客車油氣懸架系統(tǒng)的特性研究

□ 徐夢巖□ 馬文倫□ 萬義強□ 聶 維

1.中國北方車輛研究所 北京100072

2.一汽解放事業(yè)本部商用車開發(fā)院JC開發(fā)部 長春130011

目前，我國客車懸架通常采用的是空氣懸架系統(tǒng)，這類懸架系統(tǒng)工作壓力低，剛度小，車輛轉彎時車身側傾角偏大，在盤山路行駛時存在安全隱患?？烧{油氣懸架系統(tǒng)作為一種新型懸架，具有良好的非線性剛度和阻尼特性，因此能夠最大限度地滿足車輛行駛過程中對平順性及操作穩(wěn)定性的要求。油氣懸架系統(tǒng)是以惰性氣體作為彈性介質，以液壓油作為阻尼介質，集彈性元件與阻尼元件于一體的新型懸架裝置［1-3］。市場調研表明，可調油氣懸架即將替代空氣懸架，具有廣闊的應用前景。

1 單筒式油氣彈簧的結構

單筒式油氣彈簧主要由缸筒、活塞桿和活塞組件、單向閥等部件組成。整個懸架缸內形成兩個腔，即主油腔（C腔）和環(huán)形腔（D腔），如圖1所示。在車輛的自重載荷下，油氣懸架由于受到壓力作用而使氮氣處在壓縮狀態(tài)。當車輛受到路面激勵使油氣懸架工作時，活塞桿和活塞組件相對于缸筒作往復運動。當油氣懸架被壓縮時，氮氣起到減振作用，用于緩解地面?zhèn)鱽淼恼駝雍蜎_擊；當油氣懸架拉伸與壓縮時，液壓油經過阻尼孔和單向閥由主油腔流入環(huán)形腔，從而起到衰減車身振蕩的作用［4-5］。

▲圖1 單筒式油氣彈簧簡圖

2 互聯(lián)式油氣懸架的原理

同軸兩側連通式油氣懸架系統(tǒng)是由前后兩軸同軸的單筒式油氣彈簧通過高壓軟管相互連通而成，如圖2所示，蓄能器1和蓄能器2通過蓄能器二位三通閥連接，進油閥塊一端和蓄能器1（2）連接，另一端與油氣彈簧左（右）懸架缸的C（E）腔連接。左懸架缸中的C腔和右懸架缸中的F腔連通，左懸架缸中的D腔和右懸架缸中的E腔連通。左、右懸架缸中的C（E）腔和D（F）腔通過單向閥和阻尼孔連通。蓄能器中充入高壓氮氣，氮氣和油液之間通過氣囊分開，防止在高溫高壓下氣體溶解到油液中。懸架在壓縮過程中，單向閥和阻尼孔同時打開；在拉伸過程中，單向閥關閉，只有阻尼孔開啟。懸架在壓縮或拉伸過程中，油液從C（E）腔和D（F）腔流入或流出蓄能器1（2），使氣囊體積發(fā)生改變，從而增大或者減小蓄能器內油液的壓力，同時改變懸架系統(tǒng)的輸出力。

▲圖2 互聯(lián)式油氣懸架原理圖

3 油氣彈簧特性分析

3.1 彈簧力值計算

油氣彈簧在外部的激勵下，活塞桿和活塞與缸筒產生相對運動，其作用力包括氣體壓縮的彈性力、油液過孔的阻尼力。公式為：

式中：F為油氣彈簧輸出力；Fk為氣體彈性力；FC為油液阻尼力。

對于氣體彈性力、油液阻尼力的計算方法［6-7］，其氣體彈性力計算公式為：

式中：p為工作腔氣體壓力；γ為氣體多變指數(shù)，取常溫狀態(tài)，γ=1.15；A3為活塞桿面積；M為懸掛承載質量；V0為靜平衡位置氣體體積；x為活塞和缸筒相對位移。

油液阻尼力計算方法，可以利用計算薄壁孔口阻尼力方法進行計算［8-11］：

式中：Cz、Az為阻尼孔流量因數(shù)、過流面積；Cd、Ad為單向閥的流量因數(shù)、過流面積；ρ為油液密度；A1為主活塞面積；n為修正因數(shù)，一般取1～1.2；sign（）為符號函數(shù)，根據(jù)輸入信號的速度方向取正負值，壓縮時取1，拉伸時取-1。

3.2 仿真分析

根據(jù)油氣彈簧力值、剛度的計算公式，編寫MATLAB程序進行仿真計算［12-14］，仿真結果中，油氣彈簧力曲線如圖3所示，油氣彈簧剛度曲線如圖4所示。

▲圖3 油氣彈簧力特性曲線

4 液壓懸掛系統(tǒng)仿真分析

建立油氣懸架動力學模型，施加0.4g的橫向加速度，得到裝配互聯(lián)式油氣懸架的車身側傾角與時間關系，為了進行對比，建立空氣懸架動力學模型，進行仿真分析，如圖5和 圖6所示。經過比較可以發(fā)現(xiàn)油氣懸架較空氣懸架相比，側傾角度減小了一個量級，達到穩(wěn)定的時間更短，體現(xiàn)了油氣懸架的優(yōu)越性。

在動力模型中設定車輛行駛速度為40 km/h，建立隨機路譜，得到油氣懸架和空氣懸架在相同速度、相同路面下駕駛員座椅振動加速度，如圖7和圖8所示。顯然，采用了互聯(lián)式油氣懸架的車輛，其平順性要好于空氣懸架。

▲圖5 油氣懸架車身側傾角

▲圖6 空氣懸架車身側傾角

▲圖7 互聯(lián)式油氣懸架駕駛員位置振動加速度

▲圖8 空氣懸架駕駛員位置振動加速度

5 結論

在油氣懸架發(fā)展現(xiàn)狀和應用的基礎上，建立了客車連通式油氣懸架的數(shù)學模型，對連通式油氣懸架系統(tǒng)的剛度特性和阻尼特性進行了仿真計算，同時與傳統(tǒng)的空氣懸架進行比較，研究表明油氣懸架在平順性以及抗側傾性能方面遠遠優(yōu)越于空氣懸架。