2006届毕业设计说明书
用 Neway 及 Reyco的空气悬架 ,东风杭汽产客车采用 Neway 和科曼的空气悬架 ,一汽客车主要选用 Neway或 Reyco 的空气悬架,厦门金龙、 苏州金龙一边选用 Neway 和其他国外空气悬架产品 ,一边在进行自主开发。
1.1空气弹簧的发展现状
空气弹簧诞生于 19世纪中叶 ,有专利记载在 1847年 John Lewis申请了空气弹簧的发明专利,同年在《美国科学》的创刊号上提出了“ride on air” 的概念。在空气弹簧诞生后 ,很多人在空气弹簧的密封性、结构的改进、 应用上进行了大量的研究。空气弹簧的最早应用专利出现在 1901年,被用作有轨电车悬架的减振元件; 1910年 George Bancroft获得了将空气弹簧应用在汽车悬架上的专利;而第一个装有空气弹簧的汽车产品出现在 1914年 ,是由发明家 GeorgeWestinghouse设计制造的,但是由于橡胶制品还有缺陷 ,导致当时的这些专利和产品没有得到商业应用。直到上个世纪中叶 ,随着合成人造橡胶的出现 ,才使空气弹簧得到了真正的应用。 1953年通用汽车公司生产的豪华大客车使用了 Firest one公司提供的以空气弹簧 为主要减振元件的悬架系统 ,使得空气弹簧得到了飞速发展;在空气弹簧得到商业上的推广以后 ,空气弹簧悬架系统的控制理论与方法成为研究重点 ,Stein利用前馈与反馈相结合的“ 天棚 ” 控制理论 ,研究了座椅上假人的垂直振动响应并用计算机进行模拟;1984年福特汽车公司在 ContinentalMark V IIi型上成功地应用了电子控制空气弹簧悬架系统,从此开始了空气弹簧的智能控制时代。
我国空气弹簧的研究始于 1957年 ,当时只是局限于车辆用的空气弹簧 ,当年在郭孔辉院士的领导下 ,对空气弹簧的理论进行了初步研究 ,发表了几篇关于空气弹簧理论的文章 ,并作了大量的试验 ,积累了一些经验。上世纪 80年代初长春汽车研究所再次进行了空气弹簧悬架的研究 ,并为国内几家车辆厂设计了空气弹簧悬架。进入 90年代 ,国内相关研究所、 各大汽车厂和一些大专院校陆续开始了空气弹簧产品的研究与开发 ,如同济大学与安徽江淮汽车底盘股份有限公司等合作将 5种客车底盘的钢板弹簧悬架改型为以空气弹簧悬架。
1.2空气弹簧橡胶囊的结构
现今国内、 外对空气弹簧的分类很不统一。我国将空气弹簧主要分为三种种类型,囊式、 膜式和其它型式。囊式空气弹簧按曲数可以分为单曲、 双曲和多曲,但是对于四曲以上的囊式空气弹簧稳定性很差,所以很少使用。膜式空气弹簧可以分为自由膜式和约束膜式。国外的分类各有不同,日本将空气弹簧分为轮胎型、 平板型、 耳垂型和特殊型,德国依据胶囊形状将可空气弹簧分为波纹形胶囊、 辊柱形胶囊、 半胶囊和束带式辊柱形胶囊空气弹簧。
囊式和膜式空气弹簧各有优缺点 ,囊式空气弹簧优点是寿命长 ,缺点是刚度大、 制造工艺比较复杂;式空气弹簧的优点是刚度小 ,对约束膜式来讲,优点空气弹
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簧的特性曲线容易用内外筒的形状来控制;点是由于橡胶膜在工作时与内外筒、 上盖或底座发生摩擦 ,因此使用寿命较低。
作为空气悬架系统的核心部件，空气弹簧由上盖、气囊和活塞组成，气囊是由纺织物作为骨架增强层的弹性支撑承载部件，结构如图 2 所示。气囊帘布层一般为偶数层，汽车空气弹簧一般由互成一定角度的 2 层帘线组成。由于活塞形状影响空气弹簧的有效面积，从而直接影响空气弹簧的刚度特性，空气弹簧的活塞形状一般需根据性能进行设计。
