半挂车空气悬挂与板簧式悬挂混装匹配设计

陈智全 沈华林 陈林娣

佛山市永力泰车轴有限公司 广东佛山 528000

半挂车空气悬挂与板簧式悬挂混装匹配设计

陈智全 沈华林 陈林娣

佛山市永力泰车轴有限公司 广东佛山 528000

针对多轴半挂车混装悬挂间相互匹配问题，介绍了混合悬挂结构匹配和载荷调节系统，保证了混合悬挂各车轴轴荷的合理分配，能够满足车辆行驶过程中各种工况的要求，同时有效降低了车辆的油耗，并减少了轮胎磨损。

空气悬挂 板簧式悬挂 混合悬挂 感载阀 载荷调节系统

1 前言

多轴半挂车在日常的汽车运输作业中，经常提升其中一轴行驶，这种满载时全部车轴承载，轻载或空载时部分车轴承载的形式，能够有效降低车辆油耗，并减少轮胎磨损。

目前多轴半挂车一般采用带提升全空气悬挂或带提升全板簧式悬挂，带提升全空气悬挂的造价较高，经济性较差；而带提升全板簧式悬挂的结构复杂且可靠性较差，在半挂车上几乎没有应用推广。为同时满足经济性和可靠性的要求，国外部分企业提出采用空气悬挂与板簧式悬挂混装的混合悬挂解决方案，如图1所示。混合悬挂是指在同一辆半挂车上同时装配空气悬挂和板簧式悬挂，以三轴车为例，第一轴采用带提升空气悬挂，后两轴采用板簧式悬挂。混合悬挂相对于全空气悬挂来说，整车生产成本低，同时能够实现部分车轴提升。本文将重点讨论混合悬挂配置中，两种不同悬挂间的匹配问题。

2 匹配方案

在混合悬挂配置方案中，板簧式悬挂在车辆载荷变化时钢板弹簧的形变会引起车身高度变化，但由于空气悬挂与板簧式悬挂在机构上相对独立，板簧式悬挂的变化在结构上无法将车轴载荷情况反馈给空气悬挂，可能会导致安装空气悬挂的某一轴出现载荷偏低或偏高的情况，使得轮胎出现严重磨损、车轴及悬挂零部件寿命减少等问题，影响整车的使用性能。因此，空气悬挂安装高度的设计需考虑板簧式悬挂板簧变形的因素，并采用载荷调节系统将板簧式悬挂的板簧变形反馈给空气悬挂，使空气悬挂能够及时有效地响应板簧式悬挂的变化，同时调整各轴间的载荷分布，避免不良情况的发生。

2.1 安装高度匹配设计

空气悬挂在设计时，必须合理地预留车轴的上下摆动空间，使车辆在行驶过程中能够适应不平路面。采用混合悬挂配置的半挂车一般是为了实现空载或轻载时提升部分车轴，当车辆载荷接近或超过非提升轴额定载荷时才会放下，空气悬挂安装高度的设计需与板簧式悬挂满载时的高度一致，避免由于下摆空间不足引起空气弹簧损坏或上摆空间不足引起不合理的冲击致使车架过早疲劳损坏。

下面以13 t悬挂为例，计算板簧悬挂满载时板簧的变形量S∶

式中，F1为满载时悬挂的簧上载荷，F1=127 400 N；C为板簧式悬挂单边板簧的刚度，C=2 280 N/mm。

计算得到：S=27.9 mm。

计算空气悬挂安装高度H2：

式中，H1为板簧悬挂空载时的安装高度，取H1=440 mm。

计算得到：H2≈412 mm。

2.2 载荷调节系统组成及工作原理

2.2.1 载荷调节系统组成

随着车辆载荷的增加，板簧悬挂的板簧变形量会随之增大，并导致车身高度降低，而空气悬挂输出的载荷取决于进入空气弹簧的压缩空气的压力大小。因此可以通过带感载阀的载荷调节系统将钢板弹簧的变形量反馈给空气悬挂，其方案组成如图2所示。

