油氣懸掛系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用

程太平 劉成

1.湖北新楚風(fēng)汽車股份有限公司 湖北隨州 441300 2.漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430000

1 油氣懸掛系統(tǒng)的概述

懸掛是現(xiàn)代汽車上重要的總成之一，它把車架和車軸彈性地連接起來，其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩，緩和路面?zhèn)鬟f給車架的沖擊，保證汽車行駛平順性，使車輪在路面不平和載荷變化時，有理想的運(yùn)動特性，保證汽車操作穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力。

懸掛一般由彈性元件、導(dǎo)向裝置、橫向穩(wěn)定器、減震器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。按車輛行駛過程中懸掛是否能被控制，可分為被動懸掛、主動懸掛和半主動懸掛三種類型。不需要外部輸入力的懸掛叫做被動懸掛；通過外部能量輸入實(shí)現(xiàn)控制力調(diào)節(jié)的可控懸掛叫做主動懸掛；輸入少量調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的可控阻尼懸掛叫做半主動懸掛。從整體結(jié)構(gòu)看，目前工程車輛上應(yīng)用的油氣懸掛系統(tǒng)主要有獨(dú)立式和互聯(lián)式兩種類型；從油氣彈簧的形式看，則分為單氣室油氣分離式、雙氣室油氣分離式、多級壓力式和油氣混合式等。

油氣懸掛系統(tǒng)是由油氣懸掛油缸、柱塞泵、液壓蓄能器等構(gòu)成，該油氣懸掛系統(tǒng)主要是以液油作為傳力介質(zhì)，用惰性氣體或氮?dú)庾鳛閺椥越橘|(zhì)，用彈簧介質(zhì)阻尼車輛的振動和用蓄能器存儲或者釋放能量的系統(tǒng)，油氣懸掛是集彈性和阻力元件于一身，具有良好的非線性彈性特性和優(yōu)秀的阻尼性能。

油氣懸掛最早出現(xiàn)在飛機(jī)的起落架上，用于提升飛機(jī)著陸的安全性和平穩(wěn)性。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計師們大膽創(chuàng)新，逐步將油氣懸掛應(yīng)用于汽車，以提高汽車駕駛的舒適性和操作穩(wěn)定性[1]。油氣懸掛是液體和氣體的組合，利用油液的流動阻力實(shí)現(xiàn)減震功能，利用氣體的可被壓縮性作為懸掛的彈性元件，同時用油液的不可壓縮性實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和力的傳遞。因此，油氣懸掛不僅具有良好地阻力特性，同時可以很好地調(diào)整控制汽車的運(yùn)動姿態(tài)，如：實(shí)現(xiàn)汽車底盤橫向找平控制、高度控制和橫向控制等。

2 油氣懸掛系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用原理

2.1 油氣懸掛結(jié)構(gòu)原理

汽車上油氣懸掛原理如圖1所示，油氣懸掛系統(tǒng)由油氣懸掛油缸、柱塞泵、液壓蓄能器等構(gòu)成，其特征是：該系統(tǒng)設(shè)有一個單獨(dú)的油箱，結(jié)合圖2中油氣懸掛油缸結(jié)構(gòu)示意圖，在每根車軸的左右兩側(cè)與車架之間都裝有油氣懸掛油缸，油氣懸掛油缸的一端與車軸固定，另一端與車架固定，懸掛油缸活塞側(cè)與車軸固定。

柱塞泵輸出端通過液壓油路、各電磁閥組與懸掛油缸活塞側(cè)和蓄能器活塞側(cè)連通，懸掛油缸活塞桿側(cè)直接或經(jīng)過電磁閥與油箱連通。柱塞泵與車輛發(fā)動機(jī)連接并由其驅(qū)動。整個油路中根據(jù)需要還設(shè)置有濾清器和節(jié)流閥等器件。

圖1 油氣懸掛原理圖

圖2 油氣懸掛油缸結(jié)構(gòu)示意圖

在圖2中，油氣懸掛油缸上設(shè)置有傳感器油缸高度控制開關(guān)，這些電子傳感器給系統(tǒng)的電控性能帶來極大的提高，通過車載控制單元的控制可以實(shí)現(xiàn)提升橋、底盤橫向找平控制、高度控制和橫向穩(wěn)定控制等多項(xiàng)功能。

