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客車空氣彈簧后懸架設計(二)

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發表於 2014-12-7 00:07:28 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
如圖所示,是鋼板彈簧與空氣彈簧的靜特性比較,圖A為載荷─撓度特性,圖B為載荷─頻率特性。由圖可以看出,對于鋼板彈簧,靜撓度隨著載荷的增加而增加;對于帶有高度控制閥的空氣彈簧,靜撓度在所有載荷條件下幾乎保持不變,因而其自振頻率也幾乎保持不變。
    3)空氣彈簧具有非線性特性,可以將它的特性曲線設計成理想的形狀。如在車輛懸掛系統中最理性的形狀是S形,即在曲線的中央區段具有比較低的剛度,而在拉伸和壓縮行程的邊緣區段則剛度逐漸增加。這樣,可以保證車輛在正常行車是運行性能柔和,而在通過彎道和岔道等偶然場合下,空氣彈簧被大幅度拉審和壓縮時,它逐漸變硬,從而能限制車體的振幅。而普通鋼板彈簧,它的特性曲線是線性的,要是這種彈簧懸掛裝置具有上述非線性特點,是必要使結構復雜化。
    4)空氣彈簧的剛度,不管載重量是多少,都可以依靠改變空氣壓力加以選擇,因此可以根據需要將剛度選的很低,例如用增加附加空氣室的辦法增加其內容積,可以使剛度減? ?
    5)對于同樣大小的空氣彈簧,當內壓力改變時,可以得到不同的承載能力。這使得同一種空氣彈簧可以適應多種載荷要求,因此經濟效果好,此外,還可以通過高度控制閥的作用,使空氣彈簧在一定的載荷下具有不同的高度,因此,空氣彈簧能適應多種結構上的要求。
    6)吸收高頻振動和隔音效果好。
    7)在空氣彈簧與附加空氣室之間加設一個截流孔,空氣流經截留孔時要發生能量損失,因而能起到衰減振動的作用。如果截流孔的大小選擇適當,可以不設減振阻尼器。
    8)與鋼板彈簧比較,空氣彈簧在承受劇烈振動載荷時,空氣彈簧壽命較長。
    空氣懸架的控制元件──高度控制閥
    高度控制閥是空氣彈簧懸架系統的一個重要組成部分,它的作用是使空氣彈簧在載荷下都保持一定的高度。空氣彈簧的優點,也只有在采用了高度控制閥的情況下才能充分體現出來。
    1、控制閥的用途及工作原理
    高度控制閥安裝在車身上,根據車輛載荷,調節氣囊氣壓以保持車身高度為一恒定指。
    工作原理如圖所示,當車輛載荷增加時,裝有高度控制閥的車身將下移,連接車橋和高度控制閥的擺桿f轉動,帶動凸輪轉軸e轉動,從而使活塞g和頂桿d上移,將排氣門b關閉,進氣門a打開,此時,從11口進來的壓縮空氣通過21口進入氣囊。隨著氣囊內氣壓的上升,空氣彈簧高度增加,車身也隨之上升,進氣門a則因為擺桿的移動而關閉,此時高度控制閥處于一個平衡狀態。
    當車輛載荷減少時,因氣囊內多余的氣壓,使空氣彈簧升高,從而車身也上升,因此,擺桿f轉動,帶動凸輪軸e轉動,從而使活塞g和頂桿d下移,使排氣門c打開,進氣門d關閉,氣囊中多余的氣壓排至大氣。車身又回到正常水平,此時,頂桿又上移,將排氣門c關閉,高度閥又處于一個平衡狀態。
    當車輛載荷變化較大時,控制氣壓作用在活塞面A上,使得活塞g頂桿d上移(或下移),既而打開(或關閉)進氣門a,關閉(或打開)排氣門c,從而使氣囊氣壓迅速上升(或下降)到正常值,高度控制閥又達到新的一輪平衡。
    高度控制閥的結構及形式
