四氣囊空氣懸架導向機構設計及故障分析

李建林，彭立華，趙亞彬，張亞新

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

在國外，空氣懸架系統在重型貨車上的使用率超過80%，在高速客車和豪華城市客車上已100%采用，部分轎車也采用了空氣懸架系統。空氣懸架系統主要由空氣彈簧、導向機構和減振器等組成[1-4]。空氣彈簧用來承受并傳遞垂直載荷，緩和由于路面不平引起的對車身的沖擊；導向機構傳遞除垂向力以外的各向力及力矩的作用，同時，其中的某些傳力構件還承擔著使車輪按一定運動軌跡相對車身跳動的任務；減振器用來吸收懸架振動的能量，并將其轉化為熱量耗散掉，使振動迅速衰減。在轎車和客車上，為防止車身在轉向等情況下發生過大的橫向傾斜，在懸架系統中還設置橫向穩定桿，目的是提高側傾角剛度，使車輛具有不足轉向特性，改善車輛的操縱穩定性和行駛平順性[5-7]。

1 導向機構設計及運動特性

1.1 導向機構及受力分析

導向機構是空氣懸架的關鍵部件，它可以承受汽車的縱向力、側向力及力矩，以補償空氣彈簧只能承受垂向載荷的不足。四氣囊懸架一般采用四連桿的導向機構：二根下縱向推力桿、二根上推力桿在水平面上傾斜布置，四連桿導向機構對提高汽車的操縱穩定性有著十分重要的作用[8]。推力桿通過安裝座與車架連接；C型梁通過騎馬螺栓固定在車橋上，推力桿通過焊接在C型梁上的定位銷或安裝座與車橋連接。推力桿中的橡膠球鉸起到彈性連接的作用，可以緩沖車橋傳遞來的縱向力和橫向力等，有效保護車橋和車架的沖擊損壞。同時，通過橡膠球鉸的彈性和變形，保證輪胎的運動軌跡，提高輪胎的附著特性和壽命[9]。

在車輛起動或制動時，車輛主要受三個縱向力：作用在輪胎上的起動或制動力、作用在上推力桿上的縱向力和作用在下推力桿上的縱向力。通過力和力矩平衡可以計算出作用在上、下推力桿的縱向力，通過推力桿球鉸的剛度性能，計算出車橋相對于車架之間的縱向位移。同理在車輛承受橫向力時，可以計算出車橋相對于車架之間的橫向位移。車橋與車架的相對位移量與推力桿布置、V形布置的夾角的選擇、V形布置固定端/活動端跨距的選擇等都有關系。所以在設計時，應當合理地布置推力桿和選擇推力桿球鉸的剛度性能，以滿足整車穩定性的要求。

1.2 四連桿布置及其運動特性

斜推力桿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桿和車架相連端的張開距離比它和車橋相連端張開距離要大，反之為正八字布置形式（如圖1所示，實線表示倒八字布置型式，虛線表示正八字型式）。多數空氣懸架導向機構設計時，都采用倒八字的布置。因為在實際應用中，懸架推力桿接頭普遍采用橡膠襯套，其沿各方向都有一定彈性，對后橋的運動產生較大影響。當車軸承受側向力時，對V型布置的斜向推力桿的交點（車橋相對車身的瞬心）產生一個力矩，與正八字布置結構相比，倒八字布置結構的后橋中心與瞬心偏距不大，所以偏轉力矩也不大，相應的彈性變形也較小，上V型布置桿系的橫向位移較小；另外，下推力桿在活動端會有力作用于后橋。該作用力點距瞬心點較近，同樣桿向力作用下，相對小的力矩會減小車橋相對車身的偏轉位移[10-11]。

從圖1可見，與正八字布置結構相比，倒八字布置結構時，車軸承受側向力L時，對瞬心O產生一個力矩M=L·d。但是，由于偏距d不大，所以偏轉力矩也不大，相應的彈性變形也較小，所以上桿的切向位移u較小。其次，下桿活動端距瞬心也較近，其切向位移u及縱向、側向位移分量x、y也較小。此時，車軸相對于車身的偏轉位移也較小。同時，下縱推力桿活動端至瞬心的連線與汽車橫軸線的夾角α較小，切向位移v沿桿向（縱向）的分量x相對較大。而推力桿桿向約束即剛度比側向約束要大得多，所以下縱桿更有效地控制車軸的偏轉即側移。

