淺談空氣懸架動(dòng)力學(xué)特性與控制

李大鵬

摘 要：汽車的懸架系統(tǒng)直接決定了人們的駕駛享受，調(diào)教水平較高的懸架系統(tǒng)可以為駕駛員提供一種平順、舒適、穩(wěn)定的駕駛感受。而當(dāng)前汽車懸掛系統(tǒng)表現(xiàn)最好的當(dāng)屬空氣懸掛系統(tǒng)，所以，本文分析了空氣懸架系統(tǒng)，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性與控制進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：空氣懸架；氣體彈簧；動(dòng)力學(xué)特性與控制

引言

現(xiàn)代人們對(duì)于駕駛感受最廣泛的要求便是駕駛的舒適感以及平順性。由于汽車在行駛過程中，底盤會(huì)受車速、路況等因素的影響將振動(dòng)傳遞到車內(nèi)，這就要求汽車在底盤設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行特殊調(diào)校，以減少車體振動(dòng)對(duì)人體造成的不適與危害。因此，加快空氣懸架的研發(fā)進(jìn)程是底盤設(shè)計(jì)當(dāng)前的主要目標(biāo)。

1關(guān)于底盤懸架系統(tǒng)的概述

現(xiàn)階段，汽車底盤的懸架系統(tǒng)通常分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架以及主動(dòng)懸架，其劃分標(biāo)準(zhǔn)主要在于其空氣懸架的阻尼性能。首先，被動(dòng)懸架在汽車行駛過程中，由于懸掛系統(tǒng)的剛度及阻尼都不可調(diào)，底盤只能被動(dòng)接受路況以及行駛速度對(duì)車身造成的振動(dòng)；其次，半主動(dòng)懸架應(yīng)用范圍最為廣泛，該懸架方式不改變懸架原有剛度，只調(diào)節(jié)懸架阻尼，從而達(dá)到對(duì)懸架減震的效果。半主動(dòng)懸架不需要額外安裝動(dòng)力源裝置，僅需要部分可控阻尼元件配合工作，另外半主動(dòng)懸架雖然不能接受控制信號(hào)，但能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)出最優(yōu)彈簧特性和阻尼特性，使其性能與主動(dòng)懸架差距不大，因此才會(huì)被廣泛應(yīng)用；最后，主動(dòng)懸架系統(tǒng)是結(jié)合汽車行駛狀態(tài)以及路面情況，自動(dòng)對(duì)懸架的剛度和阻尼進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，并將底盤維持在最佳減振狀態(tài)，從而保障汽車行駛的平順舒適性。但在實(shí)際生產(chǎn)使用中，主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)雜，處理程序需要較高的配置，并且維護(hù)難度高、成本昂貴，所以得不到廣泛應(yīng)用。

2空氣懸架的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1空氣懸架的基本結(jié)構(gòu)

目前空氣懸架的主要結(jié)構(gòu)包括空氣彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減震器、控制臂、推力桿、緩沖限位塊等，大致結(jié)構(gòu)分布見圖1。其中空氣彈簧作為空氣懸架中最重要的組成部分，對(duì)底盤性能起到?jīng)Q定性的作用?？諝鈶壹芡ǔＳ啥鄠€(gè)貫通氣路以及相互作用的氣囊組成。常見的形式是底盤前懸架安裝兩個(gè)，后懸架安裝四個(gè)，前懸架的左、右兩個(gè)空氣彈簧受同一高度閥控制；后懸架的四個(gè)空氣彈簧中，左、右兩側(cè)兩個(gè)各由一個(gè)高度閥控制。所以當(dāng)汽車快速行駛時(shí)，前懸架左右兩個(gè)空氣彈簧一直在相互作用，尤其當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，囊內(nèi)氣體通過管路左右通，以達(dá)到壓力平衡狀態(tài)，從而保證車輛安全行駛。