2.2.2 感载阀工作原理

感载阀作为载荷调节系统的主要控制元件，其功能是通过改变摆杆和初始位置的夹角调节输出口的输出压力。以某品牌感载阀为例，感载阀安装在车架上，通过摆杆及导向杆与车轴相连。空载时，车轴与阀的距离最大，摆杆处于最低位置，其与初始位置的夹角最小，输出口输出的压力最小。随着车辆载荷的增加，车身降低，此距离缩小，摆杆从空载向满载位置方向移动，夹角增大，受摆杆控制的凸轮带动挺杆上升到相应的负载位置，从而改变输出口2输出的气压值。

2.2.3 载荷调节系统工作原理

载荷调节系统工作时，感载阀安装于临近空气悬挂的车轴上，感载阀的输出口与空气悬挂的空气弹簧进气口相连接。提升阀处于如图2所示的状态时，空气悬挂处于工作状态；车辆的载荷改变时，钢板弹簧的变形会改变车身高度，车轴与感载阀之间的相对位置也会发生相应变化，此时连接在车轴上的导向杆会根据车轴的位置，改变感载阀阀杆与初始位置的相对夹角，使压缩空气按照此时感载阀摆杆角度设定的比例值进入承载气囊中，使空气悬挂输出与板簧式悬挂相对应的轴荷。

当换向阀拉杆向外拉时，空气悬挂处于提升状态，压缩空气通过换向阀进入提升气囊，此时感载阀的控制口与大气相通，进气口关闭，排气口打开，承载气囊中的压缩空气通过排气阀向外排气，实现空气悬挂的提升。

2.3 载荷调节控制

空气悬挂输出的载荷由感载阀输出口的压力决定，载荷调节控制的关键在于如何准确地设定感载阀的初始输出压力和摆杆工作长度，使其输出压力随板簧式悬挂板簧的形变作相应的线性变化，相互匹配。

2.3.1 空气弹簧工作压力计算

空气悬挂在挂车上的受力情况如图4所示，车辆满载时每个气囊输出的载荷：

式中，i为空气悬挂空气弹簧与前支架的受力杠杆比，i=L1/L2，L1=500 mm，L2=880 mm，i=0.568。

计算得到，F2=36 181.6 N。

以某品牌空气弹簧为例，计算车辆满载时空气弹簧需要的压力。选定的空气弹簧的力学特性如图5所示，根据满载时空气弹簧的载荷F2和使用安装高度h1，在空气弹簧特性曲线上取坐标点a(h1，F2) 。在与坐标点a最接近的曲线100 Psig上取点b(h2，F3)，近似计算空气弹簧的有效面积：

式中，P2为点b所在曲线对应的气压值，P2=100 Psig=0.689 MPa；F3为点b所对应的输出载荷, F3≈39 020.7 N。

计算得到，A≈5 663.4 mm。

满载时空气弹簧的工作压力：

取空载时每根车轴轴荷为F3=17 640 N，按照上述步骤计算出车辆空载时空气弹簧的工作压力：P3≈0.311 MPa。

2.3.2 感载阀摆杆初始位置和摆杆控制长度设置

以某品牌感载阀为例，其压力调节特性曲线如图6所示，工作行程为0～30°，感载阀工作时，其摆杆角度和长度如图7所示。当控制气压与输入气压不变时，输出的气压与感载阀阀杆的工作夹角呈线性关系，在输出曲线上任意取两点A(x1，y1) ，B(x2，y2)，计算斜线的斜率：

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

计算得到，k≈0.020 7。

感载阀的输出压力：

式中，P0为感载阀最低输出气压，P0=0.13 MPa；α为感载阀阀杆工作夹角。

将P1，P3分别代入上式计算出空气悬挂空载和满载时的工作角度分别为α1≈24.59°，α2≈8.74°。

感载阀的摆杆的长度：

式中，S为车辆空载至满载时板簧的变形量，S=27.9 mm。

计算得到，L≈101.2 mm。

3 结语

在运输车上采用空气悬挂和板簧式悬挂混装的混合悬挂方案，在造价较低的条件下，能够实现空载或轻载时部分车轴提升的功能，降低车辆油耗和轮胎磨损，降低车辆运营成本，同时可减少汽车尾气的排放，响应国家节能减排的要求。目前该混合悬挂方案在东南亚地区的多款运输车上得到成功的应用，反馈良好，给用户带来较好的经济效益。

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

陈智全，男，1985年生，助理工程师，现从事半挂车悬挂开发设计工作。

2015-04-08