半掛車空氣懸掛與板簧式懸掛混裝匹配設計

陳智全 沈華林 陳林娣

佛山市永力泰車軸有限公司 廣東佛山 528000

半掛車空氣懸掛與板簧式懸掛混裝匹配設計

陳智全 沈華林 陳林娣

佛山市永力泰車軸有限公司 廣東佛山 528000

針對多軸半掛車混裝懸掛間相互匹配問題，介紹了混合懸掛結構匹配和載荷調節系統，保證了混合懸掛各車軸軸荷的合理分配，能夠滿足車輛行駛過程中各種工況的要求，同時有效降低了車輛的油耗，并減少了輪胎磨損。

空氣懸掛 板簧式懸掛 混合懸掛 感載閥 載荷調節系統

1 前言

多軸半掛車在日常的汽車運輸作業中，經常提升其中一軸行駛，這種滿載時全部車軸承載，輕載或空載時部分車軸承載的形式，能夠有效降低車輛油耗，并減少輪胎磨損。

目前多軸半掛車一般采用帶提升全空氣懸掛或帶提升全板簧式懸掛，帶提升全空氣懸掛的造價較高，經濟性較差；而帶提升全板簧式懸掛的結構復雜且可靠性較差，在半掛車上幾乎沒有應用推廣。為同時滿足經濟性和可靠性的要求，國外部分企業提出采用空氣懸掛與板簧式懸掛混裝的混合懸掛解決方案，如圖1所示。混合懸掛是指在同一輛半掛車上同時裝配空氣懸掛和板簧式懸掛，以三軸車為例，第一軸采用帶提升空氣懸掛，后兩軸采用板簧式懸掛。混合懸掛相對于全空氣懸掛來說，整車生產成本低，同時能夠實現部分車軸提升。本文將重點討論混合懸掛配置中，兩種不同懸掛間的匹配問題。

2 匹配方案

在混合懸掛配置方案中，板簧式懸掛在車輛載荷變化時鋼板彈簧的形變會引起車身高度變化，但由于空氣懸掛與板簧式懸掛在機構上相對獨立，板簧式懸掛的變化在結構上無法將車軸載荷情況反饋給空氣懸掛，可能會導致安裝空氣懸掛的某一軸出現載荷偏低或偏高的情況，使得輪胎出現嚴重磨損、車軸及懸掛零部件壽命減少等問題，影響整車的使用性能。因此，空氣懸掛安裝高度的設計需考慮板簧式懸掛板簧變形的因素，并采用載荷調節系統將板簧式懸掛的板簧變形反饋給空氣懸掛，使空氣懸掛能夠及時有效地響應板簧式懸掛的變化，同時調整各軸間的載荷分布，避免不良情況的發生。

2.1 安裝高度匹配設計

空氣懸掛在設計時，必須合理地預留車軸的上下擺動空間，使車輛在行駛過程中能夠適應不平路面。采用混合懸掛配置的半掛車一般是為了實現空載或輕載時提升部分車軸，當車輛載荷接近或超過非提升軸額定載荷時才會放下，空氣懸掛安裝高度的設計需與板簧式懸掛滿載時的高度一致，避免由于下擺空間不足引起空氣彈簧損壞或上擺空間不足引起不合理的沖擊致使車架過早疲勞損壞。

下面以13 t懸掛為例，計算板簧懸掛滿載時板簧的變形量S∶

式中，F1為滿載時懸掛的簧上載荷，F1=127 400 N；C為板簧式懸掛單邊板簧的剛度，C=2 280 N/mm。

計算得到：S=27.9 mm。

計算空氣懸掛安裝高度H2：

式中，H1為板簧懸掛空載時的安裝高度，取H1=440 mm。

計算得到：H2≈412 mm。

2.2 載荷調節系統組成及工作原理

2.2.1 載荷調節系統組成

隨著車輛載荷的增加，板簧懸掛的板簧變形量會隨之增大，并導致車身高度降低，而空氣懸掛輸出的載荷取決于進入空氣彈簧的壓縮空氣的壓力大小。因此可以通過帶感載閥的載荷調節系統將鋼板彈簧的變形量反饋給空氣懸掛，其方案組成如圖2所示。

2.2.2 感載閥工作原理

感載閥作為載荷調節系統的主要控制元件，其功能是通過改變擺桿和初始位置的夾角調節輸出口的輸出壓力。以某品牌感載閥為例，感載閥安裝在車架上，通過擺桿及導向桿與車軸相連。空載時，車軸與閥的距離最大，擺桿處于最低位置，其與初始位置的夾角最小，輸出口輸出的壓力最小。隨著車輛載荷的增加，車身降低，此距離縮小，擺桿從空載向滿載位置方向移動，夾角增大，受擺桿控制的凸輪帶動挺桿上升到相應的負載位置，從而改變輸出口2輸出的氣壓值。

