油气弹簧缸设计与特性分析

前言车辆作为一种现代化交通工具，人们对其机动性能要求越来越高，而其平均行驶速度、行驶平顺性、横向稳定性、缓冲可靠性及乘坐舒适性是其机动性能的几个重要指标。

车辆的乘坐舒适性和车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性密切相关。

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，一般有弹性元件、减振器、导向机构三部分组成。

其作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支乘力）、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架上，以保证汽车正常行驶。

按车辆在行使过程中悬架的性能是否受到控制，可将悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种基本类型。

凡不需要输入能量进行控制的悬架称为被动悬架；输入少量能量调节阻尼系数的可控阻尼悬架称为半主动悬架；通过输入外部能量实现控制力调节的可控悬架叫做主动悬架。

传统的机械式被动悬架系统大都由减振器和螺旋弹簧或者是钢板弹簧组成。

弹簧刚度通常是一个定值,为了保证在不同路面上车辆行驶的平顺性,需要悬架的刚度较软,因而需要较大的悬架空间。

为此在被动悬架系统中人们设计了不同的变刚度弹簧来解决这一问题。

比如变中径、变节距的螺旋弹簧,主副钢板弹簧悬架等等。

油气悬架系统由于其刚度的非线性,与其他型式的被动悬架相比较有着显著的优越性。

油气悬架类属于被动悬架，但油气悬架又具有主动悬架的结构型式，具有只有主动悬架才能实现的部分功能和性能。

所谓油气悬架是指以油液传递压力、用惰性气体（通常为氮气）作为弹性介质的一种悬架，它的弹性元件为蓄能器，减振元件则为悬架缸内部的节流孔、单向阀等。

而油气弹簧缸（又称为油气悬架缸），作为油气悬架最重要的部件，决定着整个油气悬架的主要性能。

因此，对油气弹簧缸的研究便成为了首要任务。

目前，国外在这方面的研究比较成熟，远远超过国内的研究水平。

本论文将通过粗略的结构设计，重点对油气弹簧缸进行数学建模和对其性能进行仿真分析研究。

为进一步详细准确的结构设计和同类相关研究提供参考。

1 绪论1.1 油气悬架系统概述悬架系统是提高车辆行驶平顺性和操纵稳定性、减少动载荷引起零部件损坏的关键。

但基于经典隔振理论的传统悬架无法同时兼顾这几方面的要求，全主动悬架能满足这一要求，但因价格昂贵而不能付诸工程实际，自1996年以来该系统的研究已经中断。

而油气悬架不仅能满足车辆乘坐动力学的要求，且造价远比全主动悬架低得多。

油气悬架本身并不是一个新概念，它最早使用在飞机的起落架上，用来提高飞机着陆的平稳性。

50年代后期，人们才逐渐将它应用到车辆中来，以提高车辆舒适性、操纵稳定性等性能。

油气悬架是将油和气结合，利用气体的可压缩性作为悬架的弹性元件，利用油液的流动阻力实现减振，同时又利用油液的不可压缩性实现较为准确的运动和力的传递，利用油液流动的易控性实现各种大功率的控制。

因此，油气悬架不仅具有较好的弹性特性，更重要的是它能方便地实现汽车运动姿态等的良好控制。

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。

当车辆在不平道路上行驶时可以减少地面传递给车身的冲击力，当采用电铲装载矿石时可减少矿石下落时对汽车的冲击，特别在空载时可得到较小的振动频率。

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。

我国自行设计的矿山载重汽车SH380，采用了油气悬架，美国WABCO公司生产的矿山载重汽车35C （载重313kN）、75B（载重666.82kN）、120（载重980.67kN）、前苏联别拉斯540、日本小松HD－320、法国TX－40及意大利伯里尼公司生产的矿山载重汽车等也都采用了油气悬架。

对牵引形工程机械来说，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。

油气悬架可以做到在作业状态将弹性消除，而在行驶状态又能恢复其弹性。

美国UET－A和UETEZ万能工程履带牵引车就具有这种性能。

如采用一般的扭杆悬架，要将弹性悬架变成刚性悬架，其结构会很复杂[1]。

1.2 油气悬架的特征1)非线性刚度传统的悬架因弹性元件的刚度大多为线性的而使其刚度基本保持不变，而在油气悬架中，弹性元件的刚度具有非线性、渐增（减）的特点，这就可以实现车辆在平坦路面上行驶平顺，在劣质路面上因悬架吸收较多的冲击能量而使其保持一定的行驶速度。

2)非线性阻尼可迅速抑制车架的振动，具有很好的减振性。

3)车身高度自由调节通过悬架缸的同时或单独调节，车架高度可上下升降、前后升降或左右升降，这对改善车辆的通过性能和行驶性能十分重要。

4)刚性闭锁通过切断液压缸与蓄能器及其它液压元件的连接油路，利用油液压缩性较小的特点，可使油气悬架处于刚性状态，在这种条件下车辆可承受较大载荷并能缓慢移动。

5)改善车辆运动性能通过悬架纵横交错的不同连接可以改善车辆的某些运动性能（如侧倾运动、俯仰运动），解决车辆启动和刹车时的点头现象等。

6)单位储能比大这一特点对重型车辆特别有利，可以有效地减轻悬架质量和结构尺寸。

但油气悬架也有不足之处：1）油气悬架布置在车外，防护性较差。

2）成本一般较扭杆悬架要高，据国外资料统计，其成本约高20～25％3）油气悬架压力较高，对油和气的密封装置要求较高，零部件加工精度要求较严，否则会因漏油、漏气而不能使用。

