空气悬架的弹性元件──空气弹簧

空气弹簧是在柔性密封容器中加入压缩空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。它具有优良的弹性特性，用在车辆悬挂装置中可以大大改善车辆的动力性能，从而显著提高车辆的运行舒适度。

1、空气弹簧的特点

从空气弹簧的工作原理，可以看到空气弹簧具有以下特点：

1）利用高度控制阀系统，使空气弹簧在任何载荷下保持一定的工作高度，这一点对载荷变化大的车辆十分有利。

2） 弹簧的刚度是随载荷的变化而改变的，因而在任何载荷下自振几乎不

变，而普通钢板弹簧，因其刚度室不变的，所以它的自振频率范围较窄，且随着载荷的变化而变化是钢板弹簧与空气弹簧的静特性比较，图A为载荷─挠度特性，图B为载荷─频率特性。由图可以看出，对于钢板弹簧，静挠度随着载荷的增加而增加；对于带有高度控制阀的空气弹簧，静挠度在所有载荷条件下几乎保持不变，因而其自振频率也几乎保持不变。

3）空气弹簧具有非线性特性，可以将它的特性曲线设计成理想的形状。如在车辆悬挂系统中最理性的形状是S形，即在曲线的中央区段具有比较低的刚度，而在拉伸和压缩行程的边缘区段则刚度逐渐增加。这样，可以保证车辆在正常行车是运行性能柔和，而在通过弯道和岔道等偶然场合下，空气弹簧被大幅度拉审和压缩时，它逐渐变硬，从而能限制车体的振幅。而普通钢板弹簧，它的特性曲线是线性的，要是这种弹簧悬挂装置具有上述非线性特点，是必要使结构复杂化。

4）空气弹簧的刚度，不管载重量是多少，都可以依靠改变空气压力加以选择，因此可以根据需要将刚度选的很低，例如用增加附加空气室的办法增加其内容积，可以使刚度减小。

5)对于同样大小的空气弹簧，当内压力改变时，可以得到不同的承载能力。这使得同一种空气弹簧可以适应多种载荷要求，因此经济效果好，此外，还可以通过高度控制阀的作用，使空气弹簧在一定的载荷下具有不同的高度，因此，空气弹簧能适应多种结构上的要求。

6)吸收高频振动和隔音效果好。

7)在空气弹簧与附加空气室之间加设一个截流孔，空气流经截留孔时要发生能量损失，因而能起到衰减振动的作用。如果截流孔的大小选择适当，可以不设减振阻尼器。

8)与钢板弹簧比较，空气弹簧在承受剧烈振动载荷时，空气弹簧寿命较长。

空气悬架的控制元件──高度控制阀

高度控制阀是空气弹簧悬架系统的一个重要组成部分，它的作用是使空气弹簧在载荷下都保持一定的高度。空气弹簧的优点，也只有在采用了高度控制阀的情况下才能充分体现出来。

1、控制阀的用途及工作原理

高度控制阀安装在车身上，根据车辆载荷，调节气囊气压以保持车身高度为一恒定指。

工作原理如图所示，当车辆载荷增加时，装有高度控制阀的车身将下移，连接车桥和高度控制阀的摆杆f转动，带动凸轮转轴e转动，从而使活塞g和顶杆d上移，将排气门b关闭，进气门a打开，此时，从11口进来的压缩空气通过21口进入气囊。随着气囊内气压的上升，空气弹簧高度增加，车身也随之上升，进气门a则因为摆杆的移动而关闭，此时高度控制阀处于一个平衡状态。

当车辆载荷减少时，因气囊内多余的气压，使空气弹簧升高，从而车身也上升，因此，摆杆f转动，带动凸轮轴e转动，从而使活塞g和顶杆d下移，使排气门c打开，进气门d关闭，气囊中多余的气压排至大气。车身又回到正常水平，此时，顶杆又上移，将排气门c关闭，高度阀又处于一个平衡状态。

当车辆载荷变化较大时，控制气压作用在活塞面A上，使得活塞g顶杆d上移（或下移），既而打开（或关闭）进气门a，关闭（或打开）排气门c，从而使气囊气压迅速上升（或下降）到正常值，高度控制阀又达到新的一轮平衡。

