。

4.1懸架設計分析

正式開始設計之前，需要對整車進行建模。整車模型主要涉及前懸結(jié)構(gòu)、后懸結(jié)構(gòu)以及各項子模型，傳統(tǒng)商用車多采用板簧和螺旋彈簧結(jié)合的懸架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總高較為突出，空間占用較大，對于車輛裝載能力和行駛過程中的車身姿態(tài)可能會造成一定影響。

一些方案中利用副車架總成鉸鏈將擺臂總成進行相互連接，未能針對不同擺臂總成的位置進行優(yōu)化布局，內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)較為復雜，對車輛懸架設計造成了一定不利影響。

此外，還有一些方案采用了四連桿結(jié)構(gòu)對懸架系統(tǒng)進行設計，全面運用固定連接方式針對驅(qū)動橋及其蓋板進行連接，并采用豎向布局的方式對空氣懸架氣囊總成進行安置，同樣也使懸架高度超出預期，商用車承載能力和整體姿態(tài)穩(wěn)定性不斷下降。

為解決上述技術方案存在的問題，現(xiàn)決定采用包括后部車架縱梁、車輪轉(zhuǎn)向節(jié)、五連桿結(jié)構(gòu)以及橫向復合板簧在內(nèi)的獨立后懸架系統(tǒng)方案，力求有效降低懸架系統(tǒng)及載貨臺高度，確保商用車穩(wěn)定性[5]。

4.2車輛穩(wěn)定性研究

相較于常見的乘用車輛而言，商用車懸架設計和穩(wěn)定性評價研究過程中，除了需要考慮到乘員駕乘體驗舒適性外，還需要確保貨物載荷的完整性，同時能夠有效完成預期工作目標和工作要求，因此相關技術人員以及設計團隊應當構(gòu)建起一套較為完善的評價體系，并針對商用車運行穩(wěn)定性與平順性進行分析。評價過程中，應分別考慮到車輛的加速度姿態(tài)、懸架撓度和行駛過程中輪胎動載荷等幾項內(nèi)容，進一步強化車輛懸架性能。

4.3空氣懸架設計優(yōu)化

針對現(xiàn)有商用車空氣懸架設計方案穩(wěn)定性、平順性和安全性進行綜合分析與評價發(fā)現(xiàn)，在乘員舒適度、載荷完整度以及車輛安全性等方面均存在一定問題。因此本次研究中基于五連桿結(jié)構(gòu)設計思路針對車輛空氣懸架設計方案進行進一步優(yōu)化，實現(xiàn)獨立后懸架系統(tǒng)的設計目標，將懸架五連桿結(jié)構(gòu)設置在總量與轉(zhuǎn)向節(jié)之間，并將其與橫向板簧相連接，優(yōu)化過后的懸架系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，1為主車架縱梁，2為后部車架縱梁，3為縱梁鑄件，4為橫向復合板簧，5為前上連桿，6為前下連桿，7為后上連桿，8為后下連桿，9為后束角連桿，10為減震器。

相較于以往的板簧與螺旋彈簧結(jié)合的懸架結(jié)構(gòu)而言，該空氣懸架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)高度、空間占用情況、穩(wěn)定性、載荷性能以及車輛行駛平順度等幾方面指標均得到了進一步優(yōu)化，使商用車輛能夠承載的貨物量不斷增加，使車輛的性能及其市場競爭力得到全方位提升。

5未來車輛空氣懸架系統(tǒng)設計發(fā)展趨勢

空氣懸架系統(tǒng)作為輕型商用車懸架技術的關鍵性發(fā)展成果，隨著時間的不斷推移與技術的不斷進步，其設計也將愈發(fā)成熟，未來發(fā)展趨勢主要涵蓋以下幾方面內(nèi)容。

a.導向結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。針對現(xiàn)階段民用車輛空氣懸架設計方案進行系統(tǒng)化分析發(fā)現(xiàn)，空氣彈簧在整個懸架系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用，其設計不僅影響車輛行駛過程中的穩(wěn)定性與安全性，同時也是車輛承載能力的重要評價前提。但受到空氣彈簧物理特性和工作原理等客觀因素的影響，它往往只能承受垂直方向的力矩，對于側(cè)向力矩的承載能力較為有限。因此相關設計團隊和技術人員應當充分明確導向結(jié)構(gòu)在商用車空氣懸架設計過程中的重要性，結(jié)合車輛姿態(tài)、設計目標等具體要求對懸架導向結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使其性能實現(xiàn)不斷提升。

b.懸架結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)的螺旋彈簧懸架結(jié)構(gòu)，空氣彈簧的彈性性能主要取決于壓縮氣囊的形態(tài)，其在車輛內(nèi)部空間當中所占據(jù)的面積往往較大，這給車輛運行過程中橫向的姿態(tài)保持帶來了一定難度。因此在未來商用車空氣懸架的設計過程中，應充分關注到橫向穩(wěn)定性的控制要求，采用穩(wěn)定桿等措施實現(xiàn)對行駛姿態(tài)的充分支承，減少行車過程中的安全風險。

c.密封件的質(zhì)量保障。商用車空氣懸架的開發(fā)設計過程中，涉及包括氣囊在內(nèi)的多個密封件，上述密封件的性能與懸架整體性能之間具有一定關聯(lián)性，因此在系統(tǒng)開發(fā)設計與生產(chǎn)的同時，應當做好對關鍵性密封件的性能檢測工作，進一步減少組件質(zhì)量給懸架整體性能帶來的風險與隱患，延長空氣懸架使用壽命，避免漏氣現(xiàn)象的發(fā)生。

6結(jié)語

在輕型商用車懸架系統(tǒng)的開發(fā)設計過程中，空氣懸架系統(tǒng)以其在穩(wěn)定性、安全性和使用壽命等方面的優(yōu)勢得到了廣泛應用。相關技術工作人員應當充分考慮到輕型商用車的特點與設計需求，并針對傳統(tǒng)的空氣懸架設計方案進行系統(tǒng)優(yōu)化，使車輛的平順性、穩(wěn)定性以及承載能力均得到全方位提升與發(fā)展，促進商用車市場競爭力的不斷進步。

參考文獻：

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[4]王賢勇，周建新，黃錦棣，等.商用車懸架系統(tǒng)空氣彈簧的應用現(xiàn)狀[J].中國橡膠，2023，39（3）：36-39.

[5]朱成明.滑板底盤概述以及發(fā)展趨勢[J].時代汽車，2024（4）：131-134.

作者簡介：

朱成明，男，1984年生，工程師，研究方向為基于滑板底盤架構(gòu)的新能源商用車開發(fā)與應用。