4）油气悬架一般较难在-40度的气温下正常工作，它对油液和橡胶的低温性能要求较高。

1.3 油气悬架的实际应用由于油气悬架的以上优点，国外的汽车大公司、研究单位都非常重视油气悬架的开发和研究。

美国WABCO（威斯汀豪斯气制动公司）从1957年起就开始设计，生产HAUL-PAK Hydrair系列车辆油气悬架。

目前，国外在重型汽车、自卸车、起重车上采用油气悬架已相当普遍，甚至在轿车上已逐渐采用油气悬架。

下图表示出了美国底特律市从1962年以来生产的轿车油气悬架情况。

美国底特律市生产油气悬架的情况目前，油气悬架应用的主要领域有以下几个方面：1)军事车辆意大利生产的“半人马座”轮式装甲车、法国生产的AMX-10RC轮式输送车、瑞士生产的“锯脂鲤” (Piranha)轮式坦克，有4x4，6x6, 10x10轮多种型式。

2)全地面起重机德国利勃海尔公司生产的LTM系列起重机、美国格鲁夫公司生产的GMK系列起重机、日本钢铁株式会社生产的RK系列起重机、徐州重型机械厂生产的QAY25起重机。

3)铲运机械美国卡特彼勒公司生产的TS-24B自行式铲运机。

4)轮式挖掘机日本日立建筑机械有限公司生产的10吨轮式挖掘机。

5)矿用自卸车美国卡特彼勒（Caterpillar）公司的Cat789型大型矿用自卸车；瑞典沃尔沃（Volvo）公司的VME R90型大型矿用自卸车；上海重型汽车制造厂SH380、SH382型大型矿用自卸车等。

6)其他车辆1.4 油气悬架国内外研究现状及亟待解决的问题1.4.1 国外研究现状国内外学者在对油气悬架系统进行开发的过程中，对其结构型式及性能进行了大量的理论分析和试验研究，取得了很多成果。

目前已经发展到主动悬架的初步应用阶段，开发了一些采用主动油气悬架控制的产品，应用范围也大为拓宽。

当前对油气悬架的研究主要集中在2个方面：1.建立新型合理的油气悬架的数学模型。

主要的研究思路是把具有非线性特性的弹性元件如悬架油缸和对非线性的影响因素如油液、高压空气的压缩膨胀、非线性阻尼、刚度特性纳入到数学模型中，使得理论悬架系统符合实际，成为非线性系统。

2.新型结构形式的油气悬架的开发和主动控制策略的研究。

新型结构形式的油气悬架的开发，主要是对半主动和主动油气悬架的开发应用。

利用油气悬架阻尼相对刚度易调的优势，调节阻尼实现悬架的半主动和主动控制。

如图1是半主动控制的原理图，控制单元对各类传感器采集的信号进行处理，再通过调节阻尼阀口大小，改变油缸和蓄能器之间的阻尼力，实现悬架输出力半主动控制。

主动悬架则需要另加动力元件如液压油泵等，油液通过伺服阀再进入液压缸，实时控制悬架输出力。

图1半主动控制原理图1.4.2 国内研究现状国内在油气悬架技术研究方面起步较晚，80年代初才引起国内研究人员的关注。

与国外差距较大，从文献上，武汉水运工程学院陶又同教授的文章是较早用示功图法研究油气悬架的文献。

1984年上海重型汽车制造厂通过参考美国样机设计的油气悬架应用到该厂的SH380、SH382矿用自卸车上，但使用效果较差，后来，徐州工程机械集团有限公司（1992年）、湖南浦沅工程机械厂（1994年）先后从德国利勃海尔公司引进了LTM1025、LTM1032、LTM1050全地面起重机，促进了油气悬架技术的推广应用，有关高校也开展了这方面的研究，如北京理工大学、同济大学、大连理工大学、武汉水运工程学院等。

但从总体上看，国内在油气悬架技术研究方面主要集中在原理介绍、应用分析、计算机仿真分析上，目前还没有形成一套简单易行、切实可靠的方法和理论去指导油气悬架的设计，还处于国外样机类比、参考设计、试验修改的阶段。

1.4.3 研究油气悬架国内亟待解决的问题对比国内外的发展现状可以看出，国外处于应用阶段，国内还处于理论研究阶段，差距明显，需在以下方面努力：1)系统性、基础性研究。

2)加强结构设计和优化设计方面的研究。

如刚度特性、阻尼特性、频率特性的定性定量说明，悬架减振效果的定性定量说明等。

3)油气悬架的优化设计。

不单纯是油气悬架参数的优化，还应该包括不同的油气悬架结构性能差异的对比以及对车辆各种性能的影响，并在设计油气悬架时将优化结果纳入其中，从而大幅度提高车辆性能。

4)制定通用的研究设计规则。

5)整车、多桥油气悬架系统虚拟样机的研制，实现参数化、可视化设计，并开发专门的油气悬架的计算机仿真软件。

6)从被动悬架技术向半主动悬架、主动悬架技术发展，其中微处理器的应用是一个必然的选择，采用电脑控制，最终形成主动自适应智能控制系统。

2. 油气弹簧的结构及工作原理2.1 油气悬架系统的分类油气悬架有多种形式。

按单缸蓄能器形式，分为单气室、双气室、两级压力式等；按车桥各悬架缸是否相连可分为独立式和连通式；按车辆行驶过程中悬架控制是否需要外部能量输入分为被动油气悬架、半主动油气悬架和主动油气悬架。

目前，国外油气悬架系统已商品化，应用于各类特殊底盘的结构中，如自卸汽车、全地面起重机等，采用的形式也各有不同。

自卸汽车多采用独立式油气悬架，利勃海尔全地面起重机系列在路况好的情况下采用独立式悬架，而在路况恶劣的情况下采用连通式悬架，极大地增强了车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。