国家交通运输工程研究中心 彭超 贾楠 李红勋

浅析国外救护车新型半主动悬架
——硅油悬架特点及发展

国家交通运输工程研究中心 彭超 贾楠 李红勋

硅油悬架作为一种新型半主动悬架，具有无需动力源、消耗功率少、结构简单、造价低廉等特点。其在国外已经开展研究和应用，而国内的研究十分匮乏,在这种情况下，分析硅油悬架特点及发展具有一定的借鉴意义。

传统的被动悬架由于阻尼刚度固定不变，车辆的舒适性和平顺性只能在固定车速和特定路面下才能达到最佳状态，因而在舒适性和平顺性要求较高的专用车辆上逐渐被阻尼刚度可变的悬架所取代。

半主动悬架和主动悬架都是刚度阻尼可变的悬架。相比于主动悬架，半主动悬架无需动力源、消耗功率较少、结构简单、造价低廉，因而半主动悬架的研究倍受关注。

对于半主动悬架，美国进行了大量研究。近年来，以硅油为液体介质的悬架，即硅油悬架（如图1），作为一种新型半主动悬架，逐渐开始在美国一些救护车辆上使用（如图2）。

这种救护车上的硅油悬架采用的是美国LiquidSpring公司于2010年提出的“刚度半主动控制液体弹簧悬架”专利技术。该专利提出一种可以用于汽车悬架的液体弹簧装置，即以硅油作为液体介质的减振器（如图3），利用硅油的压缩性和粘滞阻尼特性，起到弹簧和阻尼的作用。它能够实现刚度调节(如图4)，通过节流阀等机构控制主缸体与外部油缸的通断，从而达到调节刚度的目的。

图1 硅油悬架结构图

图2 硅油悬架应用车辆

图3 硅油弹簧三维结构图

图4 硅油弹簧原理示意图

图5 国外空气悬架大客车

硅油悬架硅油性质

硅油悬架与一般悬架不同之处在于采用硅油作为减振器的液体介质。而硅油的性能是影响硅油悬架刚度阻尼性能的直接影响因素。作为高分子材料，硅油的力学特性主要取决于其化学成分、分子结构以及外界环境的变化等因素。

1. 粘温性

由于硅油分子中硅氧原子键的挠曲性和硅油键的高键能，使得硅油相比于一般矿物油具有良好的粘温性和耐候性。国外道康宁公司对常温下硅油与石油基液压油做对比，在-25℃～125℃变化的过程中，石油基液压油粘度改变了1 060倍，但是硅油只改变了17倍。

2. 压缩性

硅油的分子结构中“-Si-O-Si-”键易挠曲，同时硅油分子链在液态下是一种呈锯齿状，、有序排列的线性结构，这使得硅油相比于一般矿物油具有更大的压缩性。硅油在压力作用下压缩率最高可达36%，将硅油作为液体弹簧，相比金属弹簧，其质量更轻、体积更小、温度适应性好。

减振器是变阻尼刚度半主动悬架的关键部件之一，其性能直接影响半主动悬架的性能，各种先进的控制手段最终都要通过减振器实现预期的悬架振动特性。

硅油利用其可压缩性能够起到液体弹簧的作用，而硅油由于其本身的粘度，通过阻尼孔结构能够在运动中产生阻尼，因而利用硅油可以设计得到一种可变刚度阻尼的减振器，称之为硅油弹簧减振器（以下简称为硅油弹簧）。

硅油悬架与典型悬架的比较

1.空气悬架

空气悬架由空气弹簧、导向传力结构、减振阻尼装置、横向稳定装置、高度阀、压气机、储能器及管路等组成。

其中空气弹簧是空气悬架的主要元件，它是利用空气的压缩性和膨胀性起到弹性作用，通过控制，能够改变空气弹簧的刚度和阻尼。刚度能够随着簧载质量变化而变化。空气弹簧能够根据需要选择不同的气囊高度，从而获得理想的固有频率，达到良好平顺性的目的。

虽然空气弹簧性能优异，但是其同样存在一些缺点：制造工艺复杂，成本高；尺寸大，导致布置困难；空气弹簧的密封困难，密封不良易导致漏气将直接影响悬架的性能。

国外的高级大客车采用空气悬架较多（如图5），部分轿车也逐渐安装空气悬架，如奔驰的Benz300SE和Benz600，奥迪A6L主动式空气后悬架。

2.油气悬架

油气悬架是以油液作为传递压力，用惰性气体作为弹性介质的悬挂系统。油气弹簧是油气悬架的主要部分。

油气弹簧主要由气室（构成气体弹簧）和液力缸组成。气室中有油气隔膜，将气室分开（也有无隔膜的），一侧设有充气阀，充入高压工业氮气；另一侧与液力缸的内腔相通，充满工作液（减振液）。液力缸主要由缸筒、活塞及阻尼阀等组成，两端分别与车架和车桥连接。