高度控制阀的结构及形式

高度控制阀一般分为机械式和电磁式两种，也可以分为有延时机构的和没有延时机构的两种。延时机构的作用是：当静载荷变化或来自工作机械如钢轨的冲击等，使空气弹簧的高度发生变化时，高度控制阀开始调整高度的开闭动作，在时间上能够较前者有一个滞后过程，这个时间通常称为作用滞后时间。高度控制阀的延时机构一般是由缓冲弹簧和油压减振器组成的。

大客车空气悬架上使用的高度控制阀主要有以下两种形式：

1、无阻尼的高度控制阀

这种高度控制阀的工作原理是：当摇臂轴1处于中间位置时，阀杆2和阀垫3接触，此时即不充气也不放气。当载荷增加时，阀杆2随同摆臂轴1下移，储气筒内高压空气的压力大于气囊的压力，高压空气顶开球阀，经阀门4中间的小孔再推动阀杆2下移，通过下端小孔进入气囊，进行充气。当车身载荷减小时，摆臂轴1上移，时气囊中的气体与大气相同，进行放气。用充放气的交替进行来保证车身高度不变。

这种高度控制阀虽然能保证车身高度不随汽车载荷变化，但在汽车行驶过程中，当车桥与车身有相对位移时，哪怕是微小的位移，高度控制阀都有充放气动作。为了避免它的这种频繁工作现象，在结构设计上应使阀杆2的上端有一端1毫米长的配合面，这样，车身相对于车桥的位移在某一范围（SP641C型大客车为±30mm）内时，虽然阀杆2有垂直位移，但1毫米长的配合台肩并没有脱离接触。因此高度控制阀不工作。

2、有阻尼的高度控制阀

这种高度控制阀不仅能保证车身高度不随载荷的变化而变化，而且还能避免汽车在行驶中因冲击而引起的充放气现象。因此减少了气耗，减少了阀中各种零件的磨损，延长了高度控制阀的使用寿命。

这种高度控制阀的工作原理是：当车身的载荷增加时，车桥通过摆臂使活塞2缓慢的向左移动，推动阀杆3，使高压空气由储气筒进入气囊，进行充气。反之，当车身载荷减少时，摆臂使活塞2向右移动，推动阀杆1，使气囊中的高压空气与大气相同，进行放气。活塞左右移动时，由于速度缓慢，高度控制阀内的硅油可从左面的节流孔A慢慢地流到活塞右部，几乎没有阻尼作用。若车桥和车身相对位移度很大时，也就是说活塞速度较大时，硅油流经节流孔时将产生一个较大的阻尼力，当阻尼力大于弹簧的压力时，摆臂和壳体就一起带动弹簧座在弹簧的作用下，推动摆臂轴转动，使活塞左右移动，进行充放气。这种带硅油阻尼的高度控制阀，虽然结构比较复杂，但从发展来看，在高级大客车上还是应该使用的。我们曾在WH644型大客车上试装过这种高度阀，效果较好。

在我们研制的几种车辆上，大部分都装有无阻尼的高度控制阀。

目前，在国外一些空气悬架的车辆中也有采用电磁阀控制的高度控制阀，车身高度可在几个挡位上进行调整。因此，汽车司机可根据路面条件把车身高度控制在适用的范围内，从而提高了汽车的通过性及稳定性。

没有延时机构的高度控制阀，在工作过程中，由于进气阀和排气阀不断的开闭，因而空气的消耗量比较大。为了减少空气的消耗量，通常在空气弹簧和高度控制阀之间的通道上设置一个小孔加以限制空气的流量，但孔不宜太小，否则由于空气中的水分和灰尘将可能使之堵塞，因而影响高度控制阀的作用和灵敏度。孔径一般选为1－3毫米。这种没有延时机构的高度控制阀虽然结构简单，但由于在工作时空气的消耗较大，所以很少实际采用。

对于有延时机构的高度控制阀，在受到突然位移或高频振动位移时，由于油压减振器的阻力，仅仅缓冲弹簧的伸缩变形，而进气阀，排气阀并不作用，因而空气弹簧在工作过程中，高度控制阀的耗气量很小。