2.2 多功能油氣懸掛液壓油路

在多功能應(yīng)用中的油路如圖3所示，在車架的左右兩側(cè)各設(shè)有一個液壓蓄能器，每一側(cè)的油氣懸掛油缸活塞側(cè)都與該側(cè)的蓄能器活塞側(cè)連通，其懸掛油缸活塞桿側(cè)分別相互連通，由圖中可見左液壓蓄能器與左油氣懸掛油缸相連，左側(cè)液壓蓄能器的蓄能器活塞側(cè)與左側(cè)油氣懸掛油缸的懸掛油缸活塞側(cè)相連通，左側(cè)的懸掛油缸活塞桿側(cè)相互連通后經(jīng)過電磁換向閥與油箱連通，右液壓蓄能器與右油氣懸掛油缸相連，右側(cè)的油氣懸掛油缸活塞桿側(cè)相互連通后經(jīng)過電磁換向閥與油箱連通。可見左右兩套油氣懸掛油缸基本相互獨(dú)立，在這樣的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)油氣懸掛的多種功能應(yīng)用。

圖3 多功能油氣懸掛液壓油路圖

2.3 液壓蓄能器

液壓蓄能器由一個中部的活塞分隔為充有液壓油的蓄能器活塞側(cè)和充有氣體的另一側(cè)。當(dāng)車橋加載時，油缸活塞側(cè)的液壓油將被強(qiáng)制擠出，進(jìn)入蓄能器活塞側(cè)，這將導(dǎo)致壓力增加，然后通過蓄能器的活塞壓縮氣體，通常是高壓氮?dú)?。高壓氮?dú)庾鳛橛蜌鈶覓斓膹椥越橘|(zhì)，相當(dāng)于傳統(tǒng)被動懸架的彈簧。整個管路系統(tǒng)具有良好的減震性能和穩(wěn)定性。

在車輛行駛過程中，隨著活塞桿相對缸筒的上下運(yùn)動，蓄能器中的氣體處于連續(xù)的膨脹和壓縮狀態(tài)。在研究油氣懸掛時，一般將氣體看作是理想氣體，建立數(shù)學(xué)表達(dá)式時采用氣體狀態(tài)方程來描述。理想氣體狀態(tài)方程是一個多變過程，其表達(dá)式為：

式中，P0為理想氣體的初始壓強(qiáng)，Pa；V0為理想氣體的初始體積，m3；P為理想氣體的壓強(qiáng)，Pa；V為理想氣體的體積，m3；γ為氣體多變指數(shù)。

當(dāng)油氣懸掛處于壓縮狀態(tài)或拉伸狀態(tài)時，液壓蓄能器內(nèi)壓強(qiáng)和溫度是連續(xù)變化的，同時，在油氣懸掛工作過程中，液壓蓄能器內(nèi)氣體與外界空氣也有熱量交換，因此，液壓蓄能器內(nèi)氣體的溫度變化是比較復(fù)雜的。氣體多變指數(shù)γ的理論范圍為1～1.4，但是實(shí)際上氣體多變指數(shù)是個與氣體狀態(tài)相關(guān)的變量，大小受到很多因數(shù)的影響，比如氣體的溫度、外界激勵的速度頻率等，很難確定其具體值。文獻(xiàn)對油氣懸掛氣體多變指數(shù)隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，液壓蓄能器內(nèi)氣體多變指數(shù)最高甚至可達(dá)到1.6～1.8，這跟理論的氣體多變指數(shù)有較大的差距。本文對單氣室油氣懸架建模時采用理想的氣體狀態(tài)方程，這對于研究油氣懸架的非線性特性及油氣懸架車輛的性能研究已經(jīng)足夠。如果需要對油氣懸架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計，則需要結(jié)合油氣懸掛的實(shí)際工況充分考慮氣體溫度的影響，采用實(shí)際氣體狀態(tài)方程。對于公式(1)，在定氣體多變指數(shù)前提下，只能求出液壓蓄能器某一時刻氣體體積[2]：式中，A1為液壓蓄能器活塞無桿腔側(cè)截面積；A3為液壓蓄能器活塞有桿腔側(cè)截面積；x為活塞桿相對于缸筒運(yùn)動速度。