2.2.3 載荷調節系統工作原理

載荷調節系統工作時，感載閥安裝于臨近空氣懸掛的車軸上，感載閥的輸出口與空氣懸掛的空氣彈簧進氣口相連接。提升閥處于如圖2所示的狀態時，空氣懸掛處于工作狀態；車輛的載荷改變時，鋼板彈簧的變形會改變車身高度，車軸與感載閥之間的相對位置也會發生相應變化，此時連接在車軸上的導向桿會根據車軸的位置，改變感載閥閥桿與初始位置的相對夾角，使壓縮空氣按照此時感載閥擺桿角度設定的比例值進入承載氣囊中，使空氣懸掛輸出與板簧式懸掛相對應的軸荷。

當換向閥拉桿向外拉時，空氣懸掛處于提升狀態，壓縮空氣通過換向閥進入提升氣囊，此時感載閥的控制口與大氣相通，進氣口關閉，排氣口打開，承載氣囊中的壓縮空氣通過排氣閥向外排氣，實現空氣懸掛的提升。

2.3 載荷調節控制

空氣懸掛輸出的載荷由感載閥輸出口的壓力決定，載荷調節控制的關鍵在于如何準確地設定感載閥的初始輸出壓力和擺桿工作長度，使其輸出壓力隨板簧式懸掛板簧的形變作相應的線性變化，相互匹配。

2.3.1 空氣彈簧工作壓力計算

空氣懸掛在掛車上的受力情況如圖4所示，車輛滿載時每個氣囊輸出的載荷：

式中，i為空氣懸掛空氣彈簧與前支架的受力杠桿比，i=L1/L2，L1=500 mm，L2=880 mm，i=0.568。

計算得到，F2=36 181.6 N。

以某品牌空氣彈簧為例，計算車輛滿載時空氣彈簧需要的壓力。選定的空氣彈簧的力學特性如圖5所示，根據滿載時空氣彈簧的載荷F2和使用安裝高度h1，在空氣彈簧特性曲線上取坐標點a(h1，F2) 。在與坐標點a最接近的曲線100 Psig上取點b(h2，F3)，近似計算空氣彈簧的有效面積：

式中，P2為點b所在曲線對應的氣壓值，P2=100 Psig=0.689 MPa；F3為點b所對應的輸出載荷, F3≈39 020.7 N。

計算得到，A≈5 663.4 mm。

滿載時空氣彈簧的工作壓力：

取空載時每根車軸軸荷為F3=17 640 N，按照上述步驟計算出車輛空載時空氣彈簧的工作壓力：P3≈0.311 MPa。

2.3.2 感載閥擺桿初始位置和擺桿控制長度設置

以某品牌感載閥為例，其壓力調節特性曲線如圖6所示，工作行程為0～30°，感載閥工作時，其擺桿角度和長度如圖7所示。當控制氣壓與輸入氣壓不變時，輸出的氣壓與感載閥閥桿的工作夾角呈線性關系，在輸出曲線上任意取兩點A(x1，y1) ，B(x2，y2)，計算斜線的斜率：

式中，x1=0.13 MPa，x2=0.75 MPa，y1=0°，y2=30°

計算得到，k≈0.020 7。

感載閥的輸出壓力：

式中，P0為感載閥最低輸出氣壓，P0=0.13 MPa；α為感載閥閥桿工作夾角。

將P1，P3分別代入上式計算出空氣懸掛空載和滿載時的工作角度分別為α1≈24.59°，α2≈8.74°。

感載閥的擺桿的長度：

式中，S為車輛空載至滿載時板簧的變形量，S=27.9 mm。

計算得到，L≈101.2 mm。

3 結語

在運輸車上采用空氣懸掛和板簧式懸掛混裝的混合懸掛方案，在造價較低的條件下，能夠實現空載或輕載時部分車軸提升的功能，降低車輛油耗和輪胎磨損，降低車輛運營成本，同時可減少汽車尾氣的排放，響應國家節能減排的要求。目前該混合懸掛方案在東南亞地區的多款運輸車上得到成功的應用，反饋良好，給用戶帶來較好的經濟效益。

Matching Design of Air Suspension of Mixing Semi-trailer and Mechanical Suspension Together

CHEN Zhi-quan et al

According to the situation that axle lifting equipment is used in semi-trailer's suspension parts, this proposal put forward a project, which mixed air suspension and mechanical suspension together. This proposal also researched the structure and load control system of the mixed suspension, realize axle load can be distributed equitably, satisfy all the demands when driving, as well as efficiently reduce fuel consumption and tyre abrasion.

air suspension; mechanical suspension; mixed suspension; load sensing valve; load control system

U469.6+1.02

A

1004-0226(2015)06-0096-04

陳智全，男，1985年生，助理工程師，現從事半掛車懸掛開發設計工作。

2015-04-08