带附加气室的汽车悬架空气弹簧性能研究*

赵向阳，赵广宣，刘 庆，2

（1.河南工学院车辆与交通工程学院，河南 新乡 453003；2.哈密职业技术学院交通运输系，新疆 哈密 839001）

0 引言

悬架是汽车车架或者车身与车桥之间的连接装置，起到结构连接和力的传递作用，同时缓冲来自路面的冲击与振动，保证汽车平顺的行驶。弹簧是汽车悬架的重要组成部分，影响整个悬架系统的性能。随着汽车行业的快速发展，汽车新技术的广泛应用，空气弹簧技术研究深受业内关注，空气弹簧相对于传统弹簧，具有减振效果明显、提高汽车舒适性显著的优势[1]。

带附加气室的空气弹簧具有刚度低、振动频率低、抵抗路面冲击能力强等优点，同时受到气室初始压力、附加气室容积、节流孔面积、激振频率等多方面因素影响[2]。因此，带附加气室的空气弹簧振动特性呈现明显的非线性特征。国内对带附加气室的空气弹簧的研究起步较晚，主要从理论分析、空气弹簧有效面积和体积变化、有限元分析等多个方面进行了研究，取得了一定的成效。本文将在前人研究的基础上，通过理论分析的方式推导影响带附加气室的空气弹簧振动特性的参数，为后续的试验研究提供理论支撑。

1 带附加气室空气弹簧悬架结构分析

图1 空气弹簧悬架结构图

带附加气室的空气弹簧悬架主要组成包括：空气弹簧、减振器、导向机构、高度控制阀等机械元件；电动机、压缩机、电磁阀、温度传感器、排气阀、传感器等空气供给系统；汽车行驶过程中，根据安装在前后车轮的车高传感器，判断车身高度变化，控制压缩机和排气阀工作，使空气弹簧伸长或者压缩，从而起到调节车身高度和姿态，减少振动冲击的作用。常见的带附加气室的空气弹簧悬架结构如图1 所示。

1.1 空气悬架高度控制阀

图2 高度控制阀结构图

空气悬架中高度控制阀是控制空气弹簧伸缩的主要元件，其原理是通过控制空气弹簧内气体压力的大小，适应外界压力变化，保证在任何载荷下车身与路面保持一定的高度[3]。高度控制阀应用广泛，其工作压力范围为1.5MPa～2MPa，疲劳次数将近300 万次，工作温度将近110℃。

高度控制阀根据是否带延时机构，可分为即时型高度控制阀和延时型高度控制阀，如图2 所示。即时型高度控制阀是指当汽车在高度方向产生位移时，空气弹簧立刻做出充放气动作，完善汽车行驶工况。即时型高度控制阀虽然具有反应灵敏、工作性能好的优点，但是对安装精度、加工精度等具有较高的要求。延时型高度控制阀获得车身位移变化信号后通常延迟2s～4s，保证空气弹簧的高度虽有变化但不起进、排气作用，而当静载荷变化或以极低频率振动时，保证空气弹簧进行充、排气，以使在汽车正常的振动中高度阀的进、排气阀不会频繁地打开，从而减少对压缩空气的浪费。目前，即时型高度控制阀和延时型高度控制阀在汽车空气悬架的应用中均占有较大比例。

1.2 空气弹簧结构分析

空气弹簧的工作原理是依靠橡胶和充满高压空气的封闭高压腔体来实现减振作用。带附件气室的空气弹簧是在主气室的基础上加装附加气室，在主气室和附加气室加设节流阀，通过控制节流阀开度实现主气室和附加气室气流量的传递。带附件气室的空气弹簧中附加气室的作用是增加空气弹簧的空气容量，扩大其工作压力范围。

根据安装的位置不同，附加气室可分为内置式和外置式两种。内置式的带附件气室的空气弹簧是在主气室的内部增设一个空腔，作为向空气额外提供空气量的容器。这种空气弹簧结构简单、安装方便，但是其体积较小，工作压力范围有限。外置式的带附件气室的空气弹簧是在主气室的外部增设一个气室，并通过节流口与主气室连接，增加了空气弹簧的空气量。这种空气弹簧体积大、安装要求高、气室容积调节方便。两种方式的带附件气室的空气弹簧工作原理相同，均是利用主气室和附加气室的压力差调节空气弹簧的刚度。