空气悬架的优点

(1)独特设计保证性能优越

驱动轴空气悬架才使用独特的高强度刚度设计。不用板簧和U形螺栓，消除了金属弹簧的振动和断裂问题。此刚性导向臂与空气悬架其它零件一起提供 了最佳性能组合：乘坐舒适、安装容易和维修工作量少。

空气悬架按独特的平行四边形设计原则。其扭矩杆，总是与导向臂连线相平行，使小齿轮角（P）变化最小，从而减少花键和万向节的磨损、减少传动轴摆动，使车辆行驶平稳安静。此外，悬架系统在车辆加速和刹车时，还能保持载荷均衡。

(2) 车桥安装特点

空气弹簧的刚性导向臂与车架支架用橡胶衬套相连接，在加速和刹车时，允许车桥有控制的运动，以减少桥壳应力，防止损坏。对于高扭矩/低转速发电机车辆而言，这是一个重要考虑因素。刹车时，车桥略向前和向下运动，保持轮胎贴近地面，缩短刹车距离‘刹车不跑偏，从而更安全。轮胎和刹车片寿命增加。

（3）系统简单性

车桥上下运动行程越大，则乘坐舒适性就越好，悬架系统吸收路面振动的能力就越大。空气悬架的最大行程超过其它任何形式悬架，由于独特的设计使车桥在垂直方向的行程更大，所以在车桥达到其行程极限之前，空气弹簧可以吸收更大的振动负荷。其它空气悬架的垂直行程较短，经常达到其行程极限，从而造成硬冲击。

（4）没有大的冲击载荷

空气悬架缓冲垫急转弯和在装卸地区过洼坑时，任何悬架系统的车桥都可能会运动到其上极限行程。空气悬架气囊中有橡胶缓冲垫来承受这种情况下的冲击载荷。缓冲还有一个作用就是在万一气囊损坏时，此缓冲垫可起到橡胶悬架的作用，使车辆可继续以较低的速度行驶。

空气弹簧的种类

大客车空气弹簧悬架上使用的空气弹簧主要有囊式和膜式两种。

1、囊式空气弹簧

在四平牌SP641C和SP650以及捷克生产的SL-11-1307等大客车上采用的是囊式空气弹簧，这种弹簧较早的应用在大客车的悬架上。它的特点是：

a、空气弹簧的刚度与弹簧的有效面积的变化率dF/dx有关，所以对于有效面积变化率较大的囊式空气弹簧来说，弹簧刚度较大，振动频率较高。

b、由空气弹簧频率计算公式可以看出，当空气弹簧的容积愈大时，其刚度愈低。因此，采用辅助气室能减小空气弹簧的刚度。在压力较高的情况下，增加辅助气室的容积对刚度的影响更明显。但这种影响将随容积的增加而减小。所以，对囊式空气弹簧来说，适当选择弹簧的有效面积变化率和辅助气室的容积，可得到较低的振动频率。

c、当增加气囊的曲数时，由于气囊的变形可由各个曲部平均分担，因而曲数愈多，有效直径变化率就愈小。可见增加气囊曲数会减低囊式空气弹簧的刚度，降低弹簧的振动频率。在四平牌SP641C及SP650等大客车上采用了三曲的囊式空气弹簧。另外，在一些资料中介绍，囊式空气弹簧的寿命是比较长的。

2、膜式空气弹簧

随着汽车工业和橡胶工业技术的发展，高强度尼龙、卡普龙等帘布的使用，近年来在国内外大客车的悬架上广泛采用了膜式空气弹簧。例如在利兰、武汉牌WH644和WH643等大客车上就采用了该种型式的弹簧。它的特点是：

a、可以把它看成是囊式空气弹簧下盖板变成一个活塞而形成的。由于这种改变大大改善了空气弹簧的弹性特性，得到了比囊式空气弹簧更为理想的反“S”形弹簧特性曲线。可看出膜式空气弹簧在其正常工作范围内，弹簧刚度变化要比囊式空气弹簧小，因而就振动性能来说，膜式空气弹簧要比囊式空气弹簧优越的多。特别值得提出的是，膜式空气弹簧可以用改变活塞形状和尺寸的方法，控制其有效面积的变化率，以获得比较理想的弹性特性。这一点对于囊式空气弹簧是不容易做到的。

