油气悬挂的性能特点及研究现状

油气悬挂的性能特点及研究现状
油气悬挂一般是以惰性气体（氮）作为弹性介质，以油液作为传力介质，呈现出很好的非线性特性，对重型越野车辆以及载货汽车都具有很好的匹配效果，同时储能比很大，约为330000Nm/kg（以6MPa氮气充气压力为例），重量比钢板弹簧轻50%，比扭杆弹簧轻2O%，从而使它拥有了广阔的发展前景。

1、油气悬挂性能特点及其研究的必要性
油气悬挂主要由油气弹簧组成，集弹性和阻尼元件于一身，同时缸体具有一定的导向作用，所需车体布置空间较小，以其优越的非线性弹性特性和良好的减振功能，能够最大限度地满足工程车辆的平顺性要求。

从其整体结构看，目前工程车辆上应用的油气悬挂系统主要有独立式和互连式两种类型；从油气弹簧的形式看，则分为单气室油气分离式、双气室油气分离式、多级压力式和油气混合式等。

与其他悬挂系统相比，油气悬挂具有如下特点。

1）非线性变刚度特性，油气悬挂具有非线性变刚度、渐增性的特点。

当车辆在平坦路面行驶时，悬挂动行程较小，弹性介质承受瞬时压力所产生的刚度也就小，能够满足平顺性的要求；当车辆在起伏地行驶时，弹性力呈非线性变化且幅值增加，可以吸收较多的冲击能量，发挥出气体单位质量储能比大的特点，有效起到缓冲作用，避免了能量直接传递到车身以及“悬挂击穿”现象的出现，从而提高车辆的越野速度，改善其机动性。

例如安装油气悬挂与安装扭杆悬挂的M60坦克在美国阿伯丁试验场第三号越野跑道（地面不平度为90mm）上进行对比试验，前者平均时速达到了38.62km/h，而后者仅为14.48km /h。

另外，对于载荷变化较大的车辆，其必要性也很明显。

若悬置质量变化，刚度不变，则固有频率会随着载荷发生改变。

例如解放牌汽车满载时，后悬挂质量约为空车的四倍多，倘若使用线性悬挂系统，则满载与空载的车身振动频率分别为1.6HZ和3.2HZ。

固有频率的大范围变化会导致车辆行驶性能变差；而油气悬挂的非线性刚度特性能够有效克服这一缺点，将车身固有频率保持在一个相对稳定的范围，这对载重型车辆是至关重要的。

2）非线性阻尼特性，安装阻尼阀后，与普通液压减振器相同，油气弹簧的阻尼系数也具有非线性特征，悬挂阻尼力和阻尼比均随着车架与车桥相对速度的变化而变化。

3）车姿调整功能，可调式油气悬挂可以使车体升降，前后俯仰和左右倾斜，但需附加一套车姿调节系统，主要通过对悬挂缸的补油或排油实现上述功能，以改善车辆的越障能力，提高通过性；装有可调式油气悬挂的两栖作战车辆涉水时可以将车轮收起，减少水流阻力；另外还可以使行驶系统维修方便，无需液压千斤顶即可拆装车轮，但调节高度有限，一般不超过300mm。

对于车姿调节功能通常只有在主动悬挂中才能实现，体现了油气悬挂的优越性能。

4）悬挂闭锁功能，将油气悬挂中的动力缸和蓄能器分置，并在连接它们的高压管路上加装锁止阀即可实现悬挂闭锁功能，这对工程车辆具有重要价值，例如全路面起重机、吊车、挖掘机等，在特殊作业时通过闭锁形成刚性悬挂，便于运载和移动重物另外还可以减轻或消除坦克和自行火炮等军用车辆在射击时产生的车体俯仰振动，提高射击精度。

5）结构紧凑，加装阻尼阀后，油气悬挂不再需要单独的减振器，尤其针对单缸式油气弹簧，结构上更加简便，通常把气室设在活塞杆内，通过浮动活塞将油气分离，以适应重型越野车辆动行程大的特点，克服了膜片隔离式油气弹簧动行程小的缺点。

