提艷*，熊新，李高戰(zhàn)，吳紀軍，鄭竹安，陳洋

（鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051）

用于工程車輛的油氣彈簧懸架的研究綜述

提艷*，熊新，李高戰(zhàn)，吳紀軍，鄭竹安，陳洋

（鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051）

油氣彈簧懸架在工程車輛中已經(jīng)廣泛應用。文章主要介紹了油氣彈簧懸架的發(fā)展現(xiàn)狀及其工作原理、數(shù)學模型；結合國內(nèi)外的研究，綜述了用于工程車輛的油氣彈簧懸架的的結構形式和特征，并對今后的研究工作進行了初步探討。

工程車輛；懸架系統(tǒng)；油氣彈簧；工作原理

引言

現(xiàn)代汽車的懸架盡管有各種不同的結構形式，但是一般都是由彈性元件、減振器和導向元件能組成。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車的性能要求越來越高，根據(jù)路面行駛狀況和運行狀態(tài)能夠?qū)ζ噾壹苓M行調(diào)整的智能懸架越來越受到學者和專家的關注?？諝鈴椈蓱壹芫哂斜容^理想的剛度特性；半主動懸架的阻尼能夠根據(jù)路面激勵調(diào)整減振器阻尼，衰減懸架的振動；主動懸架通過傳感器接收路面激勵，利用液力或氣力以控制懸架的制動。對于上述這些只能懸架系統(tǒng)不僅結構復雜，而且成本高，特別是主動懸架還需要消耗能量，導致成本增加。而油氣彈簧懸架是懸架技術的新型產(chǎn)物，它在傳統(tǒng)懸架技術基礎上添加了液壓傳動控制技術。油氣懸架系統(tǒng)優(yōu)越的非線性剛度特性和良好的減振性能保證大型工程車輛在工作復雜和惡劣路況上正常行駛，使車輛平順性得到很大的提高[1]。

1 油氣彈簧懸架的工作原理

為提高車輛行駛平順性，國外小客車、載重卡車及工程機械上早已采用了油氣懸架系統(tǒng)，特別在礦山自卸載重卡車上用的更為普遍[2]。由于空載和滿載載荷變化幅度大，車身高度變化較大，此時如裝有能隨載荷變化可自動調(diào)節(jié)車身高度的油氣懸架則可獲得理想的彈性特性而使車輛具有良好的平順性，從而改善駕駛員的勞動條件，提高車輛的平均行駛速度和車輛的運輸生產(chǎn)率[3]。對牽引型工程機械來說，由于它本身工作的特點，在行駛狀態(tài)需要有良好的彈性懸架以保證較高的平均行駛速度，而在作業(yè)狀態(tài)則希望將彈性懸架變成剛性懸架[4]。如采用一般的懸架，要將彈性懸架變成剛性懸架，其結構會很復雜。

1.1 油氣彈簧懸架的結構

如圖1所示，單氣室油氣彈簧為筒式結構，由活塞桿及其組件、缸體等部分組成。在缸體內(nèi)活塞桿及其組件做往復運動，浮動活塞在活塞桿內(nèi)可以做往復運動。

圖1 單氣室油氣彈簧結構簡圖

1.2 油氣彈簧懸架剛度數(shù)學模型

由上述油氣彈簧結構設活塞桿橫截面積為 S，當油氣彈簧未受到外界壓力時，處于靜平衡狀態(tài)，此時充氣前后油氣彈簧長度變化設為L，則初始氣體體積V0[5]

此刻，靜平衡壓力P0

式中，mg為油氣彈簧自身重量。

當油氣彈簧受到外界壓力，活塞移動a時，動力缸的氣體體積為V

當活塞的移動位移為a時，根據(jù)理想氣態(tài)方程得

其中，n是氣體多變指數(shù)。理論上一般在1-1.4范圍之間取值[6]。

由上述公式可知

油氣彈簧彈性力Fa與位移a之間的關系

1.3 油氣彈簧懸架阻尼數(shù)學模型

當活塞—活塞桿組件復原運動時，單向閥關閉，此時僅由阻尼孔的節(jié)流作用產(chǎn)生阻尼力[7]。

薄壁小孔節(jié)節(jié)流壓力和流量關系如下所示：

式中，Q為薄壁小孔流量，Cq為液壓油流量系數(shù)，Am為薄壁小孔橫截面積，ρ為液壓油密度。Δp為薄壁小孔兩端壓力差。

設環(huán)形腔面積為A，單位m2，活塞桿與缸筒相對速度為v，單位m/s。則薄壁小孔由環(huán)形腔流向活塞腔油液流量為：

由（7）變形可得

由相關資料可知阻尼力公式為

將式(7)、(8)、(9)代入式(10)得

當活塞—活塞桿組件做壓縮運動時，單向閥開啟，單向閥和阻尼孔共同產(chǎn)生阻尼力。

薄壁小孔節(jié)節(jié)流壓力和流量關系如下所示：

綜上所述可得

綜合上述所有公式，可得出系統(tǒng)阻尼力F[8]

