四气囊空气悬架导向机构设计及故障分析

李建林，彭立华，赵亚彬，张亚新

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

在国外，空气悬架系统在重型货车上的使用率超过80%，在高速客车和豪华城市客车上已100%采用，部分轿车也采用了空气悬架系统。空气悬架系统主要由空气弹簧、导向机构和减振器等组成[1-4]。空气弹簧用来承受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击；导向机构传递除垂向力以外的各向力及力矩的作用，同时，其中的某些传力构件还承担着使车轮按一定运动轨迹相对车身跳动的任务；减振器用来吸收悬架振动的能量，并将其转化为热量耗散掉，使振动迅速衰减。在轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中还设置横向稳定杆，目的是提高侧倾角刚度，使车辆具有不足转向特性，改善车辆的操纵稳定性和行驶平顺性[5-7]。

1 导向机构设计及运动特性

1.1 导向机构及受力分析

导向机构是空气悬架的关键部件，它可以承受汽车的纵向力、侧向力及力矩，以补偿空气弹簧只能承受垂向载荷的不足。四气囊悬架一般采用四连杆的导向机构：二根下纵向推力杆、二根上推力杆在水平面上倾斜布置，四连杆导向机构对提高汽车的操纵稳定性有着十分重要的作用[8]。推力杆通过安装座与车架连接；C型梁通过骑马螺栓固定在车桥上，推力杆通过焊接在C型梁上的定位销或安装座与车桥连接。推力杆中的橡胶球铰起到弹性连接的作用，可以缓冲车桥传递来的纵向力和横向力等，有效保护车桥和车架的冲击损坏。同时，通过橡胶球铰的弹性和变形，保证轮胎的运动轨迹，提高轮胎的附着特性和寿命[9]。

在车辆起动或制动时，车辆主要受三个纵向力：作用在轮胎上的起动或制动力、作用在上推力杆上的纵向力和作用在下推力杆上的纵向力。通过力和力矩平衡可以计算出作用在上、下推力杆的纵向力，通过推力杆球铰的刚度性能，计算出车桥相对于车架之间的纵向位移。同理在车辆承受横向力时，可以计算出车桥相对于车架之间的横向位移。车桥与车架的相对位移量与推力杆布置、V形布置的夹角的选择、V形布置固定端/活动端跨距的选择等都有关系。所以在设计时，应当合理地布置推力杆和选择推力杆球铰的刚度性能，以满足整车稳定性的要求。

1.2 四连杆布置及其运动特性

斜推力杆的布置型式有倒八字和正八字布置型式，其中，倒八字布置型式的推力杆和车架相连端的张开距离比它和车桥相连端张开距离要大，反之为正八字布置形式（如图1所示，实线表示倒八字布置型式，虚线表示正八字型式）。多数空气悬架导向机构设计时，都采用倒八字的布置。因为在实际应用中，悬架推力杆接头普遍采用橡胶衬套，其沿各方向都有一定弹性，对后桥的运动产生较大影响。当车轴承受侧向力时，对V型布置的斜向推力杆的交点（车桥相对车身的瞬心）产生一个力矩，与正八字布置结构相比，倒八字布置结构的后桥中心与瞬心偏距不大，所以偏转力矩也不大，相应的弹性变形也较小，上V型布置杆系的横向位移较小；另外，下推力杆在活动端会有力作用于后桥。该作用力点距瞬心点较近，同样杆向力作用下，相对小的力矩会减小车桥相对车身的偏转位移[10-11]。

从图1可见，与正八字布置结构相比，倒八字布置结构时，车轴承受侧向力L时，对瞬心O产生一个力矩M=L·d。但是，由于偏距d不大，所以偏转力矩也不大，相应的弹性变形也较小，所以上杆的切向位移u较小。其次，下杆活动端距瞬心也较近，其切向位移u及纵向、侧向位移分量x、y也较小。此时，车轴相对于车身的偏转位移也较小。同时，下纵推力杆活动端至瞬心的连线与汽车横轴线的夹角α较小，切向位移v沿杆向（纵向）的分量x相对较大。而推力杆杆向约束即刚度比侧向约束要大得多，所以下纵杆更有效地控制车轴的偏转即侧移。

2 后桥移位原因分析

后桥移位是后空气悬架经常出现的故障，导向机构是限制车架与车桥在横向的移动和偏转，因此，后桥移位时，应重点对导向机构进行检查。后桥移位可分为后桥偏移和后桥偏斜两种情况。下面分析橡胶球绞对后桥移位的影响。由于后桥推力杆长度较长，以下分析中忽略了球铰相对于杆体的轴向变形。