    高度控制閥一般分為機械式和電磁式兩種,也可以分為有延時機構的和沒有延時機構的兩種。延時機構的作用是:當靜載荷變化或來自工作機械如鋼軌的沖擊等,使空氣彈簧的高度發生變化時,高度控制閥開始調整高度的開閉動作,在時間上能夠較前者有一個滯后過程,這個時間通常稱為作用滯后時間。高度控制閥的延時機構一般是由緩沖彈簧和油壓減振器組成的。
    大客車空氣懸架上使用的高度控制閥主要有以下兩種形式:
    1、無阻尼的高度控制閥
    這種高度控制閥的工作原理是:當搖臂軸1處于中間位置時,閥桿2和閥墊3接觸,此時即不充氣也不放氣。當載荷增加時,閥桿2隨同擺臂軸1下移,儲氣筒內高壓空氣的壓力大于氣囊的壓力,高壓空氣頂開球閥,經閥門4中間的小孔再推動閥桿2下移,通過下端小孔進入氣囊,進行充氣。當車身載荷減小時,擺臂軸1上移,時氣囊中的氣體與大氣相同,進行放氣。用充放氣的交替進行來保證車身高度不變。
    這種高度控制閥雖然能保證車身高度不隨汽車載荷變化,但在汽車行駛過程中,當車橋與車身有相對位移時,哪怕是微小的位移,高度控制閥都有充放氣動作。為了避免它的這種頻繁工作現象,在結構設計上應使閥桿2的上端有一端1毫米長的配合面,這樣,車身相對于車橋的位移在某一范圍(SP641C型大客車為±30mm)內時,雖然閥桿2有垂直位移,但1毫米長的配合臺肩并沒有脫離接觸。因此高度控制閥不工作。
    2、有阻尼的高度控制閥
    這種高度控制閥不僅能保證車身高度不隨載荷的變化而變化,而且還能避免汽車在行駛中因沖擊而引起的充放氣現象。因此減少了氣耗,減少了閥中各種零件的磨損,延長了高度控制閥的使用壽命。
    這種高度控制閥的工作原理是:當車身的載荷增加時,車橋通過擺臂使活塞2緩慢的向左移動,推動閥桿3,使高壓空氣由儲氣筒進入氣囊,進行充氣。反之,當車身載荷減少時,擺臂使活塞2向右移動,推動閥桿1,使氣囊中的高壓空氣與大氣相同,進行放氣。活塞左右移動時,由于速度緩慢,高度控制閥內的硅油可從左面的節流孔A慢慢地流到活塞右部,幾乎沒有阻尼作用。若車橋和車身相對位移度很大時,也就是說活塞速度較大時,硅油流經節流孔時將產生一個較大的阻尼力,當阻尼力大于彈簧的壓力時,擺臂和殼體就一起帶動彈簧座在彈簧的作用下,推動擺臂軸轉動,使活塞左右移動,進行充放氣。這種帶硅油阻尼的高度控制閥,雖然結構比較復雜,但從發展來看,在高級大客車上還是應該使用的。我們曾在WH644型大客車上試裝過這種高度閥,效果較好。
    在我們研制的幾種車輛上,大部分都裝有無阻尼的高度控制閥。
    目前,在國外一些空氣懸架的車輛中也有采用電磁閥控制的高度控制閥,車身高度可在幾個擋位上進行調整。因此,汽車司機可根據路面條件把車身高度控制在適用的范圍內,從而提高了汽車的通過性及穩定性。
    沒有延時機構的高度控制閥,在工作過程中,由于進氣閥和排氣閥不斷的開閉,因而空氣的消耗量比較大。為了減少空氣的消耗量,通常在空氣彈簧和高度控制閥之間的通道上設置一個小孔加以限制空氣的流量,但孔不宜太小,否則由于空氣中的水分和灰塵將可能使之堵塞,因而影響高度控制閥的作用和靈敏度。孔徑一般選為1-3毫米。這種沒有延時機構的高度控制閥雖然結構簡單,但由于在工作時空氣的消耗較大,所以很少實際采用。
    對于有延時機構的高度控制閥,在受到突然位移或高頻振動位移時,由于油壓減振器的阻力,僅僅緩沖彈簧的伸縮變形,而進氣閥,排氣閥并不作用,因而空氣彈簧在工作過程中,高度控制閥的耗氣量很? ?