图3 空气弹簧种类与结构图

由于结构和工作方式差异，空气弹簧主要分为囊式、膜式和复合式三种，如图3 所示。其中，囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气组成，工作时接触面积较大，振动时的频率较小，能适应较低的刚度和工作高度。膜式空气弹簧的密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件组成，与囊式的相比其弹性特性曲线比较理想，并且尺寸较小，因此在轿车上应用较多。复合式空气弹簧从结构上是介于囊式和膜式之间的一种型式，它综合两种空气弹簧的优点，具有较低的弹簧刚度、但制造工艺复杂，结构尺寸较大，因此多布置于客车等大型车辆上。

2 带附加气室空气弹簧理论分析

2.1 带附加气室空气弹簧模型分析

带附加气室的空气弹簧的工作原理如图4 所示。空气弹簧的主气室与附加气室通过管路连接，之间加设节流阀，用于调节空气流量。主气室为主要的受力机构，通过与附加气室的压力差来控制空气的流动，空气在流动过程中产生的阻尼能改变弹簧的刚度。附加气室是一个刚性的容器，为空气弹簧提供更大的空气容量[4]。

空气弹簧主要承受垂直方向的力，因此只考虑其垂直方向的运动。带附加气室的空气弹簧振动过程中，弹簧底座承受来自路面的垂直激励q，振动通过空气弹簧向上传递到车身等簧上质量M，产生垂直方向振动z，根据牛顿定律，可推算出簧上质量的运动微分方程（1）：

式中：M——空气弹簧的簧载质量，kg；

F——空气弹簧的垂直作用力，N；

汽车运动过程的复杂性决定了空气弹簧的高度呈现不规则的动态变化，因此，空气弹簧的动态高度计算公式为（2）：

式中：h——空气弹簧的工作高度，m；

h0——空气弹簧平衡位置的高度，m；

q——空气弹簧的振动位移，m。

将公式（2）两边求导即可得到空气弹簧工作高度变化关系（3）：

图4 带附加气室空气弹簧工作原理示意图

2.2 力学特性分析

带附加气室的空气悬架具有连续变刚度的特点，相比于钢板弹簧，其振动频率较低，有效提高了车内人员乘坐舒适性，空气作为空气弹簧的介质，其力学特性对空气悬架性能影响最为直接[5]。在空气悬架中，由于空气压力和流速较低，因此可将空气视为不可压缩。

2.2.1 空气弹簧分析

根据空气弹簧的特征，基于空气流体力学建立空气弹簧的气体方程如下：

因为，

因此能量方程为：

式中：Q——气体质量（kg）；P——气体压力（Pa）；q——气体质量流量（kg/s）；V——气体体积（m3）；R——气体常数（J/mol·k）；Cv——定容比热（J/kg·K）；Xm——气柱高度（m）；A——横截面积（m2）；Sh——传热面积（m2）；Ta——温度（K）；h——传热率（W/m2k）；ρ——气体密度（kg/m3）；Tm——弹簧内气体温度（K）。

2.2.2 附加气室分析

为了计算和研究方便，通常将附加气室和空气弹簧一同视为联系的系统，根据空气流体力学理论知识，附加气室的气体方程式如下：

能量方程：

2.2.3 连接管路的气体方程

在对管路中的气体进行理论研究时，由于管路中空气大多数情况下是紊乱的，因此只考虑其惯性，并在进行模型建立时，只考虑其惯性。假设连接管路中的空气和附加气室的空气是绝热状态，则其空气方程如下：

式中：u——空气的流速；L——连接管道的长度。

2.3 带附加气室空气弹簧等效模型建立

根据以上空气方程可得：

假设系统压力和容积变化较小，对空气弹簧和附加气室做线性化处理，结果如下：

式中：K——绝热指数；V1（0）——初始温度（K）；Pm（0）——初始压强（Pa）。

经过推算，动力系统传递方程为：

带附加气室空气弹簧的动态特性具有明显的非线性，为了研究方便，在一定误差范围内，采用小偏差线性法对其非线性进行线性处理，得到带附加气室空气弹簧的等效模型如图5 所示。

图5 带附加气室空气弹簧等效模型

3 结论

通过对带附加气室空气悬架的整体和关键零部件的结构分析，掌握了带附加气室空气悬架的基本工作原理，明确了附加气室基本作用以及相比于普通空气悬架具有刚度低、振动频率低、抵抗路面冲击能力强优点。通过理论分析得到了带附加气室空气悬架的结构模型与等效模型，为后续研究连接管路对空气弹簧刚度的影响提供了理论依据。