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空气悬架是一种利用气囊进行连接的悬架结构，空气悬架最大的特点在于将车身部分与车桥部分进行弹性的连接。空气悬架不仅将车身与车桥之间的力和力矩进行有效的传递，而且能够缓冲路面对车体的反向冲击，从而提高车辆的操纵稳定性、平稳性以及舒适性。 空气悬架结构介绍 空气悬架系统主要由推力杆总成（导向机构）、气囊总成（弹性元件）、减振器总成（阻尼元件）、高度控制系统等组成。其中重型载货牵引汽车空气悬架还必须增加横向稳定杆总成（稳定性装置）。 01 推力杆总成（导向机构） 导向机构支撑着空气悬架系统的运动学和动力学特性，空气悬架车型在运行中空气弹簧主要起承受垂直载荷的作用，而纵向力、横向力以及力矩的传递由导向机构承担。重型商用车导向元件有导向臂和导向板簧两种类型。导向臂有推力杆和集成型两种结构，推力杆结构两端为橡胶球较连接柔性比较好使用中不会轻易出现断裂现象，集成型导向臂由推力杆和稳定杆组合而成，优点在于可以减重，有利于实现整车的轻量化。导向板簧结构前端连接车架起承载作用，后端连接空气弹簧，主要用在复合空气悬架中。常见的导向机构有以下四种： a、单纵臂结构 单纵臂结构的前悬架导向臂较长，有利于稳定主销后倾角，增加自动回正功能，提高整车的操控性。此结构的空气悬架既能降低汽车纵向倾覆力矩中心位置，还能增加车辆自身抗纵倾能力。 b、钢板弹簧结构 钢板弹簧结构因为属于在板簧结构的一端增加了空气弹簧，因此这种结构既保持了部分板簧结构的弹性特性，又增加了空气弹簧的特性。 c、双横臂结构 对于双横臂结构来说因为上下臂长度布置合理，使得整车具有良好的稳定性，但其结构复杂，而且受力点集中，承载能力弱。 d、双纵臂结构 双纵臂结构上面的两根纵向推力构成一个三角架结构，通过三脚架结构以及下面的两根纵向推力杆，构成一个四连杆机构，这种结构既可以纵向传递力，也可以侧向传递力。 02 气囊总成（弹性元件）--空气弹簧 空气弹簧：通过气囊内压缩空气的作用来实现空气弹簧的弹簧作用。空气弹簧在悬架中可发挥更好的弹性作用。空气弹簧刚度随着载重、工况等变化是可变的，因此能够在实际的使用中获得更为合理的弹性特性。与传统的钢板弹簧结构相比较，空气弹簧主要有以下几方面的优点，一方面是空气弹簧的刚度是可变，它的刚度能够随着载重质量的增加而变大，且呈一个连续的渐变的增大过程，而钢板弹簧的刚度变化是分级的；二是具有高度可调性，空气弹簧可以随气囊内气压变化而伸长或压缩，使车架或车身的高度实现调节。 重型载货汽车空气悬架用空气弹簧主要有以下几部分组成：盖板、橡胶气囊、活塞、限位块（橡胶缓冲块）等。橡胶气囊由内、外表面橡胶、帘线层和钢丝圈硫化而成。内表面橡胶的要求主要对气囊内部气体起到密封作用，不能出现漏气和保压不足的缺陷。外表面橡胶露在外面，与外部环境接触，材料有氯丁（CR）胶、天然（NR）胶、氯丁/天然胶（CR/NR）或天然/顺丁胶(NR/BR）四种组合，由于橡胶的特点，橡胶基体材料的选择主要取决于环境温度、耐臭氧和耐油性能，主要起到从外部对气囊保护的作用。帘线层材料一般采用轮胎用纤维帘布或性能相当材料，如聚酯纤维或聚酰胺等，由两层或多层斜向交差布置的纤维帘布组成。 空气弹簧结构型式基本上有两大类，囊式和膜式。 囊式空气弹簧按其囊数和形状分为单节式、双节式和三节式。囊式空气弹簧的特点是刚度较大，自振频率较高。 膜式空气弹簧具有理想的非线性弹簧特性。国内外重型载货汽车上主要运用的是膜式空气弹簧。该弹簧有效直径变化较小，自振频率较低。通常膜式空气弹簧承载力大，工作压力多在6Bar以上，自振频率1.2~1.5Hz。 03 减振器总成（阻尼元件）--减振器 减振器：它的作用是加速衰减车身和车架之间的振动，改善车辆的行驶平顺性，增加车轮与地面的附着力。它与弹性元件是并联安装的。