图5- 10 车速80KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 ........ 58 图5- 11 满载垂向加速度均方根值 ....................................................................... 59 图5- 12 空载垂向加速度均方根值 ....................................................................... 59
表格清单
表3- 1 内压不同时，空气弹簧静平衡位置刚度 .................................................... 18 表3- 2 空气弹簧垂向变形与垂向刚度 .................................................................. 19 表3- 3 同一载荷、帘线角不同时，空气弹簧的垂向变形....................................... 19 表3- 4 帘线角不同时，空气弹簧静平衡位置垂向刚度 .......................................... 20 表3- 5 同一载荷、帘布层厚度不同时，空气弹簧的垂向变形 ................................ 21 表3- 6 帘布层厚度不同时，空气弹簧静平衡位置垂向刚度 ................................... 22 表3- 7 帘布层层数不同时，空气弹簧的垂向变形 ................................................. 22 表3- 8 帘布层层数不同时，空气弹簧静平衡位置垂向刚度 ................................... 23 表3- 9 内压不同时，静平衡位置横向变形 ........................................................... 24 表3- 10帘线角不同时，空气弹簧横向变形 .......................................................... 25 表3- 11 垂向载荷14000N、帘布层厚度不同时，空气弹簧横向变形...................... 26 表3- 12 同一载荷、帘布层层数不同时，空气弹簧横向变形 ................................. 27 表4-1 路面不平度8级分类标准 .......................................................................... 33 表4- 2 参数表 ..................................................................................................... 42 表4- 3 不同前悬架刚度曲线下加速度均方根值 .................................................... 48 表4- 4 不同后悬架刚度曲线下加速度均方根值 .................................................... 50 表4- 5 不同前空气弹簧内压下加速度均方根值 .................................................... 52 表4- 6 不同后空气弹簧内压下加速度均方根值 .................................................... 53 表5- 1 随机路面输入仿真结果与随机路面实车试验结果比较 .............................. 59
第一章 绪 论
随着人们生活水平的逐渐提高，人们对汽车的乘坐舒适性的要求越来越高。近年来，国内外一些高档轿车、货车尤其是客车中安装了一种新的减振系统——汽车空气弹簧悬架系统[1]。在行驶过程中，这类车辆有着比较好的乘坐舒适性，即使在不平的路面上行驶，它的颠簸性也比较小。
作为悬架系统的一种弹性元件，空气弹簧是将压缩空气充入柔性密闭容器中，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧[1]，它拥有良好的弹性特性——变刚度特性和较低的固有频率[2]。使装有空气悬架的车辆在不平路面上行驶时具有良好的平顺性[3]。 1.1国内外研究的现状
1.1.1空气悬架国外的发展历史和研究现状
空气弹簧诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备的隔振。1934年在亨利2福特一世和托马斯2硒瓦2爱迪生技术帮助下，哈维2凡世通研制出了空气柱形式的空气弹簧悬架系统。1947年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧。随后随着高分子合成物的发展，特别是合成人造橡胶的出现，空气弹簧才在商用车上得到实际应用[4]。1953年通用汽车公司开始生产装有空气悬架的客车，标志着空气弹簧在商用车上应用的开始。此后意大利、英国、法国及日本等国家相继对空气弹簧作了大量研究工作。1964年德国生产的55种大中型客车中，有38种使用了空气弹簧悬架。由此空气弹簧在客车上的应用开始得到推广[5-6]。