    第二章 方案論證
    2-1  空氣彈簧懸架與機械彈簧懸架比較
    不論是采用空氣彈簧還是4片鋼板彈簧,懸架系統的設計目的都是要保護車輛不受振動和路面沖擊振動的影響。但是機械彈簧懸架系統如果設計不當也可能會加強振動。路面的小跳動,如路面接縫這樣的小跳動,就可能會引起機械彈簧共振,從而產生巨大的破壞性振動力而傳給車輛。
    一、無與倫比的形式性能
    空氣懸架系統消除振動的性能使車輛的行駛平順性-乘坐柔軟性和舒適性是機械彈簧懸架系統所無法比擬的。在空氣懸架系統中,空氣彈簧中的氣壓自動調節以保持離地高度不變。行駛平滑而且平穩。機械彈簧要想得到同樣的乘坐柔軟性,則滿載時彈簧的柔性變形將達5英寸,這只是在靜止狀態下的變形。
    機械彈簧的柔性變形將使車架離地高度減小,與車輪的間隙只剩下50mm左右,這顯然太? V灰�r瀉芐〉奶�崥A�3�?突嵊臚銑盜�{癰訟嘧病U庵智榭魷勻徊荒芰釗寺�P狻R虼耍�岳@剖本托枰�k岣?�N檔�Y傻母招裕�空詀K諑�R厥蹦鼙3擲氳馗叨取U庋�{拖拗屏蘇庵窒低澄�g章訪嬲穸�S哪芰Α?
    二.增加彈簧剛性所帶來得后果
    空氣彈簧能吸收路面的破壞性振動,路面上很小的跳動都可能被機械彈簧的剛性增強很大的路面振動。差不多每一個司機都經歷過公路的路面接縫對汽車產生的有害共振。只要把你的汽車在路面比較差路面上顛簸行駛一遍,你就會體會到機械彈簧的這種共振試驗。上圖表示滿載的拖車/掛車在道路上以公路速度所受到的振動力。在這樣的條件下,機械彈簧懸架比空氣彈簧懸架的吸振效果要差至少50%。
    機械彈簧懸架的吸振相差太大,在俯仰擺動時,機械彈簧懸架的減振效果更差,只有空氣彈簧懸架的25%。很容易想象拖車司機在這種振動力下的感受。連續振動所受的影響不說,連續振動會磨損導線、振裂燈泡和儀表、使電器系統接線松脫、損壞空調系統、使車身焊縫產生疲勞裂紋、并將拖車結構振松,行駛起來就嘩啦啦響個不停。
    三、空氣懸架的優點
    (1)獨特設計保證性能優越
    驅動軸空氣懸架才使用獨特的高強度剛度設計。不用板簧和U形螺栓,消除了金屬彈簧的振動和斷裂問題。此剛性導向臂與空氣懸架其它零件一起提供 了最佳性能組合:乘坐舒適、安裝容易和維修工作量少。
    空氣懸架按獨特的平行四邊形設計原則。其扭矩桿,總是與導向臂連線相平行,使小齒輪角(P)變化最小,從而減少花鍵和萬向節的磨損、減少傳動軸擺動,使車輛行駛平穩安靜。此外,懸架系統在車輛加速和剎車時,還能保持載荷均衡。
    (2) 車橋安裝特點
    空氣彈簧的剛性導向臂與車架支架用橡膠襯套相連接,在加速和剎車時,允許車橋有控制的運動,以減少橋殼應力,防止損壞。對于高扭矩/低轉速發電機車輛而言,這是一個重要考慮因素。剎車時,車橋略向前和向下運動,保持輪胎貼近地面,縮短剎車距離‘剎車不跑偏,從而更安全。輪胎和剎車片壽命增加。
    (3)系統簡單性
    車橋上下運動行程越大,則乘坐舒適性就越好,懸架系統吸收路面振動的能力就越大。空氣懸架的最大行程超過其它任何形式懸架,由于獨特的設計使車橋在垂直方向的行程更大,所以在車橋達到其行程極限之前,空氣彈簧可以吸收更大的振動負荷。其它空氣懸架的垂直行程較短,經常達到其行程極限,從而造成硬沖擊。
    (4)沒有大的沖擊載荷
    空氣懸架緩沖墊急轉彎和在裝卸地區過洼坑時,任何懸架系統的車橋都可能會運動到其上極限行程。空氣懸架氣囊中有橡膠緩沖墊來承受這種情況下的沖擊載荷。緩沖還有一個作用就是在萬一氣囊損壞時,此緩沖墊可起到橡膠懸架的作用,使車輛可繼續以較低的速度行駛。
    空氣彈簧的種類及布置
    大客車空氣彈簧懸架上使用的空氣彈簧主要有囊式和膜式兩種。
    1、囊式空氣彈簧
    在四平牌SP641C和SP650以及捷克生產的SL-11-1307等大客車上采用的是囊式空氣彈簧,這種彈簧較早的應用在大客車的懸架上。它的特點是:
    a、空氣彈簧的剛度與彈簧的有效面積的變化率dF/dx有關,所以對于有效面積變化率較大的囊式空氣彈簧來說,彈簧剛度較大,振動頻率較高。
    b、由空氣彈簧頻率計算公式可以看出,當空氣彈簧的容積愈大時,其剛度愈低。因此,采用輔助氣室能減小空氣彈簧的剛度。在壓力較高的情況下,增加輔助氣室的容積對剛度的影響更明顯。但這種影響將隨容積的增加而減? K�掘柁t閱沂嬌掌�郤Y衫此擔�疚縌h≡竦�Y傻撓行�妤D�扂W�`屎透ㄖ�D�頝~娜?�瞳}傻玫澆系偷惱穸�d德省?