重型载货汽车减振器，见图所示。 减振器结构分上下两部分，下部的双层钢筒组件充满了油液和氮气(有些无氮气)，减压阀位于底部，活塞装配于液压缸内，活塞杆导向座和密封圈位于下部组件的顶部，与减震器上部相连接,另外在钢筒的下部有一个包含了橡胶隔震衬套或隔震圈的吊环，减震器上部顶端也有一个吊环。 减震器的工作原理：汽车行驶中当车轮颠簸出现上跳时，减振器的下部组件被迫向上运动，活塞相对于下部组件向下运动，下部的油液被迫由活塞阀向上运动到上部的油液室。减震器里面的阀能够精密控制油液的流动，进而控制车轮和悬架的向上运动，油液运动的阻力与弹簧刚度和强度协调，与车轮和悬架系统的颠簸变形程度、汽车运动的速度协调。活塞顶端安装有回弹橡胶，如果车轮向下落到一个坑里，减振器弹簧可能伸长到极限程度，回弹橡胶在这种情况下起到缓冲作用。减振器的阀门和量孔经过了精心设计，并且减振器活塞上阀门和量孔有许多不同类型，既能有效地实现车轮震动的衰减，又不会“锁住”车轮上跳和回弹。 04 高度控制系统 高度控制阀原理为通过控制空气弹簧内的气体压力的变化，进而控制空气弹簧的高度，其分为即时型和延时型两类，能够及时的进行弹簧调节的类型叫即时型高度阀，其特点为控制及时，有助于工况完善，但安装和制造精度高，因其实时处于工作状态所以负荷大，增大了零部件间的磨损。控制时间有延时的叫延时型高度控制阀，周期不同，常见的为2到4秒之间，接近振动的周期，这样能够使得零部件之间有一个过渡，有效的减少响应的负荷、摩擦和噪声。 机械式高度控制系统和电控式高度控制系统是目前主要采用的两种空气悬架的高度控制方式。 机械式高度控制系统一般由机械式高度阀及其附件、溢流阀和气管路等组成。机械式高度阀由进气接口、出气接口、驱动轴、阀片、活塞杆、活塞、排气口等构成。机械高度阀在车架纵梁固定，摆杆连接最小有效应为200mm，车辆在水平高度时，应确保摆杆水平。连接杆的长度由整车设计参数中设计号的悬架高度决定，在实际设计时，整车参数中会提供轮胎中心到车架下翼面的距离，以此来去确定连接杆长度。 电控式高度控制系统（即ECAS系统）构成和工作原理见图。其主要由电控单元（ECU）、电磁阀、高度传感器、开关及遥控器等构成。高度传感器、摆杆、连接杆等的布置与机械式高度阀基本一致，其中安装在车架纵梁上的高度传感器通过摆杆检测车辆的高度及其变化，电控单元（ECU）根据传感器、开关等输入的信号判断当前车辆状态，ECU按照预先设置的控制逻辑，向电磁阀传送相应操作指令，由电磁阀控制各个气囊的充放气动作，实现了悬架高度调节及其它控制功能。 空气悬架优势特点 1、减震效果较好，能有效提高整车舒适性 空气悬架利用了空气的可压缩性，因此可提供良好的减震效果，和钢板弹簧悬架比较，气囊的变形性更加快速、优良，空气悬架系统中的气囊具有变刚度特性，能够迅速减少车辆行驶过程中的振动，提高车辆的乘坐舒适性，板簧悬架和空气悬架的平顺性对比如下图所示。在玻璃、精密仪器等一些对减震效果要求较高的货物运输中，气囊悬架的优势特别明显。 2、有效的降低油耗，提高经济效益 空气悬架降低油耗主要在两个方面，第一个方面是当装有空气悬架的车辆在空载的状态下时，可以将车桥提升起来，减少摩擦，从而降低油耗，另一个方面依靠气囊具有的良好减震性，在颠簸路段空气悬架车型可以有效的减少换挡频率和加减速，从而降低油耗。 3、保护车辆自身的零部件，延长车辆寿命 空气悬架系统能够通过气囊的隔振，有效减小因路面凹凸不平而对车身造成的冲击振动，降低底盘和电气系统的振动频率，从而提高底盘和车身电器系统的使用寿命。空气悬架能将来自路面的震动降低，不光可以减少整车螺栓的松动，而且振动的减少有利于降低零部件的损伤。 4、便于甩挂运输，有效提高运输效率 当装有空气悬架的牵引车在甩挂运输时，可以通过气囊高度的调节来快速的实现摘挂、接挂，提升运输的效率。 