張恩，劉勇，李治寶，范學(xué)瓊，劉洋，李廣耀

（1.三一集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

油氣彈簧因?yàn)橛休^大的儲(chǔ)能比，在重型汽車上應(yīng)用較多。經(jīng)典的平衡懸架形式是油氣分離式，懸架結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。油氣彈簧全部充滿液壓油，液壓油作為承載介質(zhì)，同時(shí)彈簧油氣彈簧內(nèi)部設(shè)計(jì)有阻尼孔及單向閥，集成減振器的功能，蓄能器氣體腔充滿氮?dú)?，通過氣體壓縮來吸收路面沖擊，上下推力桿及橫推力桿實(shí)現(xiàn)車橋?qū)颉?/p>

在懸架設(shè)計(jì)時(shí)，通常以滿載狀態(tài)的軸荷參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入，同時(shí)兼顧空載狀態(tài)車身高度等作為邊界限定條件。空載狀態(tài)和滿載狀態(tài)軸荷差異非常大，一般差異可達(dá)到5 倍以上，這就導(dǎo)致空滿載狀態(tài)懸架油液壓力的差異也較大。以瞬時(shí)平衡狀態(tài)進(jìn)行研究，此時(shí)懸架油液壓力與蓄能器氣體壓力達(dá)到瞬時(shí)平衡，壓力相等。

圖1 油氣平衡懸架結(jié)構(gòu)簡圖

單極蓄能器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示，路面的沖擊使油腔油液壓力產(chǎn)生變化，進(jìn)而活塞移動(dòng)壓縮氣室氣體，吸收路面沖擊。

圖2 單極蓄能器結(jié)構(gòu)簡圖

若油氣平衡懸架蓄能器為常規(guī)單極蓄能器，由理想氣態(tài)方程可知：

式（1）中：

P1——滿載狀態(tài)蓄能器氣體壓力；

V1——滿載狀態(tài)蓄能器氣體體積；

P2——空載狀態(tài)蓄能器氣體壓力；

V2——空載狀態(tài)蓄能器氣體體積。

假設(shè)P1=5P2，則容易得出V2=5V1。例如某款重型汽車設(shè)計(jì)的滿載氣體容積為10L，因此空載狀態(tài)下蓄能器的氣體體積需要達(dá)到50L。在懸架設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)檐囕?、上裝等的限制，很難進(jìn)行如此大體積的蓄能器布置。

若蓄能器體積小于空載狀態(tài)的體積要求，為滿足滿載狀態(tài)懸架的承載，必然需要較大的充氣壓力，導(dǎo)致的結(jié)果就是空載狀態(tài)懸架液體壓力小于蓄能器氣體壓力，不能達(dá)到瞬時(shí)平衡，此時(shí)相當(dāng)于蓄能器氣體不能有效壓縮，不能吸收路面的沖擊載荷。對(duì)懸架系統(tǒng)來說，空載狀態(tài)相當(dāng)于缺少彈性減震功能。對(duì)于皮囊式蓄能器來說，空載狀態(tài)也容易擊穿皮囊，影響蓄能器的壽命。

因此，一種能同時(shí)兼顧滿載和空載狀態(tài)彈性力要求的雙級(jí)蓄能器，對(duì)油氣平衡懸架的設(shè)計(jì)布置優(yōu)化和性能改善就顯得尤為必要。

1 雙極蓄能器結(jié)構(gòu)原理

雙極蓄能器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3 所示：

圖3 雙極蓄能器結(jié)構(gòu)簡圖

雙極蓄能器的基本原理比較簡單，在單極蓄能器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)氣室，兩個(gè)氣室設(shè)定不同的氣體壓力，以滿足懸架的空載、滿載、極限狀態(tài)的承載減震需求，克服單極蓄能器不易兼顧兩種懸架狀態(tài)的缺點(diǎn)。

2 雙極蓄能器氣室壓力設(shè)定

雙極蓄能器高、低壓氣室壓力設(shè)定基本原則為：滿載狀態(tài)高壓氣室起作用，通過壓縮高壓氣室氣體來吸收路面沖擊；空載狀態(tài)低壓氣室起作用，通過壓縮高壓氣室氣體來吸收路面沖擊。

車輛空載、滿載、滿載極限沖擊狀態(tài)雙極蓄能器活塞位置如圖4 所示：

圖4 各懸架狀態(tài)活塞位置

高壓氣室氣體壓力為P1，低壓氣室氣體壓力為P2，為便于分析，油腔油液壓力用P3表示。在空載靜平衡狀態(tài)，兩活塞在圖4 所示位置，P1＞P2=P3；在滿載靜平衡狀態(tài)，兩活塞在圖4 所示位置，P1=P2=P3；在滿載極限沖擊狀態(tài)，兩活塞在圖4 所示位置，P1=P2＞P3，一般路況下，滿載極限沖擊載荷設(shè)定為2.5 倍的滿載載荷。