即可求出此時蓄能器內(nèi)氣體壓力Pγ[2]：

2.4 油氣懸掛輸出力

油氣懸掛活塞桿和缸筒之間產(chǎn)生相對運(yùn)動時，油氣懸掛輸出力主要包括來自蓄能器高壓氮?dú)獾膹椥粤?、油液流?jīng)節(jié)流閥及節(jié)流孔產(chǎn)生的阻尼力及活塞與缸筒之間相對運(yùn)動的摩擦力三部分。

假設(shè)缸筒固定不動，活塞桿相對缸筒上下運(yùn)動，根據(jù)牛頓第一定律，可以建立油氣懸掛的輸出力方程為[2]：

式中， F為 油氣懸掛的輸出力，壓縮為負(fù)，復(fù)原為正；P1為無桿腔壓力；P3為有桿腔壓力；Pair為 大氣壓力；A1為液壓蓄能器活塞無桿腔側(cè)截面積；A3為液壓蓄能器活塞有桿腔側(cè)截面積；Ff為活塞桿與缸筒之間的摩擦力。

3 油氣懸掛的主要特點(diǎn)

3.1 高度控制

汽車在崎嶇不平的公路上行駛時，油氣懸掛系統(tǒng)可以不管汽車載荷的大小，當(dāng)車輛一側(cè)陷入坑中發(fā)生傾斜時，通過傳感器感應(yīng)，能主動提升高度，使車架保持水平，貨物也就處于水平狀態(tài)，不會因車輛一側(cè)輪胎陷入坑中導(dǎo)致質(zhì)心降低而發(fā)生側(cè)翻，因此，油氣懸掛系統(tǒng)具有極高的行駛穩(wěn)定性。

3.2 橫向找平控制

每一輛油氣懸掛系統(tǒng)車型都配有自動橫向水平調(diào)節(jié)器，也稱為自卸穩(wěn)定器，這就確保了當(dāng)車輛在低于3 km/h的速度行駛時，懸掛氣缸處于封鎖狀態(tài)，從而增加了橫向穩(wěn)定性，當(dāng)汽車需要向一側(cè)傾卸時，該系統(tǒng)進(jìn)入手動模式。

3.3 非線性阻尼

車架與車軸相對速度主要與油氣懸掛的阻尼有關(guān)，改變減震器阻尼振動，可減輕對車輛的沖擊，防止汽車急轉(zhuǎn)彎時橫向傾斜，防止緊急剎車時車頭下降，防止汽車起步或加速時汽車下沉，提高行駛穩(wěn)定性和操作平順性，具有良好的減振性。

3.4 非線性剛度

傳統(tǒng)車輛采用的鋼板彈簧懸掛，剛度特性固定不變，油氣懸掛系統(tǒng)的彈性介質(zhì)采用惰性氣體或氮?dú)?，其剛度特性不是固定不變的，可以隨著外部的變化而變化。

4 結(jié)語

油氣懸掛是當(dāng)今汽車發(fā)展中核心技術(shù)之一，直接影響汽車的操作性和駕駛平順性，擁有深遠(yuǎn)的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景，舒適性與車身的固有振動特性有關(guān)，而車身的固有振動特性又與懸掛有關(guān)。采用油氣懸掛可大幅度提高車輛行駛過程中的操作穩(wěn)定性、平順性和舒適性，因此對油氣懸掛系統(tǒng)性能的研究對于改善整車的性能具有重要意義。

[1]孫建民.工程車輛油氣懸掛系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].建筑機(jī)械,2017(03): 90-93.

[2]楊業(yè)海.高機(jī)動性越野車油氣懸掛系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)[D].長春：吉林大學(xué)，2012.