2.2空氣懸架的工作原理

空氣彈簧是空氣懸架系統(tǒng)中的關(guān)鍵性能元件，對(duì)底盤調(diào)校發(fā)揮著重要作用。其工作原理大致可概括為：空氣彈簧初始作用高度一定，首先，當(dāng)車輛靜載與空氣彈簧氣囊內(nèi)氣體壓力相平時(shí)，懸架系統(tǒng)處于力平衡狀態(tài)，汽車相對(duì)穩(wěn)定；其次，當(dāng)汽車載荷增加時(shí)，空氣彈簧中承重氣囊受壓迫，導(dǎo)致懸架系統(tǒng)高度降低，高度閥隨車體下降迫使擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而出發(fā)懸架內(nèi)部進(jìn)氣機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣通過連接管路補(bǔ)給到空氣彈簧，當(dāng)高度閥擺桿回復(fù)到水平位置時(shí)，進(jìn)氣機(jī)構(gòu)閉合停止進(jìn)氣，車體隨著空氣彈簧的充氣過程恢復(fù)到初始工作高度；最后，當(dāng)車輛載荷減少時(shí)，高度閥有相對(duì)移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生與進(jìn)氣相反的排氣過程。在空氣彈簧系統(tǒng)整個(gè)氣體調(diào)解過程中，高度閥保證了車輛的底盤懸架在任意載荷情況下，始終與路面之間的高度維持在既定值，因此，只有在高度閥的配合作用下，才能完全發(fā)揮高度閥的最佳效果。

2.3空氣彈簧對(duì)整車底盤性能的影響

由上述分析可知，汽車空氣懸架的剛度、阻尼都可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀況作自動(dòng)調(diào)整，因此，為保證良好的行駛平順性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性，必須選擇適當(dāng)?shù)某錃鈮毫?、附加氣室容積以及節(jié)流孔開度。駕駛者還能夠根據(jù)自己的駕駛習(xí)慣，隨意設(shè)置合適的懸架高度，從而達(dá)到安全越過障礙物、提速平順、駕駛舒適的預(yù)期，明顯提高了駕駛員的駕駛樂趣。空氣懸架利用空氣彈簧作為主要緩沖介質(zhì)，取代了板簧或螺旋彈簧等傳統(tǒng)減震配置，這樣既降低了車身重量，大幅縮短緊急制動(dòng)距離，還能夠借助氣體彈簧對(duì)空氣流動(dòng)的調(diào)節(jié)進(jìn)而調(diào)整汽車不同狀態(tài)下適當(dāng)?shù)目諝鈶壹芨叨?。?dāng)汽車在路況較好的平坦路面行駛時(shí)，可以自動(dòng)降低車身重心，以此來(lái)提高車速；當(dāng)汽車行駛在崎嶇路面時(shí)，可以升高車身高度，提高重心以加強(qiáng)汽車的通過能力；另外，與傳統(tǒng)金屬懸架汽車相比，空氣懸架汽車車輪動(dòng)載荷更小，大大減小了車輪對(duì)路面的沖擊，提高了汽車的路面友好性，從而在一定程度上降低油耗。

3空氣懸架的動(dòng)力學(xué)特性與控制

第一，空氣懸架的阻尼可調(diào)?？諝鈶壹芤话闩溆懈郊託馐?、節(jié)流孔以及連接管路，因此該懸架系統(tǒng)具有“節(jié)流效應(yīng)”，當(dāng)彈簧載荷加重時(shí)，主氣室作為承重氣室被壓縮，主副氣室間產(chǎn)生壓力差，此時(shí)附加氣室氣體會(huì)經(jīng)節(jié)流孔流入主氣室，進(jìn)而保持懸架系統(tǒng)內(nèi)部壓力平衡，另外，節(jié)流孔對(duì)路面的振動(dòng)沖擊有緩沖作用，具有一定阻尼效果，改變節(jié)流孔開度或者管路直徑，空氣懸架的阻尼也會(huì)隨之改變；第二，空氣懸架剛度可調(diào)。空氣彈簧的承載介質(zhì)是空氣，因此可以通過調(diào)節(jié)空氣彈簧充氣壓力來(lái)獲得所需要的剛度，以適應(yīng)外部載荷的變化。另外，增加附加氣室可以增大空氣彈簧內(nèi)氣體流通空間，通過改變附加氣室容積也可以調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度；第三，空氣懸架隔離噪聲及減震效果好?？諝鈶壹軇偠瓤烧{(diào)，減震性能好，還可以降低零件磨損，空氣懸架車輛行駛過程中操縱平穩(wěn)，振動(dòng)噪聲小，路面友好性能優(yōu)越。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，人們對(duì)現(xiàn)代汽車的綜合性能有了更高的要求，其中最主要的就是汽車底盤的性能調(diào)校?？諝鈶壹軐?duì)于過濾胎噪以及路面對(duì)車身造成的振動(dòng)有著明顯作用，所以，相關(guān)部門要不斷對(duì)空氣懸架技術(shù)進(jìn)行研發(fā)應(yīng)用，以保證人們的駕駛感受，使汽車更好地為人們提供服務(wù)。

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