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42.17空气弹簧

一定体积的空气，无论是封入一个配有活塞的圆筒，还是一个柔性风箱，都可以用作弹簧，如图42.20所示。

在静态载荷下，空气被压缩到预定压力，随后的活塞的运动也会增加或减少的压力会导致作用在活塞上的力增加或减少。

如果这种压力被用于活塞行程曲线的绘制，我们将获得一种类似于发动机指示卡的曲线，因此随活塞行程变化的力的变化率也会随着空气压力的增大而明显变大。

由此可见，不同于金属弹簧等量力的增量导致等量偏转的特性，空气弹簧的变化率不是恒定的。

在保持车轴总的上升量和下降量处于合理的范围内的时候，就相对于中间行驶位置的小偏转量来说，这种空气弹簧的特性在获得晓得变化率方面是具有优势的。

空气弹簧被广泛用在空载和满载状态下质量差距很大的汽车上。

这主要包括牵引半挂车的拖拉机和半挂车自身以及大型牵引挂车。

特别是当使用了独立悬架之后，由于它们带来的高质量的乘坐体验，它们一定程度上也被用于长途汽车，尤其是美国和欧洲大陆。

缺点是成本高，复杂压缩空气辅助系统和随之而来破裂的风险，比其他类型弹簧更多的维护以及因为寒冷天气下空气中的湿气凝结而可能导致的阀门故障。

一般情况下来说，这种类型的空气悬架对于汽车来说太笨重也太复杂了，不过有些雪铁龙的车还是有他们自己的液压气动系统。

图42.23

在一个双横臂式悬架中，圆形截面有两个部分，一般是用一个橡胶波纹管简单的替换螺旋弹簧的常规设计。

橡胶波纹管式弹簧用于邓禄普Stabilair式悬挂，如图42.21所示。

另外，一个固定在框架和活塞或柱塞上倒置的鼓形金属空气容器依附在下臂。

由于活塞比鼓要小得多，密封会被用来保护自身边缘和鼓的唇侧的隔板所影响，这种隔板很容易变形。

这种结构使得用了如图42.20所示的E和F简图指导下的空气弹簧载荷-变形曲线有较大的变化范围，以控制隔板的假定型式以及由它影响的区域，这也是因为其内部组成的变动和外部息息相关。

例如如图42.22所示的细长的卷曲波纹管，已经被用于卡车和长途客车上，其上带有用于处理驱动和制动力、力矩的半径杆和横向位置的横拉杆。

42.18可调与自适应悬架

当实用钢制扭杆弹簧是，一些调整悬架固定高度的方法是需要的。

这是因为，由于活动端杆臂和连接着的扭力杆的乘法效应，即使是配件两端对角关系之间微小的工差也能造成车辆姿态的明显不同。

此外，它通常很难保持端部之间对角关系紧密的公差，尤其是当杆受到过应力或者被铰接时，这就不能增加它的疲劳强度了。

这种调节装置通常是一个针对闩支撑的静态端短杆的螺丝锁止机构。

这一原则还变化出了其他形式，比如在使用蜗杆蜗轮传动时，扭杆静态端的车轮主轴上的蜗杆可以在驾驶员旋转，即使坐在车上的时候。

鉴于螺旋式的调整是为生产线上的初始设置而设立的，所以汽车在被使用的时候只被很少的使用，蜗轮蜗杆或者其他的器械结构有时候被小型电动机所驱动，这些小型电机也被用来调整前后的平衡，以适合载荷分配的不同，例如，当携带沉重的行李启动时。

然而这样的手动调节系统供给是不常见的，自调节才是空气悬架的标杆。

空气悬架的自动调节系统有两种明显不同的种类。

一种是雪铁龙定义的，如图42.22所示，一个发动机驱动的液压泵提供增压液体到蓄电池，而后通过调平阀联合空气弹簧和支撑阻尼器单元。

这是常质量系统，封闭在里面的空气或是惰性气体的气体的质量是不变的。

原理的说明由图解来表示，但是大大简化了，在图42.24中，液压蓄电池被省略了，一个浮动活塞P被描绘出来而不是雪铁龙系统的柔性隔板，液压阻尼系统被从O室中省略掉.常质量气体A在浮动活塞上被压缩。