2 油氣彈簧懸架的技術發(fā)展

2.1 油氣彈簧懸架的結構形式

普通機械式油氣彈簧的常用型式主要有單氣室型、雙氣室型和兩極壓力式等幾種型式[9]。

根據(jù)氣體是否與液體接觸的原則，單氣室結構形式又可分為分隔式與混合式，如圖2所示。單氣室油氣彈簧優(yōu)點不僅結構簡單，易加工，而且工作可靠，易維修。此外，油氣分隔式因油氣隔離分開，能最大效降地低油液乳化速度，且充氣方便。單氣室油氣彈簧缺點是在伸張過程中伸長量與剛度成反比；這一特性會造成活塞撞擊底部或彈簧拉脫的情況，縮短彈簧壽命。

雙氣室的油氣彈簧是基于單氣室油氣彈簧的進一步發(fā)展，它完善了單氣室的缺點。如圖3所示。其特點是在結構上設置了主氣室和反壓氣室，二者之間有油室通道，且反壓氣室內(nèi)有浮動活塞，減小軸向長度，令空載時的剛度增大。

圖3 雙氣室原理圖

要保證懸架的振動頻率在任意情況下（空載和滿載）都有較低的水平，則要增大布置結構，這會使車身空間布局難度增加。

為了克服這個問題，油氣懸架研究者研究出一種兩級壓力式油氣彈簧。如圖4所示，相對單氣室和雙氣室而言，兩級壓力式油氣彈簧由主氣室和補償氣室通過并聯(lián)連通在一起，主要由工作活塞、一級壓力缸、二級壓力缸等組成。由于補償氣室壓力大于主氣室，當負載較小時，由主氣缸壓力先調(diào)節(jié)，當負載增加到一定程度時補償氣室開始工作。若負載壓力大于主氣缸和補償氣缸氣壓時，兩者協(xié)同工作。

圖4 兩級壓力式原理圖

2.2 油氣彈簧懸架的特征

油氣彈簧懸架與其他種類懸架比較，具有的優(yōu)點：1）非線性剛度；2）非線性阻尼；3）車身高度自由調(diào)節(jié)；4）剛性閉鎖；5）改善車輛運動性能；6）單位儲能比大。

油氣彈簧懸架具有以上優(yōu)點的同時，也存在許多不足之處：（1）防護性差；（2）成本較高；（3）對零部件德加工精度要求高；（4）工作溫度范圍小。

3 總結

因為座椅振動情況比較復雜，對座椅減振系統(tǒng)的研究大多是根據(jù)實驗或仿真得到具體的設計參數(shù)，不僅周期長，而且研發(fā)成本增加。根據(jù)查閱相關材料初步對對座椅減振系統(tǒng)的油氣彈簧進行研究：

1）建立工程車輛油氣彈簧座椅減振系統(tǒng)物理模型；得到減振系統(tǒng)的數(shù)學模型；

2）利用數(shù)學計算，得到油氣彈簧減振系統(tǒng)相關參數(shù)的解析解；

3）通過仿真軟件分析油氣彈簧參數(shù)對座椅性能影響，進行優(yōu)化設計；

4）利用現(xiàn)有實驗設備搭建座椅油氣彈簧減振系統(tǒng)進行試驗驗證。

[1] 劉崢.SF32601 重型礦用自卸車性能分析與優(yōu)化[J]:湖南大學.長沙:湖南大學,2006,1-10.

[2] 蔡楊. 基于平順性的重型礦用自卸車油氣懸架系統(tǒng)分析及優(yōu)化[D]. 湖南大學, 2013.

[3] Aoyama Y, Kawabata K, Hasegawa S, et al. Development of the full active suspension by Nissan[R]. SAE Technical Paper.

[4] 秦也辰. 基于路面識別的車輛半主動懸架控制研究[D]. 北京理工大學, 2016.

[5] 1990.王洪藝. 車用油氣彈簧的設計, 仿真與分析[D]. 長春理工大學, 2014.

[6] 劉蘭濤. 基于車輛平順性的油氣彈簧參數(shù)優(yōu)化研究[D]. 北京理工大學, 2015.

[7] 仝軍令, 李威, 傅雙玲. 油氣彈簧主要參數(shù)對懸架系統(tǒng)性能的影響分析[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2008, 20(9): 2271-2274.

[8] 陳軼杰, 楊占華, 雷強順, 等. 油氣彈簧力學特性分析與試驗研究[J]. 兵工學報, 2009 (6): 792-796.

[9] 王洪藝. 車用油氣彈簧的設計, 仿真與分析[D]. 長春理工大學, 2014.

The research summarization of oil-gas spring suspension for engineering vehicles

Ti Yan, Xiong Xin, Li Gaozhan, Wu Jijun, Zheng Zhuan, Chen Yang
( YanCheng Insitute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051 )

Abstrct:The oil-gas spring suspension has been widely used in engineering vehicles. This paper mainly introduced the development of oil-gas spring suspension and its working principle, mathematical model; combining with the research at home and abroad, summarized the structure form and characteristics of the oil-gas spring for engineering vehicles suspension, and disscussed the research work in the future.

engineering vehicles; suspension system; oil-gas spring; working principle

CLC NO.: U463.33 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-15-03

U463.33 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-15-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.006

提艷，女，鹽城工學院，助教，主要研究方向汽車零部件設計，汽車平順性研究等。熊新，男，鹽城工學院，副教授，主要研究方向汽車電器與電子技術、汽車液壓與控制及汽車振動分析等。鄭竹安，男，鹽城工學院，講師，主要研究方向新能源汽車技術及汽車底盤集成控制技術研究。