客车空气悬架侧倾稳定性设计要点及误区20110719.doc

1、客车空气悬架侧倾稳定性设计要点及误区The design pivot and usually mistake about the stability of air suspension bus郝志宇(北京驰创达空气悬架有限公司，北京 100023)(C.C.D Airride Suspension Co., LTD ,Beijing 100023)摘 要介绍在客车空气悬架在设计时，几个影响侧倾性能的重要因素及如何全面衡量车辆侧倾性能。Introduce some important factor that can change the stability of bus in air suspe

2、nsion.Used more comprehensive parameter to reflect the air suspension stability.关键词稳定杆有效角刚度；气囊有效角度刚；高度阀；侧倾角；角刚度分配。Effective angle stiffness of sway bar ; Effective angle stiffness of airbag ; Height control valve ; Roll angle ; Angle stiffness distribution ratioh.0 引言随着乘客对车辆舒适性要求的提升，空气悬架越来越多的使用在客车上。

3、在满足舒适性的同时必须要考虑到车辆的稳定性，特别是侧倾角刚度方面的保证。相对于板簧悬架而言，空气悬架的结构更加复杂，影响车辆侧倾角刚度的因素更多。本文针对市场普遍使用的六气囊非独立悬架客车，重点分析空气悬架在侧倾设计时必须注意的问题及常见误区。1 横向稳定杆对侧倾角刚度的影响作为空气悬架系统中弹性元件的空气弹簧，如果其角刚度如果难以满足车辆侧倾角刚度的需求，较为常用的方法就是增加横向稳定杆来加大刚度。利用横向稳定杆固有的弹簧刚特性，在左右车轮运动不平衡时，稳定杆发生扭转变形并产生附加角刚度。横向稳定杆常用结构形式如图 1所示，其角刚度可以通过下式计算得出：图 1 横向稳定杆常用结构21LfPC

4、w)(4)(2323 bayzbzxIE式中 横向稳定杆角刚度， ； radmN/ 材料的弹性模量， ； EMPE5106.2 稳定杆的截面惯性矩， ， ；I 4I4 稳定杆的直径， ；dm 端点作用力， ；PN 端点位移， 。f其余各量含义见图 1。实际中上式计算出的角刚度并不能全部发挥效果，不考虑损耗的计算是不准确的。出于缓冲吸能以及降噪方面的考虑，稳定杆与车架及车桥的联接，通常采用橡胶或聚胺脂衬套来进行。由于衬套为弹性元件，其材料本身的弹性对稳定杆的角刚度有明显的削弱作用 。不同材质的衬套影响大小也不同。衬套常用的两种材料分别是橡胶和聚胺脂，两者的耐磨性能均很出色。相较而言，橡胶的弹性更

5、大、较“软” 、抗撕裂性更好，但耐氧性差，易老化变质、对角刚度削弱作用较明显；在相同硬度下的聚胺脂弹性体承载能力更高、变形小、不受臭氧侵蚀，但抗撕裂性稍弱、对角刚度的削弱作用也略小。稳定杆的角刚度在实际中会被削减 15%-30% 。直接选用上式的计算值进行整车的侧倾性能计算，与实际情况有较大误差。应当选用稳定杆的有效角刚度值 来计算。在初步设计时一般取 80%的稳定杆刚度来进行计算。即 。=80%需要注意的是前、后横向稳定杆都不是必须要有的部件，只有在角刚度不足的情况下才使用，如果能够通过结构布置加大气囊左右间距使气囊提供的角刚度变大，或其它手段加大角刚度，省去横向稳定杆是最好的，这样不仅可以

6、实现车辆的轻量化，避免稳定杆与胶套发出的磨擦噪音，还能有效的节约成本。2 高度阀对空气弹簧角刚度的影响空气弹簧作为悬架的承载弹性元件同时具有一定角刚度，此处只以客车较为常用的双轴六气囊(前二后四)空气悬架为例讨论车辆的横向稳定性计算。在无杠杆比的空气悬架中(气囊承载全部质量)，气囊提供的角刚度 可由下式求出：ACNDCAA21式中 空气弹簧的刚度， ；( 可由空囊性能曲线查出 )ACm/ 左右空气弹簧中心距， ；D 单侧空气弹簧数量 。N上式是在一定先决条件下才成立的，即空气弹簧内的压缩空气是密闭的。实际上气囊中气体密闭与否是由高度阀来控制的，当车辆侧倾达到一定程度后，高度阀就会工作，对空气弹

7、簧进行充放气工作 ，这势必对上式计算结果产生影响，所以必须进行修正。通常高度阀的布置有“前二后一”和“前一后二”两种选择，在研究高度阀的影响时可以分为“单轴上有一个高度阀”和“单轴上有两个高度阀”两种情况进行分析。1)单轴上有一个高度阀一个高度阀控制单轴上两侧气囊，两侧气囊分别与高度阀两个出气口连通。正常情况下两侧气囊内气压相等；发生侧倾时，在理论上两侧气体会无阻滞流动，两侧气囊压力始终相等，形成的侧倾角刚度为“0”的情况。但实际上，由于高度阀内部接通气囊的气口较小(一般直径 1.3mm以内 )、同时气管路较长并有弯曲布置，这都具有较强的节流作用；同时，由地面不平引起的瞬态侧倾持续时间很短、幅