同时该套系统体积小，重量轻，便于拆装。

6）不足之处，由于工作压力较高，需选用性能良好的组合密封，同时还要配备专用充气装置。

对加工精度和装配工艺要求严格，增加了生产和维护成本。

随着机械加工等相关技术的不断完善和成熟，上述不足一定能够被有效解决，也必将使油气悬挂得到更大范围的推广和应用。

总之，油气悬挂与其它悬挂系统相比能够充分改善车辆的机动性、舒适性以及操纵稳定性，尤其能满足特种车辆、工程车辆和军用车辆的指标要求，具有良好的发展前景，成为国内外同行研究的主要方向之一。

2、国内外油气悬挂研究现状及应用
2.1 国外研究现状及应用
在理论方面，国外定性定量的研究工作已经开展得比较全面，并已有较为完善的CAD软件可供产品研发，但由于涉及结构设计的关键环节，属于企业核心技术，所以很难看到相关的资料。

从所掌握的信息表明，国外学者曾对如何建立油气弹簧合理的数学模型进行了大量的理论探讨，油气弹簧数学模型通常可以分为参数化和非参数化两种形式，worden较为系统地介绍了单缸式油气弹簧的参数化和非参数化建模方法，指出参数化建模需要以油气弹簧内部结构参数和有关物理定律为依据，能够较为准确地描述悬挂缸工作时的内特性，清楚地分析相关因素对系统外特胜的影响规律，从而为油气弹簧的设计提供参考，但由于其所含参数较多，往往存在校准时间长、计算速度慢等缺点；非参数化模型实际上具有反求的性质，通常利用预先确定的函数表达形式对试验数据进行拟合来描述油气弹簧的非线性特性，克服了参数化模型待定系数多以及校准和计算慢的缺点，但非参数化模型的建立往往需要对系统进行大量的试验研究，消耗成本巨大。

由于各种分析和识别方法都有其各自的特点和局限胜，因此必须针对具体问题，采用适当的方法对系统进行理论分析和参数识别。

在油气悬挂的技术应用方面，国外自20世纪50年代后期由美国W ABCO公司首次提出以来，人们从实践中逐渐认识到该项技术重大的开发潜力，后经过多年努力，已经有了长足的发展和进步。

从国家知识产权局检索到的信息表明，国外在涉及油气悬挂方面的各项发明专利多达几千项，占据了这一领域的绝对主导地位，并且主要集中在上世纪80年代，说明其早已进人了成熟和实用阶段，从搜集的资料来看，国外在以下车辆中应用了油气悬挂系统。

1）军事特种车辆
包括轮式输送车、装甲车、坦克及导弹运输车等。

例如美国和德国合作研制的MBT-70坦克装有可调式油气悬挂，还可实现悬挂的液压闭锁；美国UET-A型万能履带式装甲工程牵引车，采用的油气悬挂具有闭锁功能，在推土作业时可保持车身呈水平稳定状态；美国M107自行火炮具有悬挂闭锁装置，发射时可实现悬挂闭锁；美国HSTV-L轻坦克试验样车以及AA V7AI两栖装甲战车也采用了可调式油气悬挂；前苏联自T-72坦克装备部队后，大力改善其悬挂装置，在后来研制的T-80坦克、“雷神”导弹防空车、别拉斯和SSU-20移动式导弹发射车以及空降兵部队使用的BMD车上也采用了可调式油气悬挂；法国AMX-10RC（带炮）
轮式战车（6*6）、AMX-10C履带式战车和轮式“响尾蛇”导弹发射车（4*4）均装有可调式油气悬挂，前者重15T，正常行驶时最小离地距离为0.35m，可在0.21-0.47m范围内调节，后者振动频率可降低到1HZ以下，平顺性接近轿车水平；日本74式主战坦克装有可调式油气悬挂，车体可上下升降200mm，前后俯仰6度，左、右侧倾9度，是目前唯一能够全面实现上下升降、左右侧倾和前后俯仰的坦克；瑞典无炮塔的STRV103式S坦克上，采用了可调式油气悬挂，是最早以可调式油气悬挂装备部队的坦克。

另据报道，英国的“挑战者”主战坦克、法国的勒克莱尔主战坦克、日本的90式主战坦克、韩国的88式主战坦克、瑞士的“锯脂鲤”，包括4*4、6*6、8*8 等多种轮式装甲车、巴西的EETI奥索里奥坦克、意大利的“半人马座”24T轮式装甲车（最大时速可达108km/h)，均采用了可调式油气悬挂系统。