O室存在于依附在车轴上的浮动活塞P和活塞b之间，里面装的是油体O，油体随着活塞b和活塞P上下移动，空气被相应的压缩或膨胀。

如果载荷增加，以致固定在车体B上的零件C向下移动，阀门V开启接口D，因此油体从E泵中流向O空间中。

P活塞和机体C还有车体因此向上移动，这个过程持续到接口D关闭为止。

类似的，如果负载减小，接口F会打开，油体从O空间中流出直到接口F关闭为止。

所以悬架的基本驾驶高度可以维持不变。

这个自调节作用是阻尼变化的，因此由于路面不平度而造成车身与车轴之间的运动不会影响到驾驶高度的基本设置。

第二种自调节系统是恒体积类的，如图42.25.在这种悬架中，为了驾驶高度的调节，A空间内的体积必须保持恒定，空气泵入A中或者从A中释放，因此改变了其中的气体的质量。

如果车辆的承载的负载增加了，阀芯V打开接口D，空气因此能储室E传递通过F线路进入到A空间，直到恢复适当的驾驶高度。

储室不断充入空气，由一台压力机提供动力，通过止回阀R输入。

如果承载的负载减少了，阀芯V会下降，直到线路F通过阀芯的腰部与外界相连。

由于这样的系统需要一台压力机，所以它们几乎专门用在配备空气悬架的商用车上，对这些车辆来说，由于制动系统的的需要，压力机是任何情况下都必须的。

为了避免过量的空气消耗，M处引进了一个缓冲器来防止由于车轮滚过路面导致的悬架突然地偏转而引起的阀芯V快速的运动，但允许长期的驾驶高度调节以适应负载的变化。

这种缓冲器的引进当然使得某些弹性连接的介入成为必须，比如在S上的，或者可能像一个发夹弹簧-所以，假如车轴上升或者下降的很快，弹簧会远离阀芯而偏转，只按照缓冲器所允许的速度来运动。

42.19相互连接的悬架系统

一辆四轮车辆悬架前后轴或车轮通常是完全相互独立的，但有时它们连接在一起，然后悬挂系统就成了所谓的相互关联式的，补偿式的或平衡式的。

所涉及的原理如图42.26，C杆连接着前后的弹簧。

如果车身D假定向上向下运动以保持和地面平行，杠杆没有影响，这一性质的振动的固有频率（这通常被称为反弹）就和没有杠杆一样，其频率主要取决于弹簧的刚度。

但是如果假定车身关于O轴振动，这种类型的振动频率（又叫做音调）将主要取决于弹簧B，通过让他们相对于A柔软些，音调的固有频率可以被制造得很低，同时又保证反弹得固有频率处在合理的高度。