    c、當增加氣囊的曲數時,由于氣囊的變形可由各個曲部平均分擔,因而曲數愈多,有效直徑變化率就愈? ?杉�砫黿y�熐��H�堳哢Q湍沂嬌掌�郤Y傻母斬齲�{檔偷�Y傻惱穸�d德省T謁鈉腳芐P641C及SP650等大客車上采用了三曲的囊式空氣彈簧。另外,在一些資料中介紹,囊式空氣彈簧的壽命是比較長的。
    2、膜式空氣彈簧
    隨著汽車工業和橡膠工業技術的發展,高強度尼龍、卡普龍等簾布的使用,近年來在國內外大客車的懸架上廣泛采用了膜式空氣彈簧。例如在利蘭、武漢牌WH644和WH643等大客車上就采用了該種型式的彈簧。它的特點是:
    a、可以把它看成是囊式空氣彈簧下蓋板變成一個活塞而形成的。由于這種改變大大改善了空氣彈簧的彈性特性,得到了比囊式空氣彈簧更為理想的反“S”形彈簧特性曲線。可看出膜式空氣彈簧在其正常工作范圍內,彈簧剛度變化要比囊式空氣彈簧小,因而就振動性能來說,膜式空氣彈簧要比囊式空氣彈簧優越的多。特別值得提出的是,膜式空氣彈簧可以用改變活塞形狀和尺寸的方法,控制其有效面積的變化率,以獲得比較理想的彈性特性。這一點對于囊式空氣彈簧是不容易做到的。
    b、膜式空氣彈簧的有效面積的變化率比囊式空氣彈簧小,因此,膜式空氣彈簧在輔助氣室較小的情況下,可以得到較低的自然振動頻率。而囊式空氣彈簧要想彈簧頻率設計的很低是不容易的。
    c、目前,使用的膜式空氣彈簧的密封形式,一般采用壓力自封式,而囊式空氣彈簧的密封一般是用螺釘夾緊,因而膜式空氣彈簧的密封簡單、拆裝方便。
    d、膜式空氣彈簧制造簡單,便于大量生產。
    空氣彈簧的布置應考慮汽車的橫向角剛度。在布置允許的情況下,應盡可能把空氣彈簧布置在車架以外,以便加大彈簧的中心距,提高汽車的橫向角剛度,在日野、本茨0303等大客車的后懸架上(見圖6),采用了一種彎梁結構,在每個彎梁的端部安裝了和前懸架氣囊尺寸相同的兩個氣囊。又如在曼、利蘭等大客車的后懸架上(見圖4),采用了A形架結構,把空氣彈簧布置在后輪附近,增加了彈簧中心距,提高了汽車的抗側傾能力,所以,有人把這樣布置的空氣彈簧稱之為抗側傾懸架。但是,也有些大客車如日本的三菱(MITSUBISHI)、五十菱(ISUZU)、日產-柴油機(NISSAN-DIESEL)等大客車,基本是在汽車底盤鋼板彈簧的位置上安裝空氣彈簧。這樣,無論是鋼板彈簧還是空氣彈簧汽車,彈簧放置的位置不變。有人把這種空氣彈簧懸架稱之為標準型空氣懸架。這種懸架盡可能做到了用統一的汽車底盤,裝用不同的彈簧元件,來滿足不同用戶的需求。這樣做可簡化生產工藝、降低汽車的制造成本。但由于該種布置的中心距小,不能保證汽車有足夠的橫向角剛度,因而當汽車受側向力作用時,車身傾角較大,給人以不舒適之感。
    3、高度控制閥
    在大客車的空氣懸架中,都裝有高度控制閥。它的主要作用時:
    1)  保證汽車高度不隨汽車的載荷而變化,汽車高度可以調整,保持一定高度,便于乘客上下車。
    2)  保持空氣彈簧中的空氣容積為一定值,從而保證在不同載荷下,得到大致相同的振動頻率。
    3)  當空氣彈簧出現微量泄漏時,可由高度控制閥不斷進行充氣,以保證空氣彈簧正常工作。