5、便于不同高度月台货物装卸 不同的货场月台存在高度差异，当装有空气悬架的车辆对接装卸货平台时，可以依据月台高度的不同调节气囊高度，进而调节车体高度，便于实现货物的快速装卸。 6、延长轮胎使用寿命并且有利于路面保护 空气悬架属于“软链接”，相比板簧悬架来说，能够有效地减小轮胎与路面之间的冲击，减小轮胎的磨损，同时也可以降低对路面的载荷冲击，能够增加对路面的有效保护，减少道路的维护保养费用。 7、安全性能好 因为空气悬架相比板簧悬架来说振动频率降低，所以车辆轮胎的附着力会有效提升，从而减少车轮打滑，有效的提高在低附着系数路面上的起步能力，进而提高车辆行驶安全性。 空气悬架不同结构特点对比 根据车型的不同及整车布局的需要，空气悬架的形式有很多种，根据布置方式特点划分，主要有全气囊式空气悬架（四气囊）、复合悬架等悬架结构。 01 全气囊式空气悬架（四气囊） 全气囊式空气悬架(四气囊)是在单根车桥前后左右布置四个空气弹簧，采用多个反作用力杆导向，为了传递驱动力和制动力，前轴方向设计纵向推力杆，为了承载整车横向作用力，采用横向作用杆总成或推力杆型式四连杆机构，为了保证整车侧倾角刚度，需增加横向稳定杆总成；该结构弹簧刚度设计要求较低，降低了货箱振动频率:但是零件数量较多，成本较高。 02 复合悬架 复合悬架即钢板弹簧后端式空气悬架（两气囊）。该结构主要特点是有两个空气弹簧作为悬架弹性元件，采用高刚度的钢板弹簧来保证车辆侧倾刚度和导向稳定性，在钢板弹簧后端设计空气弹簧，为了承受横向作用力，需增加横向推力杆，保证悬架侧倾刚度大，横向稳定性好；该结构前端钢板弹簧的刚度较大，相对四气囊空气弹簧的结构，会“牺牲”整车平顺性；由于该系统结构简单、成本较低，在重型载货汽车上实际使用较多。
使用此类板簧式导向机构形式的车辆，其所受的纵向力、侧向力及其产生的力矩由钢板弹簧全部承受，从而要求钢板弹簧强度、刚度比较大，使悬架系统其弹性特性不太理想。复合空气弹簧悬架结合了空气悬架车型和板簧悬架车型的性能特点，既有空气悬架车型的舒适性，又有板簧悬架车型的可靠性。相比于全气囊式悬架系统，复合式悬架系统更适合于我国的重型商用车。 国内外主流空气悬架重卡产品对比 01 国外主流空气悬架重卡产品对比 目前欧美发达国家市场空气悬架在非工程车上已经特别常见，整车配置和当地市场主流产品配置处于同一层次。我们选取了著名的重卡品牌奔驰和斯堪尼亚的空气悬架产品进行配置比较。
通过对比可以看出，这两款产品配置均高于目前国内的主流重卡产品，但这两款的配置水平在欧洲市场均属于企业目前市场常规主流产品，并非高端产品，因此可以说目前欧美发达国家的市场重卡产品配置确实高于国内市场。 02 国内主流空气悬架重卡产品对比 目前国内市场上空气悬架类型的重型卡车产品较少，还处于推广阶段，只有在车展中能见到一部分。现有的空气悬架产品均是企业作为储备开发以及高端产品进行定位，并未成为主流产品，比如中国重汽和北汽福田的两款空气悬架产品配置。
通过对比可以看出，选用的都是大马力发动机，部分总成件比如变速箱和鞍座等均选用了国外高端品牌零部件，整车的配置相比目前国内市场的主流产品来说要高很多，因此可以说在国内市场空气悬架车型目前主要还是作为高端产品进行推广，并未进行大规模应用。 综上所述，通过对国内和国外的四款产品的对比分析，可以得出结论：目前欧美发达国家的空气悬架产品已经成为主流常规产品，国内的只有高端产品才能达到其配置要求，随着中国经济以及市场需求的发展，可以预计在将来的中国重卡市场，空气悬架产品也将成为主流产品。 参考文献 [1]李鹏. 重型载货牵引汽车电控后空气悬架系统研发[D].长安大学,2017. [2]王海云. 空气悬架在重型卡车上的应用及其装配工艺设计[D].长安大学,2020. spvtime.com |
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