当载荷增加时，液力缸活塞上移，使内腔容积减小，迫使工作液进入气室一侧，推动油气隔膜向另一侧移动，压缩其中的气体，使压力升高。此压力的反作用力又通过工作液传递给活塞，使之与悬架承受的载荷相平衡。

车辆运行中，当车架与车桥产生相对运动时，活塞在液力缸筒内上下滑动，推动工作液在液力缸与气室之间经过阻尼阀流动使振动迅速衰减，从而起减振器的作用。

油气悬架有结构紧致、易于布置、单位储能比大等诸多优势，但其加工复杂、维护麻烦，对油气和各控制阀密封性要求较高。

3.装有电流变、磁流变减振器悬架

这些悬架的变阻尼主要依靠减振器，电流变、磁流变减振器能够通过改变电场或磁场，改变减振器内部油液的粘性，从而改变悬架阻尼，达到阻尼控制目的。作为目前研究的热门领域，较为典型的是美国Lord公司的电流变和磁流变减振器（如图6）。虽然装有电流变、磁流变减振器的悬架能够方便地调节阻尼，但是其结构复杂，到目前为止，技术尚不完全成熟。粘性，从而改变悬架阻尼，达到阻尼控制目的。作为目前研究的热门领域，较为典型的是美国Lord公司的电流变和磁流变减振器（如图6）。虽然装有电流变、磁流变减振器的悬架能够方便地调节阻尼，但是其结构复杂，到目前为止，技术尚不完全成熟。

图6 Lord公司电流变和磁流变减振器

图7 硅油弹簧减振器三维模型图

图8 硅油弹簧变刚度阻尼液压原理图

4.硅油悬架的优势

以硅油弹簧为基础的半主动悬架，相比于空气弹簧、油气弹簧，电流变液、磁流变液减振器，具有以下优势：

（1）该装置仅采用硅油一种介质，通过简单的结构设计，便能够实现变刚度阻尼的功能。因为硅油的“-Si-OSi-”键是高度聚合链状结构，它的易挠曲性导致了硅油具有较高的压缩性，在压力作用下最大可达到36%的压缩率，因而相比于一般的金属弹簧，在同等体积下，可以得到较大的弹性力，从而可以作为液体弹簧使用。

（2）相比于一般的矿物油，硅油粘温性好，低温下具有较好流动性，高温下也具有相当好的氧化稳定性与热稳定性，加之良好的剪切稳定性、化学惰性，低的蒸汽压和闪点，使硅油作为阻尼液，能够应用于宽温度范围。

图9 硅油弹簧台架试验

硅油悬架国内新发展

近年来，国内少有对硅油悬架的研究。为满足某伤员运输车平顺性与舒适性要求，我国国家应急交通运输工程中心的贾楠博士，借鉴国外专利技术，对硅油悬架减振器进行了设计（如图7、8），并做了相应的台架试验（如图9），试验表明，以硅油为介质的悬架，通过其减振器结构改进，增加副油缸和外部节流阀，能够有效地实现变刚度阻尼的功能。相比于美国LiquidSpring公司悬架，贾博士设计的硅油悬架不仅能够实现刚度调节，还能实现阻尼调节。

设计的硅油弹簧变刚度阻尼原理如图8所示。阀1为阻尼调节阀，阀2为充油回油阀，阀3为工作状态控制阀，阀4为刚度调节阀。

根据装置阀的位置，系统有不同的工作状态：

（1）当阀2处于下位，阀3处于上位时，系统充油，减振器加载。

（2）当阀2处于上位，阀3处于中位，阀4处于左位和右位，使得系统初始体积增大，从而改变系统刚度，处于左位为中级刚度，处于右位为最小刚度。

（3）当阀2处于上位，阀3处于下位，系统初始体积最小，刚度最大。

（4）当阀2处于上位，阀3处于下位时，系统回油卸载。

（5）通过控制阻尼调节阀，即阀1，可以控制其开度，实现阻尼无级调节。

结语

通过结构设计可使以硅油作为液体介质的悬架实现变刚度阻尼功能，其作为一种新型半主动悬架，相比于其他半主动悬架，有诸多优势。在国外已经开展对硅油悬架研究和应用的情况下，目前国内开始对硅油悬架进行研究，探索硅油悬架对专用车辆平顺性与舒适性的影响，具有重要意义。

2017-08-28