8、度小，两侧气囊压差不大，所以实际气体流动量很小，气囊形成的角刚度只会有少量损失，绝不能简单的说角刚度为“0” 。在侧倾角粗算时应取气囊有效角刚度值 即 值的 70-80%，可以通过试验后校准。AeC2)单轴上有两个高度阀单个高度阀控制单侧的气囊。侧倾时一侧气囊拉伸，高度阀放气；另一侧气囊压缩，高度阀充气。在气囊拉伸侧，当高度阀开启时会有少量排气，但因伸张时气囊压力减小，持续时间短，排气量很小；在气囊压缩侧，当高度阀开启时会给气囊充气，但由于气囊压缩，囊体内的气压很大，所以进气量也极小。可见单轴上两个高充阀控制的情况下，可以近似的视为两侧气体分别密闭，空气弹簧形成的角度刚没有损失 ，此时 = 。

9、AeC单纯的讲哪一种高度阀布置方式更合理是没有意义的，需要结合稳定杆刚度、整车质心高度、簧载质量的分配情况等多种因素来综合考虑。当前悬架角刚度不足时，采用“前二后一”布置高度阀可以避免角刚度被削弱；当后悬架簧载质量在整车中所占比重非常大时,采用“前一后二”布置高度阀更合理些；但一定要注意保证前悬架的角刚度，因为其直接关系到了操纵稳定性，而操纵稳定性是比舒适性更需要优先保证的。3 整车侧倾稳定性的衡量指标具体到每个悬架的角刚度是多少是合适的？计算出的角刚度数值并不好评判车辆的横向稳定性。通常引用车辆在 0.4g侧向加速度时的侧倾角 来评判；国外一些悬架技术上，0.4还特别注意前后角刚度分配比。以

10、此二者来衡量，能够较为全面的反映横向稳定性能。 0.4= 0.41式中 =+C 整车角刚度， ；radmN/、 、 、 分别为前悬气囊有效角刚度、后悬气囊有效角刚度、前悬稳定杆有效角刚度、后悬稳定杆有效角刚度。G 整车簧载质量，Kg；e 侧倾力臂,车辆侧倾中心到整车簧载质量中心的距离， 。m在客车中，由上式求出的侧倾角理论上应该不大于 6,大中型客车推介在 4-5之间可以获得较为理想的稳定性能 。但只用侧倾角 一个参数来衡量稳定性是不全面的。市场上有些设计的车型为了满足0.4值，单纯在一个单轴悬架上加减角刚度以调整车辆的 值。这样会导致单轴角刚度一0.4 0.4个较“软”一个较“硬”的情况，如

11、果角刚度偏“软”的车轴发生在前轴上，这会导致车身左右摇摆、方向发飘等严重问题。而角刚度偏“硬”的车轴，舒适性指标会被降低。为了避免上述情况，前后角刚度分配应尽量保证下式。+11式中， 、 分别为前、后轴的簧载质量，Kg； 、 分别为前、后轴的侧倾力臂长度(各 轴质心到侧倾中心的距离)，mm。客车在满足上式时是最理想的状态，整车的舒服性与安全性均能很好地得到保证。4 结束语空气悬架中影响侧倾性能的因素较多，给计算侧倾角带来一定难度，但同时提供给我们较多的选择方法去善侧倾性能。在设计中,应不断完善优化相关零部件、综合考虑影响要素，用更加全面的指标衡量侧倾性能，以便使车辆在提高舒适性的同时具有与稳定

12、的操控性能。参考文献1 刘惟信.汽车设计M.北京：清华大学出版社,2001.2 余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社,2007.3 郭孔辉.汽车操纵稳定性M.长春：吉林人民出版社,1983.4 宋健,刑如飞.带橡胶套的稳定杆有限元分析J,汽车工程,2005(05).5 任彦莎,杨卫民.汽车用空气弹簧横向刚度的静态有限元分析J,北京化工大学学报(自然科学 版),2005(3)6 杨国库,客车空气悬架高度控制阀种类及布置J,客车技术与研究,2010(05).7 于军.空气悬架控制器研究D;武汉理工大学,2009.8 翟维丽,杨兆升,张广世.汽车空气悬架高度控制阀动力学模型的研究J.汽车技术,2006(05).9 GBT 14172-93,汽车静侧翻稳定性台架试验方法S.10 方瑞华,解跃青,雷雨成.空气悬架理论及其关键技术J,同济大学学报(自然科学版),2003(09).11 宗长富,郭孔辉,李铂.汽车操纵稳定的理论预测与综合评价J, 汽车工程,2001(01).