2 后橋移位原因分析

后橋移位是后空氣懸架經常出現的故障，導向機構是限制車架與車橋在橫向的移動和偏轉，因此，后橋移位時，應重點對導向機構進行檢查。后橋移位可分為后橋偏移和后橋偏斜兩種情況。下面分析橡膠球絞對后橋移位的影響。由于后橋推力桿長度較長，以下分析中忽略了球鉸相對于桿體的軸向變形。

2.1 后橋偏移

如果后橋發生了偏移，與車橋相連的下推力桿的一端從B點偏到B'，與車橋相連的上推力桿的一端從D點偏到D'，假定車橋的變形很小，則BB'=DD'=δ，其中δ為車橋偏移量。如圖2所示。

在△ADD'中，可求出偏移后上推力桿的長度AD'=

假設后橋偏移5 mm，按半邊模型計算，δ=2.5 mm，取下推力桿長L1=719 mm，上推力桿長L2=817 mm，α=52°，帶入式（1）、式（2）得 AB'=719.004 mm，AD'=815.462 mm。

下推力桿徑向拉伸0.004 mm，上推力桿徑向壓縮1.537 mm；而另一側下推力桿徑向壓縮0.004 mm，上推力桿拉伸1.537 mm。由于下推力桿長度變化很小，現只考慮上推力桿變形情況。假定上推力桿球鉸的徑向剛度為K1（kN/mm），由于一側上推力桿受壓縮，另一側的受拉伸，可以計算出上推力桿受到的合力為2×1.573K1（kN）。由此可以看出，K1越大，在相同偏移情況下，推力桿能承受的拉壓力也就越大，同理，在相同外界拉壓力的情況下，后橋就越不容易偏移。

2.2 后橋偏斜

如果后橋發生了偏斜，與車橋相連的下推力桿的一端從B點偏到B'，與車橋相連的上推力桿的一端從D點偏到D'，假定車橋的變形很小，則偏轉角∠OBB'=∠ODD'=β，其中β為車橋偏斜角度。如圖3所示。

由于偏斜角度β一般都很小，則上推力桿的長度變化量可近似等于DD'×sinθ，下推力桿的長度變化量可近似等于BB'×sinθ。

由幾何條件可知:

式中：β取弧度制單位。

假設β=0.464°=0.008 1 rad，由推力桿具體布置形式，取 V1=90.776 mm，H1=65.959 mm，V2=315 mm，H2=211.027，θ=38°，帶入式（3）、式（4）得：

上推力桿徑向拉伸0.559 m，下推力桿徑向壓縮1.889 mm；而另一側上推力桿徑向壓縮0.559 mm，下推力桿拉伸1.889 mm。由于上推力桿長度變化很小，現只考慮下推力桿變形情況，假定下推力桿球鉸的徑向剛度為K2（kN/mm），由于一側下推力桿受壓縮，另一側的受拉伸，可以計算出下推力桿受到的拉力為1.889 K2（kN），則后橋受到的偏轉力矩為1.889 K2V2。由此可見，K2越大，在相同偏斜角度情況下，后橋承受的偏轉力矩也就越大，同理，在相同外界偏轉力矩的情況下，后橋就越不容易偏斜。

為了滿足使用和壽命要求，橡膠球鉸的徑向剛度和偏轉剛度都比較大，徑向剛度大于100 kN/mm，偏轉剛度大于40 Nm/°。因此，在球鉸正常的情況下，車橋和車身在運動過程中發生相對位移后有很大的回復力矩使其回到初始位置。

3 結束語

后橋移位的其它因素還與以下零部件的失效有關：騎馬螺栓松動，C型量與車橋連接松動；焊接在車架或車橋上的安裝座或定位銷開焊或彎曲；推力桿的安裝螺栓螺母松動或斷裂；推力桿受到異常力使推力桿彎曲或變形；推力桿的初始安裝位置；穩定桿安裝位置與穩定桿的性能。

汽車在各種極限工況下，后橋會受到各種惡劣的載荷，在四連桿機構的橡膠球鉸沒有失效的狀況下、無外力作用情況下，它會自動回復到初始位置。推力桿球鉸的剛度大小不是后橋移位的主因。橡膠球鉸剛度大小及推力桿的布置方式只會影響到四連桿機構在傳遞力的過程中上、下推力桿長度的變化量，也就是車輛行駛過程中的擺動量。后橋移位主要與推力桿的安裝座移位以及騎馬螺栓松動有關。

導向機構是空氣懸架系統中的重要組成部分，也是空氣懸架設計與開發的關鍵技術之一，對汽車的縱向穩定性和橫向穩定性有直接影響，對汽車的操縱穩定性和整車的受力至關重要。因此，應對空氣懸架中的導向機構予以充分重視和研究[12]。

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