随着空气悬架的推广，1970年，J.R.EVANS等人对空气弹簧在火车上的应用作了深入的研究，建立了空气弹簧垂向动态模型并进行了空气弹簧垂直特性试验[4]。1994年，空气弹簧侧向特性试验被完成，在较宽频带内和大幅值条件下，测量了空气弹簧在不同载荷下的侧向力和变形，并用正弦波和锯齿波输入来观察速度对侧向特性的影响[6]。为了减小空气弹簧的垂向刚度，在空气悬架系统中设有附加气室，日本学者IGatsuya Yoyofuku等人通过研究振动频率和弹簧反应之间的关系，分析管道和气室对弹簧特性变化的影响[5]。美国John Woodrooffe通过试验评价了分别装有空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架的重型载货汽车路面附着性和行驶平顺性[7]。德国学者All Homeyer等人采用有限元法优化了空气弹簧结构，提出了空气弹簧设计的新思想[8]。
空气弹簧只承受车辆垂直方向载荷力，车辆在起步、制动及转向过程中产生的纵向力、侧向力等都必须由悬架导向机构承受[9]。早期的空气悬架是空气弹簧与钢板弹簧二者组成的钢板2空气弹簧复合悬架，钢板弹簧不仅起导向作用，也兼起一部分弹簧的作用[10]。近年来在客车上开发了车身载荷几乎完全由空气弹簧支撑的被动全空气悬架。随着现代控制技术的发展，在一些高档轿车，
1
如福特汽车公司在Continental MarkVII车上、丰田汽车公司在Lexus车上均成功地推出了电子控制空气悬架系统(Electronically Controlled Air Suspension System简称ECAS) [2]。
由此可以看出：空气悬架发展经历了“钢板2空气弹簧复合悬架——被动全空气悬架——主动全空气悬架(电子控制空气悬架系统)”的发展历程[2]。
1.1.2空气悬架国内的发展历史和研究现状
20世纪50年代，我国就对空气弹簧及悬架进行了研究。1957年初，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作，进行空气弹簧橡胶气囊的设计与研究，同年底制造出我国第一辆空气悬架货车[11]。1958年，沈阳机车车辆厂试制的“东风号”客车上，首先装用了空气弹簧。然后，天津车辆段和天津橡胶研究所共同研究出一种双曲囊式空气弹簧曾先后在天津车辆段、北京车辆段得到试用。1959年至1960年，双曲囊式空气弹簧分别被安装在四方机车车辆厂新造的低重心车辆转向架和新造双层客车的转向架上[12]。1965年，长春客车厂在试制DKl型转向架时，在双曲式弹簧的基础上设计了电磁式高度控制阀，采用无摇动台控制结构，在摇枕中下部和构架侧梁内侧之间加装横向复原弹簧。经多次试验证明垂直振动性能很好[6]。
在此一段时期，相继设计出10余种空气弹簧和3种高度控制阀，但此阶段对高度控制阀的可靠性和整个系统的密封性问题、悬架的稳定性问题、空气弹簧的特性理论问题等没有解决。
八十年代初长春汽车研究所再次进行空气悬架的研究，并为武汉客车制配厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设计了空气悬架。近年来，国产大型高档客车特别是引进国外先进技术制造的大型高档客车大都采用了空气弹簧悬架。此外，空气弹簧悬架还可以运用到货车上。随着高速公路的不断延伸，对于高速公路适用的客货车的要求逐渐增多，对汽车的安全性、操纵性和舒适性也提出了更高的要求。所以，对空气悬架的研究具有重大意义和广阔的前景。
由于空气弹簧是由帘线、橡胶复合材料构成的复杂结构体，它承受着很大的应力和变形。由于其结构的复杂性，因此使得对空气弹簧的研究工作进展缓慢，直到20世纪80年代才形成了设计理论，该理论在空气弹簧发展史上占有重要的地位。自20世纪60年代以来，随着计算机技术的飞速发展，有限元分析技术作为一种以计算机为工具的数值分析方法已在实际中得到广泛应用，其应用领域已从力学分析扩展到磁场的分析，从线性分析扩展到各类非线性问题的分析。利用有限元软件对空气弹簧充气、承受负荷时的应力和应变进行分析，求出其刚度曲线，然后进行设计。这些设计方法的基本原理主要是依据实际使用条件，应用大型计算机并借助三维有限元分析程序，模拟实际使用中的工况，对空气弹簧进行CAE仿真分析。
2
近年来，我国也一直在积极地探索空气弹簧结构设计与分析的理论研究。重庆交通科研设计院的丁良旭对空气悬架性能进行了计算机模拟，拟合了空气弹簧的特性曲线[12]。北京理工大学进行了客车空气悬架台架试验[13]。吉林大学的陈燕虹等对大客车空气弹簧动态特性进行了试验分析[8]。西南交通大学李芾等对空气弹簧动力学参数特性进行了研究，分析了影响空气弹簧性能的主要因素[12]。湖南株洲时代新材料科技公司的陈灿辉等对商用车空气弹簧进行了非线性有限元分析，其分析结果与试验结果吻合良好[13]。上海交通大学的周劲松和同济大学的赵洪伦等运用有限元分析技术对空气弹簧进行了应力和模态分析，为空气弹簧的设计提供了经济有效的方法[10]。这些都对我国的空气弹簧研究事业的发展做出了贡献。但是我国空气弹簧的研究与国际上空气弹簧的研究相比还有较大差距，目前我国尚未形成一套完整的分析设计系统，很难完全应用于空气弹簧工业生产中[13]。 1.2汽车平顺性的发展
汽车行驶时，由路面不平及发动机、传动系和车轮等旋转部件激发汽车的振动。汽车平顺性主要是指保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，对载货汽车还包括保持货物完好的性能。车辆振动不仅可导致车上货物的破损、乘员疲劳，还会使整车零部件过早的磨损及疲劳损坏，影响车辆的正常使用寿命。所以，平顺性是现代高速、高效率汽车的一个主要性能指标。研究如何使汽车具有良好的平顺性，已得到汽车设计人员的高度重视[14]。
平顺性的研究工作已经经历了半个多世纪，60年代后期平顺性的研究与实验取得了较大的进展，70年代后期开始，随着基础理论的深入研究，以及一些先进测试仪器和设备的引进，汽车平顺性的试验工作取得了巨大的发展。 对汽车平顺性的研究一般考虑是路面、汽车、人三个方面。汽车的车速、路面的不平度形成“路面-汽车-人”系统的激励，而轮胎、悬架、车身、坐垫弹性、阻尼和悬挂、非悬挂质量构成了整个系统，座椅上的人或物接收到的加速度、速度和位移为系统的输出，见图1-1所示[15]。
图1- 1“路面——汽车——人”系统的框图
3