2）工程、矿山机械（车辆）
主要包括各类矿用自卸卡车、全地面起重机、铲运机械和轮式挖掘机等。

如美国卡特彼勒(Caterpillar）、日本小松（Komatsu）等公司的重型矿用自卸车，德国利勃海尔（Liebherr）、美国格鲁夫（Gove）、德国克虏伯(Krupp）等公司的全地面起重机，日本神户钢铁株式会社（KOBELCO）的越野轮胎起重机，美国卡特彼勒(Caterpillar）公司的TS-24B型铲运机，日本日立建筑机械有限公司（Hitachi）的轮式挖掘机等。

3）赛车及轿车，如法国雪铁龙（Citroen）公司Citroen DS19、ID-19型赛车，德国的BENZ 450EL6.9，法国的Citron CS、CX系列轿车等。

2.2 国内研究现状及应用
国内对油气悬挂的研究也始于20世纪50年代末期，北京工业学院率先在1959年做出了样件，进行了台架试验，1960年又进行了装车试验，取得了国内最早的第一手资料。

但直到80年代初期国内才真正有实际产品出现，技术储备与国外相比整体差距较大，仍旧处在引进样机、测绘和类比仿真阶段，自主研发能力较弱。

资料显示，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挂的文献，1984年上海重型汽车厂测绘了美国的单气室油气悬挂，并应用于上海重型汽车厂生产的SH380\SH382矿用自卸车上，但使用效果并不理想，主要是密封险能不好，可靠性差；90年代初中期，徐州工程机械集团有限公司（1992年）、湖南浦玩工程机械厂（1994年）先后从德国利勃海尔公司引进LTM1025、LTM1032、LTM1050全地面底盘汽车起重机，促进了油气悬挂技术的推广应用。

而后在我国期刊杂志上出现了许多介绍油气悬挂系统的文献，国内一些高校也开始进行油气悬挂技术的研究。

1994年北京理工大学的高凌风对互连式油气悬挂动刚度和车辆振动响应进行了分析计算，同年同济大学的孙求理对单筒式油气悬挂缸进行了理论研究和优化设计；1998年大连理工大学的赵春明利用功率键合图法建立了描述全路面起重机互连式油气悬挂系统的动态模型，利用数字仿真对车辆在路面不平度激励下的振动响应进行了研究；2000年浙江大学的吴仁智对LTM1032型汽车起重机双气室油气弹簧进行了计算机仿真和试验研究，建立了双气室油气弹簧的非线性数学模型；2003年吉林大学的赵登峰以3303B型自卸汽车油气悬挂系统作为研究对象，对其动态特性进行了研究；2005年吉林大学的周德成对矿用自卸车油气悬挂系统进行了动力学仿真与试验研究，并运用神经网络建立了油气弹簧的数学模型；中国矿业大学的封士彩对德国CXPIO32型汽车起重机油气悬挂单元动态性能进行了研究。

清华大学的金达峰等开展了主动油气悬挂的研究。

使用油气悬挂的车辆几个厂家的工程自卸车外，主要集中在军工方面，如：航天15所研制的固定型号移动式导弹发射车，采用了混合式油气弹簧，无车高调整功能，并使用了简易的负荷平衡措施，即将车辆两侧油气弹簧的气腔连通；重庆256厂研制的自行榴弹炮车采用了隔离式油气弹簧，具备静态车姿调节功能，主要用于调整车辆的发射状态；北京理工大学研制的某型装甲输送车，采用了双缸式带反压气室的油气弹簧，并附加了整车调节系统，同时能够实现悬挂的刚性闭锁；北方车辆研究所研制的某型导弹发射车，吸收了俄罗斯相关车辆的底盘技术，具有整车车姿调节系统。

从国内油气悬挂的研究现状来看，主要存在以下问题：
l）由于缺乏试验设备和经费，以及国外取得的先进理论成果和应用经验很少见诸于文献的缘故，只有少量研究单位有能力对油气悬挂进行基础性和系统性的研究，但所得结论要达到指导设计和生产实际产品的要求还有一定距离；
2）目前国内的研究工作更多地还是停留在引进成熟样机的基础上开展相关理论分析，导致自主研发能力不强。