2.1 后桥偏移

如果后桥发生了偏移，与车桥相连的下推力杆的一端从B点偏到B'，与车桥相连的上推力杆的一端从D点偏到D'，假定车桥的变形很小，则BB'=DD'=δ，其中δ为车桥偏移量。如图2所示。

在△ADD'中，可求出偏移后上推力杆的长度AD'=

假设后桥偏移5 mm，按半边模型计算，δ=2.5 mm，取下推力杆长L1=719 mm，上推力杆长L2=817 mm，α=52°，带入式（1）、式（2）得 AB'=719.004 mm，AD'=815.462 mm。

下推力杆径向拉伸0.004 mm，上推力杆径向压缩1.537 mm；而另一侧下推力杆径向压缩0.004 mm，上推力杆拉伸1.537 mm。由于下推力杆长度变化很小，现只考虑上推力杆变形情况。假定上推力杆球铰的径向刚度为K1（kN/mm），由于一侧上推力杆受压缩，另一侧的受拉伸，可以计算出上推力杆受到的合力为2×1.573K1（kN）。由此可以看出，K1越大，在相同偏移情况下，推力杆能承受的拉压力也就越大，同理，在相同外界拉压力的情况下，后桥就越不容易偏移。

2.2 后桥偏斜

如果后桥发生了偏斜，与车桥相连的下推力杆的一端从B点偏到B'，与车桥相连的上推力杆的一端从D点偏到D'，假定车桥的变形很小，则偏转角∠OBB'=∠ODD'=β，其中β为车桥偏斜角度。如图3所示。

由于偏斜角度β一般都很小，则上推力杆的长度变化量可近似等于DD'×sinθ，下推力杆的长度变化量可近似等于BB'×sinθ。

由几何条件可知:

式中：β取弧度制单位。

假设β=0.464°=0.008 1 rad，由推力杆具体布置形式，取 V1=90.776 mm，H1=65.959 mm，V2=315 mm，H2=211.027，θ=38°，带入式（3）、式（4）得：

上推力杆径向拉伸0.559 m，下推力杆径向压缩1.889 mm；而另一侧上推力杆径向压缩0.559 mm，下推力杆拉伸1.889 mm。由于上推力杆长度变化很小，现只考虑下推力杆变形情况，假定下推力杆球铰的径向刚度为K2（kN/mm），由于一侧下推力杆受压缩，另一侧的受拉伸，可以计算出下推力杆受到的拉力为1.889 K2（kN），则后桥受到的偏转力矩为1.889 K2V2。由此可见，K2越大，在相同偏斜角度情况下，后桥承受的偏转力矩也就越大，同理，在相同外界偏转力矩的情况下，后桥就越不容易偏斜。

为了满足使用和寿命要求，橡胶球铰的径向刚度和偏转刚度都比较大，径向刚度大于100 kN/mm，偏转刚度大于40 Nm/°。因此，在球铰正常的情况下，车桥和车身在运动过程中发生相对位移后有很大的回复力矩使其回到初始位置。

3 结束语

后桥移位的其它因素还与以下零部件的失效有关：骑马螺栓松动，C型量与车桥连接松动；焊接在车架或车桥上的安装座或定位销开焊或弯曲；推力杆的安装螺栓螺母松动或断裂；推力杆受到异常力使推力杆弯曲或变形；推力杆的初始安装位置；稳定杆安装位置与稳定杆的性能。

汽车在各种极限工况下，后桥会受到各种恶劣的载荷，在四连杆机构的橡胶球铰没有失效的状况下、无外力作用情况下，它会自动回复到初始位置。推力杆球铰的刚度大小不是后桥移位的主因。橡胶球铰刚度大小及推力杆的布置方式只会影响到四连杆机构在传递力的过程中上、下推力杆长度的变化量，也就是车辆行驶过程中的摆动量。后桥移位主要与推力杆的安装座移位以及骑马螺栓松动有关。

导向机构是空气悬架系统中的重要组成部分，也是空气悬架设计与开发的关键技术之一，对汽车的纵向稳定性和横向稳定性有直接影响，对汽车的操纵稳定性和整车的受力至关重要。因此，应对空气悬架中的导向机构予以充分重视和研究[12]。

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