用于工程車(chē)輛的油氣彈簧懸架的研究綜述

提艷*，熊新，李高戰(zhàn)，吳紀(jì)軍，鄭竹安，陳洋

（鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

用于工程車(chē)輛的油氣彈簧懸架的研究綜述

提艷*，熊新，李高戰(zhàn)，吳紀(jì)軍，鄭竹安，陳洋

（鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

油氣彈簧懸架在工程車(chē)輛中已經(jīng)廣泛應(yīng)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(xué)模型；結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究，綜述了用于工程車(chē)輛的油氣彈簧懸架的的結(jié)構(gòu)形式和特征，并對(duì)今后的研究工作進(jìn)行了初步探討。

工程車(chē)輛；懸架系統(tǒng)；油氣彈簧；工作原理

引言

現(xiàn)代汽車(chē)的懸架盡管有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但是一般都是由彈性元件、減振器和導(dǎo)向元件能組成。隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的性能要求越來(lái)越高，根據(jù)路面行駛狀況和運(yùn)行狀態(tài)能夠?qū)ζ?chē)懸架進(jìn)行調(diào)整的智能懸架越來(lái)越受到學(xué)者和專(zhuān)家的關(guān)注?？諝鈴椈蓱壹芫哂斜容^理想的剛度特性；半主動(dòng)懸架的阻尼能夠根據(jù)路面激勵(lì)調(diào)整減振器阻尼，衰減懸架的振動(dòng)；主動(dòng)懸架通過(guò)傳感器接收路面激勵(lì)，利用液力或氣力以控制懸架的制動(dòng)。對(duì)于上述這些只能懸架系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本高，特別是主動(dòng)懸架還需要消耗能量，導(dǎo)致成本增加。而油氣彈簧懸架是懸架技術(shù)的新型產(chǎn)物，它在傳統(tǒng)懸架技術(shù)基礎(chǔ)上添加了液壓傳動(dòng)控制技術(shù)。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(chē)輛在工作復(fù)雜和惡劣路況上正常行駛，使車(chē)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(chē)輛行駛平順性，國(guó)外小客車(chē)、載重卡車(chē)及工程機(jī)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(chē)上用的更為普遍[2]。由于空載和滿(mǎn)載載荷變化幅度大，車(chē)身高度變化較大，此時(shí)如裝有能隨載荷變化可自動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)身高度的油氣懸架則可獲得理想的彈性特性而使車(chē)輛具有良好的平順性，從而改善駕駛員的勞動(dòng)條件，提高車(chē)輛的平均行駛速度和車(chē)輛的運(yùn)輸生產(chǎn)率[3]。對(duì)牽引型工程機(jī)械來(lái)說(shuō)，由于它本身工作的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)會(huì)很復(fù)雜。

1.1 油氣彈簧懸架的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，單氣室油氣彈簧為筒式結(jié)構(gòu)，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(fù)運(yùn)動(dòng)，浮動(dòng)活塞在活塞桿內(nèi)可以做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 單氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 油氣彈簧懸架剛度數(shù)學(xué)模型

由上述油氣彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)活塞桿橫截面積為 S，當(dāng)油氣彈簧未受到外界壓力時(shí)，處于靜平衡狀態(tài)，此時(shí)充氣前后油氣彈簧長(zhǎng)度變化設(shè)為L(zhǎng)，則初始?xì)怏w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(dāng)油氣彈簧受到外界壓力，活塞移動(dòng)a時(shí)，動(dòng)力缸的氣體體積為V

當(dāng)活塞的移動(dòng)位移為a時(shí)，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(guān)系

1.3 油氣彈簧懸架阻尼數(shù)學(xué)模型

當(dāng)活塞—活塞桿組件復(fù)原運(yùn)動(dòng)時(shí)，單向閥關(guān)閉，此時(shí)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(guān)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(shè)環(huán)形腔面積為A，單位m2，活塞桿與缸筒相對(duì)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(guān)資料可知阻尼力公式為

將式(7)、(8)、(9)代入式(10)得

當(dāng)活塞—活塞桿組件做壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，單向閥開(kāi)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(guān)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(shù)發(fā)展

2.1 油氣彈簧懸架的結(jié)構(gòu)形式

普通機(jī)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(jié)構(gòu)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(diǎn)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)，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(diǎn)是在伸張過(guò)程中伸長(zhǎng)量與剛度成反比；這一特性會(huì)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(jìn)一步發(fā)展，它完善了單氣室的缺點(diǎn)。如圖3所示。其特點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上設(shè)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(dòng)活塞，減小軸向長(zhǎng)度，令空載時(shí)的剛度增大。

圖3 雙氣室原理圖

要保證懸架的振動(dòng)頻率在任意情況下（空載和滿(mǎn)載）都有較低的水平，則要增大布置結(jié)構(gòu)，這會(huì)使車(chē)身空間布局難度增加。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，油氣懸架研究者研究出一種兩級(jí)壓力式油氣彈簧。如圖4所示，相對(duì)單氣室和雙氣室而言，兩級(jí)壓力式油氣彈簧由主氣室和補(bǔ)償氣室通過(guò)并聯(lián)連通在一起，主要由工作活塞、一級(jí)壓力缸、二級(jí)壓力缸等組成。由于補(bǔ)償氣室壓力大于主氣室，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，由主氣缸壓力先調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載增加到一定程度時(shí)補(bǔ)償氣室開(kāi)始工作。若負(fù)載壓力大于主氣缸和補(bǔ)償氣缸氣壓時(shí)，兩者協(xié)同工作。

圖4 兩級(jí)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(lèi)懸架比較，具有的優(yōu)點(diǎn)：1）非線性剛度；2）非線性阻尼；3）車(chē)身高度自由調(diào)節(jié)；4）剛性閉鎖；5）改善車(chē)輛運(yùn)動(dòng)性能；6）單位儲(chǔ)能比大。

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

3 總結(jié)

因?yàn)樽握駝?dòng)情況比較復(fù)雜，對(duì)座椅減振系統(tǒng)的研究大多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或仿真得到具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅周期長(zhǎng)，而且研發(fā)成本增加。根據(jù)查閱相關(guān)材料初步對(duì)對(duì)座椅減振系統(tǒng)的油氣彈簧進(jìn)行研究：

1）建立工程車(chē)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(xué)模型；

2）利用數(shù)學(xué)計(jì)算，得到油氣彈簧減振系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的解析解；

3）通過(guò)仿真軟件分析油氣彈簧參數(shù)對(duì)座椅性能影響，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；

4）利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建座椅油氣彈簧減振系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

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

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[9] 王洪藝. 車(chē)用油氣彈簧的設(shè)計(jì), 仿真與分析[D]. 長(zhǎng)春理工大學(xué), 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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-15-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.006

提艷，女，鹽城工學(xué)院，助教，主要研究方向汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)，汽車(chē)平順性研究等。熊新，男，鹽城工學(xué)院，副教授，主要研究方向汽車(chē)電器與電子技術(shù)、汽車(chē)液壓與控制及汽車(chē)振動(dòng)分析等。鄭竹安，男，鹽城工學(xué)院，講師，主要研究方向新能源汽車(chē)技術(shù)及汽車(chē)底盤(pán)集成控制技術(shù)研究。