空气弹簧有囊式和膜式两种，如图 3 所示。囊式空气弹簧是由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气所组成。囊式的内层用气密性的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。气囊的上下盖板将气囊密闭。空气弹簧的活塞形状一般根据性能进行设计，由于活塞形状影响空气弹簧的有效面积，从而直接影响空气弹簧的刚度特性。目前城市大客车空气悬架系统普遍采用膜片式
空气弹簧。膜式空气弹簧弹性曲线非线性程度大，刚度特性好。 囊式空气弹簧，寿命长，制造方便。目前为货车浮动桥空气悬挂系统广泛采用。
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1.4空气弹簧的控制系统
空气弹簧的控制系统随着其它相关科技的进步发生了两次变革 ,经历了三个发展阶段:机械控制 ,电子控制和智能控制。但无论何种控制系统都大致包含三个子模块:空气供给系统 (气源 ) ,控制元器件(包括软件 ) ,安全装置 (保证空气弹簧的正常运行 )。三种控制系统的气源和安全装置随着控制元器件的不同会有一定的差异 ,但是它们最根本的差异在于控制元器件 ,对于机械控制系统来讲 ,它的控制元器件主要是高度控制阀 ,利用其自动地对空气弹簧进行充气和排气 ,实现空气弹簧高度的控制;电子控制系统较机械控制系统前进了一大步 ,是一个质的飞跃 ,它是利用电子控制器 ( ECU)采集各类传感器传来的信号 ,对信号进行分析后将控制信号发送给执行器 (主要是各种电磁阀 ) ,从而实现对空气弹簧的控制;智能控制系统是在电子控制系统的基础之上借助当今自动控制理论发展起来的 ,它主要是对 ECU的软件部分进行了改进 ,不但可以控制空气弹簧的高度和刚度 ,而且可以利用模 糊神经网络等控制技术可以实现空气弹簧非线性特性的控制。
1.5空气弹簧的破坏形式
空气弹簧自诞生之日起就一直努力提高使用寿命 ,影响空气弹簧使用寿命的主要是气囊的寿命 ,虽然随着科技的进步、 气囊材料的改变 ,气囊的使用寿命得到了大幅提高 ,但是从空气弹簧破坏的统计数据来看 ,空气弹簧的破坏还是集中在气囊上 ,约占 90% ,其它零部件的损坏约占 10%。空气弹簧的破坏主要有以下几 种形式: (1)密封不牢导致气囊从上下盖板脱落 ,如图5所示; (2)气囊在与上下盖板的连接处疲劳断裂 ,如图 6所示; (3)受外界硬物冲击破坏 ,如图 6所示; (4) 局部磨损破坏 ,主要发生在约束膜式的空气弹簧上 ,如图 7所示; (5)上下盖板等受力产生裂纹 ,如图 8所示。(6)其它破坏形式 ,主要是指空气弹簧附件的破坏 ,如 电磁阀失灵、 控制系统失效、 连接管路漏气等。度 ,目前的资料显示 ,此方向的研究还不彻底 ,还有很多工作要做 ,特别是对附加气室体积可控的空气弹簧暂时还
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无人研究。
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1.6空气弹簧承受垂直载荷时的弹性特性
空气弹簧（简称气囊）是在一个密封的容器中充入压缩气体（气压为 0.5~1MPa），利用气体的可压缩性实现其弹簧作用的。这种弹簧的刚度是可变的，作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体受压缩，气压升高，则弹簧的刚度增大。反之，当载荷减少时，弹簧内的气压下降，刚度减小。这样气囊就具有理想的弹性特性。空气弹簧上的载荷、内压（绝对气压），有效面积之间的关系为 (1)
式中：P为空气弹簧上的载荷，N；p为弹簧内压的绝对气压，N/mm2
；A为有效面积，mm2； 当载荷引起空气弹簧高度变化时，气囊的容积和内压也发生
变化，其变化规律满足气体状态方程
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