    另外,為了保證汽車的車身穩定的平置于懸架上,通常使用三高度控制閥,分別在前橋上裝一個,后橋上裝兩個。在裝一個高度閥的情況下,有的車還裝了隔離閥,以防止車身傾斜時高壓空氣從一側氣囊流向另一側氣囊,加劇車身的傾斜。但是,由四平牌SP641C、SP650等汽車使用試驗結果表明,隔離閥的作用不明顯,因而在以后的設計中取消了隔離閥。
    4、反彈限位
    有些彈性元件(如鋼板彈簧),它們的反向剛度較大,因此在采用這種彈性元件的懸架中,幾乎不考慮反彈限位問題。然而,空氣彈簧的反向剛度很小,如不采取反向限位措施,必然會出現以下幾個問題:
    1)因為氣囊的自由度有限,所以無止境的反彈,必然會出現脫囊(若無夾緊措施)或拉斷氣囊(有夾緊措施)的現象。
    2)因為減振器的自由長度及連接強度有限,所以無止境的反彈,必然會造成減振器的破壞。
    3)囊式氣囊在反跳時的有效承壓面積最小,泄壓面積最大,所以,反彈行程過大易于引起氣囊的爆破。
    考慮以上情況,在大客車的空氣懸架系統中一般均裝有鋼絲繩反向限位裝置。
    5、減振器
    因空氣彈簧和螺旋彈簧、扭桿彈簧等一樣,本身沒有衰減振動的能力。因此,對減振器的性能提出了較高的要求,希望減振器的性能穩定可靠。另外,為了滿足汽車空載及滿載時對減振器的要求,減振器的性能最好能隨載荷的增加而改變,并將非周期系數保持在一個大致不變的范圍內。
    綜合上述分析,我選擇了如圖  的空氣懸掛作為本次畢業設計的方案,圖中選用及確定的主要零部件有:
    Neway公司生產的AD-160型空氣彈簧;
    由一根橫梁、兩個縱梁組成的輔助車架;
    導向鋼臂兩個,各由四根鋼板焊接而成;
    可調式橫向推力桿一個;
    導向鋼臂車架支架兩個;
    車橋適配座及車橋蓋各兩個;
    雙向作用減震器兩個。
    設計計算
    3-1  輔助車架的設計計算
    一、輔助車架結構的選擇
    1、 車架的功用
    此車架作為一個輔助車架,它與空氣彈簧、減振器、橫向推力桿及車橋
    用連接件連接,而后將其焊接到黃海牌DD680K01大客車的整體式車架上。他承受后載質量和有效載荷,并承受汽車行駛時所產生的各種力和力矩,車架要承受各種靜載荷和動載荷。
    2、 對車架的要求
    為了使車架能達到以上功用,通常對車架有如下的要求:
    (1) 有足夠的強度
    保證在各種復雜受力的情況下車架不受損壞,要求有足夠的疲勞強度。
    (2) 有足夠的彎曲強度
    保證汽車在各種復雜受力的使用條件下,固定在車架上的各總成不至于因為車架的變形而早期損壞。
    (3) 有適當的扭轉剛度
    當汽車行駛于不平路面時,為了保證汽車對路面不平行度的適應性,提高汽車的平順性和通過性,要求車架具有適合的扭轉剛度。
    (4) 盡量減輕質量
    由于車架較重,對于鋼板的消耗量相當大,因此車架應按等強度的原則進行設計,以減輕汽車的自重和降低材料的消耗量。
    3、 車架結構的確定
    本車架選用邊梁式車架。這種車架由兩根縱梁,及連接兩根縱梁的橫梁組
    成。這種結構被廣泛應用于貨車和大客車上。
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