3 單極、雙極蓄能器壓力特性比較

圖5 是一種重型汽車油氣平衡懸架分別匹配單極蓄能器和雙極蓄能器時(shí)的蓄能器壓力曲線。

圖5 蓄能器壓力特性曲線

圖5 中，對(duì)雙極蓄能器來說，曲線分為兩段，滿載段以下的曲線為低壓氣室壓力特性曲線，滿載及滿載以上為高壓氣室壓力特性曲線。

按照?qǐng)D1 所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行懸架設(shè)計(jì)，蓄能器實(shí)際上就是整個(gè)懸架系統(tǒng)的彈性元件。以油氣懸架左側(cè)整體進(jìn)行分析，左側(cè)油氣彈簧受力F 與油液壓力P 有下列關(guān)系：

式（2）中：

S——左側(cè)兩個(gè)油氣彈簧活塞桿截面積和；

S 為定值，油液壓力與氣體壓力相等，所以左側(cè)油氣彈簧受力與蓄能器氣體壓力是線性關(guān)系。因液體不可壓縮，所以油氣彈簧活塞位移與蓄能器活塞位移的關(guān)系一定是線性的關(guān)系。通過上述分析，不難得出左側(cè)油氣彈簧承載力與油氣彈簧活塞位移的關(guān)系曲線與圖5 曲線是類似的，縱坐標(biāo)為油氣彈簧承載力，橫坐標(biāo)為油氣彈簧活塞位移。因此，懸架剛度就是曲線斜率。

從圖5 不難看出，單極蓄能器與雙極蓄能器相比較，單極蓄能器懸架滿載及以上懸架剛度比較大。

懸架剛度與頻率有如下關(guān)系：

式（3）中：

n——懸架頻率；

C——懸架彈簧剛度；

m——懸上質(zhì)量。

懸架設(shè)計(jì)從舒適性角度考慮，需要較小的頻率設(shè)計(jì)，一般貨車不超過1.8，越野車不超過2.2。根據(jù)式（3），剛度越小頻率也越小，所以定性的來講，雙極蓄能器滿載及以上懸架剛度較小，對(duì)應(yīng)的懸架頻率也較小，有利于從懸架頻率角度提升車輛舒適性。

另一方面，單極蓄能器從空載到滿載，再到極限，剛度差異非常大，根據(jù)式（3），頻率也會(huì)產(chǎn)生較大變化。車輛在空載狀態(tài)和滿載狀態(tài)頻率差異太大，會(huì)使駕駛員不適應(yīng)這種變化，容易產(chǎn)生暈車的情況，相對(duì)來說，雙極蓄能器相對(duì)來說變化就沒有單極蓄能器劇烈，駕駛舒適性也會(huì)提升很多。

4 雙極蓄能器油氣平衡懸架應(yīng)用前景

常規(guī)板簧平衡懸架中，板簧和平衡軸的重量占整個(gè)懸架重量一般超過70% ，油氣平衡懸架與常規(guī)板簧平衡懸架相比較，沒有板簧和平衡軸，而由于較大的儲(chǔ)能比，油氣彈簧和蓄能器重量較小，因此懸架在輕量化方面具有明顯優(yōu)勢。例如某款高速運(yùn)輸車輛，相較常規(guī)板簧平衡懸架，雙極蓄能器油氣平衡懸架重量可降低150kg 以上，降重非?？捎^。

目前，在商用車領(lǐng)域，車輛輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為趨勢。在法規(guī)嚴(yán)格控制車貨總重的情況下，誰的產(chǎn)品重量輕，意味著可以多拉更多的貨物，站在用戶的角度，意味著效益更高，站在車輛生產(chǎn)廠家的角度，意味著產(chǎn)品更具競爭力。

綜上分析，在商用車領(lǐng)域，雙極蓄能器油氣平衡懸架具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

本文主要研究了單雙極蓄能器的簡單結(jié)構(gòu)，油氣平衡懸架單、雙極蓄能器的懸架性能差異，并闡述了雙極蓄能器油氣平衡懸架的性能優(yōu)勢。經(jīng)過初步懸架方案設(shè)計(jì)和分析，雙極蓄能器油氣平衡懸架具有較大性能和重量優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景。