b、膜式空气弹簧的有效面积的变化率比囊式空气弹簧小，因此，膜式空气弹簧在辅助气室较小的情况下，可以得到较低的自然振动频率。而囊式空气弹簧要想弹簧频率设计的很低是不容易的。

c、目前，使用的膜式空气弹簧的密封形式，一般采用压力自封式，而囊式空气弹簧的密封一般是用螺钉夹紧，因而膜式空气弹簧的密封简单、拆装方便。

d、膜式空气弹簧制造简单，便于大量生产。

空气弹簧的布置应考虑汽车的横向角刚度。在布置允许的情况下，应尽可能把空气弹簧布置在车架以外，以便加大弹簧的中心距，提高汽车的横向角刚度，在日野、本茨0303等大客车的后悬架上（见图6），采用了一种弯梁结构，在每个弯梁的端部安装了和前悬架气囊尺寸相同的两个气囊。又如在曼、利兰等大客车的后悬架上（见图4），采用了A形架结构，把空气弹簧布置在后轮附近，增加了弹簧中心距，提高了汽车的抗侧倾能力，所以，有人把这样布置的空气弹簧称之为抗侧倾悬架。但是，也有些大客车如日本的三菱（MITSUBISHI）、五十菱（ISUZU）、日产-柴油机（NISSAN-DIESEL）等大客车，基本是在汽车底盘钢板弹簧的位置上安装空气弹簧。这样，无论是钢板弹簧还是空气弹簧汽车，弹簧放置的位置不变。有人把这种空气弹簧悬架称之为标准型空气悬架。这种悬架尽可能做到了用统一的汽车底盘，装用不同的弹簧元件，来满足不同用户的需求。这样做可简化生产工艺、降低汽车的制造成本。但由于该种布置的中心距小，不能保证汽车有足够的横向角刚度，因而当汽车受侧向力作用时，车身倾角较大，给人以不舒适之感。

3、高度控制阀

在大客车的空气悬架中，都装有高度控制阀。它的主要作用时：

1) 保证汽车高度不随汽车的载荷而变化，汽车高度可以调整，保持一定高度，便于乘客上下车。

2) 保持空气弹簧中的空气容积为一定值，从而保证在不同载荷下，得到大致相同的振动频率。

3) 当空气弹簧出现微量泄漏时，可由高度控制阀不断进行充气，以保证空气弹簧正常工作。

另外，为了保证汽车的车身稳定的平置于悬架上，通常使用三高度控制阀，分别在前桥上装一个，后桥上装两个。在装一个高度阀的情况下，有的车还装了隔离阀，以防止车身倾斜时高压空气从一侧气囊流向另一侧气囊，加剧车身的倾斜。但是，由四平牌SP641C、SP650等汽车使用试验结果表明，隔离阀的作用不明显，因而在以后的设计中取消了隔离阀。

4、反弹限位

有些弹性元件（如钢板弹簧），它们的反向刚度较大，因此在采用这种弹性元件的悬架中，几乎不考虑反弹限位问题。然而，空气弹簧的反向刚度很小，如不采取反向限位措施，必然会出现以下几个问题：

1)因为气囊的自由度有限，所以无止境的反弹，必然会出现脱囊（若无夹紧措施）或拉断气囊（有夹紧措施）的现象。

2)因为减振器的自由长度及连接强度有限，所以无止境的反弹，必然会造成减振器的破坏。

3)囊式气囊在反跳时的有效承压面积最小，泄压面积最大，所以，反弹行程过大易于引起气囊的爆破。

考虑以上情况，在大客车的空气悬架系统中一般均装有钢丝绳反向限位装置。

5、减振器

因空气弹簧和螺旋弹簧、扭杆弹簧等一样，本身没有衰减振动的能力。因此，对减振器的性能提出了较高的要求，希望减振器的性能稳定可靠。另外，为了满足汽车空载及满载时对减振器的要求，减振器的性能最好能随载荷的增加而改变，并将非周期系数保持在一个大致不变的范围内