这也是互连式悬架主要的诉求。

有一种等效的布置在实际中更加容易实施，雪铁龙有几款车就运用这如图42.27所示的这种布置形式。

另外一种布置如图42.28所示，其中弹簧B放置在车身和车轴之间，只有弹簧A被C杆连接。

这和之前的布置有着同样类型的影响，但是现在反弹频率主要取决于弹簧B的刚度和弹簧A上的基音频率。

卡帕得公司已经用了一种利用这种原理的悬架系统，它带有扭杆弹簧。

一篇关于互连悬架系统理论的文章将在汽车工程师的第47卷第一篇发表。

42.20互连式空气与液体悬架

如果实际的弹簧单元是合适的类型的话，空气弹簧的互连会是简单的问题。

至关重要的是，它们应该给负重轮一个向上运动的弹簧力的增量，即使这个单元的空气压力保持恒定。

这可以从图42.29（a）和（b）的图解中看出来。

首先空气弹簧单元以简单的圆柱形式出现，压力作用下活塞或隔膜上的有效面积保持恒定，因为车轮的上升或下降和车身相关。

因此，假定这两种空气弹簧单元的尺寸相同，由此可见，当它们互连时，它们内部的压力会相等，以它们产生的作用力P的形式体现。

因此产生的垂直负载就等于2P=W，作用在车轮间的中点处。

为了获得平衡，车身重心必须始终位于中点处，这显然是不可能的。

任何中心的轻微偏移将导致空气单元向上移动到它的上极限位置，另外一个则到下极限位置。

然而，在隔膜（b）中，随着负重轮向上移动，空气单元就会显示出隔膜有效面积会增加。

因此在所示位置左侧单元的有效面积大约是πD2 /4，右侧单元πD2/ 4，由于这两个单元的压力相同，P2大于P1。

由于重心的任何移位都将会引起一个空气单元的上移，由此增大其带来的力，而另外一个单元将下移，由此减小其带来的力，当这些大小不相等的力沿着同一直线以车身重量的形式作用时，将会达到平衡，此时系统也将是是稳定的。

