提艳*，熊新，李高战，吴纪军，郑竹安，陈洋

（盐城工学院，江苏 盐城 224051）

用于工程车辆的油气弹簧悬架的研究综述

提艳*，熊新，李高战，吴纪军，郑竹安，陈洋

（盐城工学院，江苏 盐城 224051）

油气弹簧悬架在工程车辆中已经广泛应用。文章主要介绍了油气弹簧悬架的发展现状及其工作原理、数学模型；结合国内外的研究，综述了用于工程车辆的油气弹簧悬架的的结构形式和特征，并对今后的研究工作进行了初步探讨。

工程车辆；悬架系统；油气弹簧；工作原理

引言

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都是由弹性元件、减振器和导向元件能组成。随着汽车工业的不断发展，人们对汽车的性能要求越来越高，根据路面行驶状况和运行状态能够对汽车悬架进行调整的智能悬架越来越受到学者和专家的关注。空气弹簧悬架具有比较理想的刚度特性；半主动悬架的阻尼能够根据路面激励调整减振器阻尼，衰减悬架的振动；主动悬架通过传感器接收路面激励，利用液力或气力以控制悬架的制动。对于上述这些只能悬架系统不仅结构复杂，而且成本高，特别是主动悬架还需要消耗能量，导致成本增加。而油气弹簧悬架是悬架技术的新型产物，它在传统悬架技术基础上添加了液压传动控制技术。油气悬架系统优越的非线性刚度特性和良好的减振性能保证大型工程车辆在工作复杂和恶劣路况上正常行驶，使车辆平顺性得到很大的提高[1]。

1 油气弹簧悬架的工作原理

为提高车辆行驶平顺性，国外小客车、载重卡车及工程机械上早已采用了油气悬架系统，特别在矿山自卸载重卡车上用的更为普遍[2]。由于空载和满载载荷变化幅度大，车身高度变化较大，此时如装有能随载荷变化可自动调节车身高度的油气悬架则可获得理想的弹性特性而使车辆具有良好的平顺性，从而改善驾驶员的劳动条件，提高车辆的平均行驶速度和车辆的运输生产率[3]。对牵引型工程机械来说，由于它本身工作的特点，在行驶状态需要有良好的弹性悬架以保证较高的平均行驶速度，而在作业状态则希望将弹性悬架变成刚性悬架[4]。如采用一般的悬架，要将弹性悬架变成刚性悬架，其结构会很复杂。

1.1 油气弹簧悬架的结构

如图1所示，单气室油气弹簧为筒式结构，由活塞杆及其组件、缸体等部分组成。在缸体内活塞杆及其组件做往复运动，浮动活塞在活塞杆内可以做往复运动。

图1 单气室油气弹簧结构简图

1.2 油气弹簧悬架刚度数学模型

由上述油气弹簧结构设活塞杆横截面积为 S，当油气弹簧未受到外界压力时，处于静平衡状态，此时充气前后油气弹簧长度变化设为L，则初始气体体积V0[5]

此刻，静平衡压力P0

式中，mg为油气弹簧自身重量。

当油气弹簧受到外界压力，活塞移动a时，动力缸的气体体积为V

当活塞的移动位移为a时，根据理想气态方程得

其中，n是气体多变指数。理论上一般在1-1.4范围之间取值[6]。

由上述公式可知

油气弹簧弹性力Fa与位移a之间的关系

1.3 油气弹簧悬架阻尼数学模型

当活塞—活塞杆组件复原运动时，单向阀关闭，此时仅由阻尼孔的节流作用产生阻尼力[7]。

薄壁小孔节节流压力和流量关系如下所示：

式中，Q为薄壁小孔流量，Cq为液压油流量系数，Am为薄壁小孔横截面积，ρ为液压油密度。Δp为薄壁小孔两端压力差。

设环形腔面积为A，单位m2，活塞杆与缸筒相对速度为v，单位m/s。则薄壁小孔由环形腔流向活塞腔油液流量为：

由（7）变形可得

由相关资料可知阻尼力公式为

将式(7)、(8)、(9)代入式(10)得

当活塞—活塞杆组件做压缩运动时，单向阀开启，单向阀和阻尼孔共同产生阻尼力。

薄壁小孔节节流压力和流量关系如下所示：

综上所述可得

综合上述所有公式，可得出系统阻尼力F[8]

2 油气弹簧悬架的技术发展

2.1 油气弹簧悬架的结构形式

普通机械式油气弹簧的常用型式主要有单气室型、双气室型和两极压力式等几种型式[9]。

根据气体是否与液体接触的原则，单气室结构形式又可分为分隔式与混合式，如图2所示。单气室油气弹簧优点不仅结构简单，易加工，而且工作可靠，易维修。此外，油气分隔式因油气隔离分开，能最大效降地低油液乳化速度，且充气方便。单气室油气弹簧缺点是在伸张过程中伸长量与刚度成反比；这一特性会造成活塞撞击底部或弹簧拉脱的情况，缩短弹簧寿命。

双气室的油气弹簧是基于单气室油气弹簧的进一步发展，它完善了单气室的缺点。如图3所示。其特点是在结构上设置了主气室和反压气室，二者之间有油室通道，且反压气室内有浮动活塞，减小轴向长度，令空载时的刚度增大。

图3 双气室原理图

要保证悬架的振动频率在任意情况下（空载和满载）都有较低的水平，则要增大布置结构，这会使车身空间布局难度增加。

为了克服这个问题，油气悬架研究者研究出一种两级压力式油气弹簧。如图4所示，相对单气室和双气室而言，两级压力式油气弹簧由主气室和补偿气室通过并联连通在一起，主要由工作活塞、一级压力缸、二级压力缸等组成。由于补偿气室压力大于主气室，当负载较小时，由主气缸压力先调节，当负载增加到一定程度时补偿气室开始工作。若负载压力大于主气缸和补偿气缸气压时，两者协同工作。

图4 两级压力式原理图

2.2 油气弹簧悬架的特征

油气弹簧悬架与其他种类悬架比较，具有的优点：1）非线性刚度；2）非线性阻尼；3）车身高度自由调节；4）刚性闭锁；5）改善车辆运动性能；6）单位储能比大。

油气弹簧悬架具有以上优点的同时，也存在许多不足之处：（1）防护性差；（2）成本较高；（3）对零部件德加工精度要求高；（4）工作温度范围小。

3 总结

因为座椅振动情况比较复杂，对座椅减振系统的研究大多是根据实验或仿真得到具体的设计参数，不仅周期长，而且研发成本增加。根据查阅相关材料初步对对座椅减振系统的油气弹簧进行研究：

1）建立工程车辆油气弹簧座椅减振系统物理模型；得到减振系统的数学模型；

2）利用数学计算，得到油气弹簧减振系统相关参数的解析解；

3）通过仿真软件分析油气弹簧参数对座椅性能影响，进行优化设计；

4）利用现有实验设备搭建座椅油气弹簧减振系统进行试验验证。

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[9] 王洪艺. 车用油气弹簧的设计, 仿真与分析[D]. 长春理工大学, 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 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-15-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.006

提艳，女，盐城工学院，助教，主要研究方向汽车零部件设计，汽车平顺性研究等。熊新，男，盐城工学院，副教授，主要研究方向汽车电器与电子技术、汽车液压与控制及汽车振动分析等。郑竹安，男，盐城工学院，讲师，主要研究方向新能源汽车技术及汽车底盘集成控制技术研究。