如果这些单元的面积不相等，那么关于它的争论是同样有效的，重心也不再位于中点上了。

如（b）所显示的一个系统如果充满了液体而不是空气的话将会是有效的，但那样的话它就会成为一个很硬的的悬架，因为液体只能轻微压缩。

不过这个系统的有效刚度可以调整到一个合适值，只要我们是这个系统的某些部分具有弹性。

如图所示，A代表一个柔性容器或者储室，它的容量可以随着内部压力的改变而相应的改变。

另外，这个储室可以是刚性的，不过要装有弹簧活塞或隔膜或者是能包含可压缩材料。

通过将合适的阀门放置在与一个互连流体系统连接的管道上，我们可以获得足够的阻尼，以消除设置单独阻尼器的的必要性。

42.21BL液压平衡悬挂系统

系统里面的弹性元件是用以压缩和剪切的橡胶，通过流体互连，系统就是用这些流体填充的。

这种结构的一般形式如图42.30所示，它展示了BL迷你汽车的一种前轮单元。

它被用在近乎垂直的位置，但是在BL1800上，一个相似的单元却被用在水平位置上，它的车轴横向于车辆中心线，后轮单元处的位置再次近乎水平，但平行于中心线。

A的阀杆依附于一根杆上，这根杆的支点在下端，与双横臂悬架在一个点上连接，与横臂的中心点相当接近，以便阀杆的运动只有轮运动的五分之一。

轮上的负载由作用在隔膜B上表面的压力所支撑。

这由两种橡胶组成，其中一种提供所需的强度，另外一种则用来密封液体。

它通过钢珠C和钢珠D被钢筋化。

活塞部件E和裙部F相连，提供对隔膜的支撑，并帮助提供所需的弹簧特性。

G室的液体能够随时进入H室，通过在部件J上提供的放气孔来实现，J部件将两个室分开。

泵阀组件K，L也可以提供额外的通道。

因此当H内的压力升高到超过G的时候，被弹簧M加载的橡胶皮瓣阀K将向下打开，由此让液体经过N洞。

相似的阀L与K成直角，它会让液体从G流向H。

这些阀通过手指和弹簧M和P的整合来防止转出位，M和P向下弯曲（如我们在P中看到的）来接合孔N。

H室的液体作用与弹性元件Q的下部，通过R管被传输到车辆同一侧的另外一个轮胎单元。

橡胶Q粘接在滤罐S的外面，滤罐被固定在车身结构和其内部罐部件T上。

裙部F，隔膜B，部件J和滤罐S都是通过我们看到的金属部件滚动的边缘来保护的。

42.22莫尔顿油气悬挂

如图42.31所示的莫尔顿油气减振器悬架取代了用于BL汽车模型上的液力弹性系统。

此外，自从1977年九月以来，它的用处不再被限制，因为当初的约定仅仅是这辆车的生产商做出的。

现在，恒定体积的氮气已经代替了液力弹簧中的橡胶弹簧。

如图42.32所示的弹簧单元是由邓禄普专门为莫尔顿发展公司制造的。

它包括制作冲压钢容器，分为三室，一个叠着一个。

最上面的腔室，在这个单元的半球形顶部，其中含有氮气，它被一个橡胶隔膜将它与它下面的中间室分开了，中间室充满液压流体—溶有防冻剂和防腐剂的水。

中间室的下面是第三室，也是充满了液压油，此室的下端也由隔膜来封闭。

在隔膜的下面支撑着由悬架引起上下运动的锥形活塞。

下面的两个腔室的连接通道包含减振器阀。

从图中可以看出，当活塞上升，迫使流体从下室经过弹性回跳阀块，它们被固定在阀板上，经过板上每一侧的空洞，因此让弹性提升了，或者是经过泵，阀块流进中间室，在中间室内，它们作用在上方的柔性隔膜上，从而把气体压缩到顶部的室中。

在复原行程中，流向反转，允许上端的减振器阀块关闭以使下面的打开。

这两个阀块的尺寸和形状确定他们所要覆盖的和暴露的孔，这种布置是为了让回弹行程的阻尼大于压缩行程的阻尼。

这样的弹簧单元应用在阿勒格罗后悬的情况如42.33所示。

在液压平衡悬架和油气悬架中，弹性率随偏转而增加。

这种上升率可以从几种途径获得：

第一，在油气系统中，通过与隔膜相连的活塞面积的逐渐增加；第二，在液压平衡系统中，随着在橡胶弹簧上从剪切到到压缩的载荷而逐渐变迁；第三，通过杠杆系统的几何形状，那就是悬架——驱动活塞；最后，系统中轴橡胶衬套的扭转特性。

伴随着油气弹簧，前轮互连被制造在两个低室各自的单元之间。

42.23奥斯丁迷你麦德龙悬架

图42.34所示的麦德龙悬挂，是一种改进的油气系统。

四个车轮都有气体弹簧，但是，由于短轴距和潜在较大的前–后的重量分布差异，前部和后部的弹簧是不连接的。

这同时避免了汽车在一下两种情况下的高频俯仰，即稍稍满载时和后部装有重量大的行李引起尾部朝下姿势的时候。

在这辆迷你中，一对不等长的横向推力杆系统用在前面，一个纵向推力杆通过一个推杆作用在每个后轮气体弹簧上，杠杆比率为5：

1.

如果车里只有一个司机的话，总负荷中比例最高的要数发动机和副车架上的悬架组件了。

为了提供足够的阻尼控制，在车辆的结构之间安装了伸缩式液压阻尼器，前悬和发动机都安装了，前油气单元并没有阻尼阀。

另一方面，如42.22小节所描述，后油气弹簧是内置阻尼。

这就避免需要单独的减振器以及随之而来进入负载空间上面的垂直方向上的干涉。

弹簧被水平安装在U形副车架之内。

为了减少从空载到满载状态下悬架的动挠度，后侧的气体弹簧通过与推杆同轴的螺旋弹簧进行了预加载。

这就限制了气体弹簧载荷—挠度曲线顶部的活动范围，在那里，曲线的斜率会变陡。

汽车前轮姿态的设置是通过向后侧弹簧充入适量的液体来完成的。

这些弹簧是横向互连的，所以为其提供了一个单独的充液连接。

另外一方面，由于没有前轮互连，也就是因为前轮弹簧之间没有横向互连的，前轮弹簧还得一个个的进行充液。

由于前轮弹簧独自运动，而且安装了防侧倾杆，所有的的侧倾倾向都在前部发生，而互连后悬架的后端直到侧倾的作用波及到后悬架之前都允许自由的跳动。

这种布置就和三条腿的凳子的原理是差不多的，好处就是所有凳腿在任何时间都是紧紧的扎在地面上的，不管地面是水平的，扁平的还是不平的。

因此，四个车轮之间的附着力一直都是平衡的，这样的话，抓地力就会处于良好的状态了。