到目前为止，只有徐工集团、北方车辆研究所等少数单位研制的产品达到了装车要求，但要与世界先进水平接轨，还有很长的路要走。

综上所述，导致了国内在系统结构设计方面研究的匾乏，安装有油气悬挂的车辆品种较少，而且更多地还是应用在军工方面。

3、研究方向
人们对油气悬挂的评价主要体现在性能和使用寿命两个方面，性能通常是指油气弹簧的力学特性，包括阻尼特性和弹性特性；使用寿命则包括悬挂缸零部件抗冲击的可靠性及密封件的耐久性等。

现有技术中，国内学者在产品力学性能方面的研究居多，不过方法和手段较为单一，集中在测绘或引进样件的仿真与试验分析上，且精确度不高，虽然所得结论具有一定的参考价值，但还无法有效指导产品的设计工作，所以只有对不同阀系结构的受力状态及其节流现象进行系统研究，并归纳出完整的解析计算方法，才能有效逼近减振装置的标准阻尼特性，从而达到准确设计相关结构参数的目的；在弹性特性方面，国内学者普遍使用绝热状态下的理想气体状态方程展开研究，但绝热指数与温度等诸多客观因素有关，为便于分析人们通常取其中的某一平均值，容易造成较大误差，后来有人参照国外研究成果使用8个常数的BWR实际气体状态方程对弹隆力值进行推算，由于参数过多且方程形式复杂，也不利于工程应用。

另外，国内在产品使用寿命方面的理论探讨还很匮乏，相关报道和成果也较少，实践表明，由于阻尼阀承担着衰减来自地面随机激励的作用，其所处工作环境相对恶劣，且易受到频繁的交变冲击，所以研究如何减小冲击力值及其交变次数对提高阻尼阀的疲劳强度具有重要价值；同时油气弹簧的泄漏问题也是限制其发展的主要瓶颈之一，这与缸体的温升有很大关系，需要开展较为系统的热学研究，并分析内在机理，找出规律，减小其对密封件耐久性的影响。

油气悬挂与其它悬挂形式相比虽然具有明显的优越性，但仍旧属于传统的被动悬挂范畴，其阻尼参数一经选定，便无法再进行更改，从车辆的舒适性和操纵稳定性来看，只能针对不同路况采取某种折中方案，限制了系统性能的充分发挥。

现有技术中，半主动悬挂的研究主要体现在对阻尼参数的控制方面，通过调节减振装置的阻尼系数，改变阻尼比，以达到悬挂系
统动态性能与车辆行驶状态实时匹配的目的，这样的方式简单、可靠且易于实现，是取代传统悬挂的新型产品。

国外对半主动油气悬挂的研究重点已从理论探讨转入实际应用阶段，并制订了明确的规划和进度要求。

资料显示，美军规划中的“未来作战系统” (FCS）将安装最先进的智能油气悬挂（HASS)，提出的战技指标是使坦克的机动性提高50％、车身平稳性提高30%，公路时速达120km/h，最高越野速度达100kln/h；另外，韩国的88式坦克已经安装了半主动肘内式油气悬挂系统，俄罗斯也进行了将油气悬挂发展为可控悬挂的研究。

由于国内在半主动油气悬挂方面的研究还处于起步阶段，所以急需开展相关工作以提高自身的能力和水平。

4、结论
总的来讲，油气悬挂从理论的提出至今已经有几十年的历史，而且也应该是今后相当长一段时期业内人士所研究的重点、热点课题。

国内的众多专家学者在悬挂系统设计方面做了大量工作，理论上的探讨也常见于各大期刊，为我国的车辆悬挂事业做出了很大贡献。

有人说我们在油气悬挂的理论研究方面已经很成熟，但从严格意义上来讲，我们的理论还远不能用“成熟”二字来形容，还不能很好地指导设计工作，还需要进一步的探索，需要一种“百花齐放”的现象出现，从而带动整个行业的发展。

车辆半主动悬架技术发展现状和趋势
悬架系统是汽车的重要组成部分之一。

汽车悬架系统是指连接车身和车轮之间全部零部件的总称，主要由弹簧、减振器和转向机构三大部分组成，其作用是传递车轮和车架之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的平顺行驶。

半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。

由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力。

半主动悬架技术发展现状
根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，可将悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。

随着生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。

人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而达到乘坐舒适性的提高。

1973年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主动悬架的概念。

其基本原理是：用可调刚度弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器的阻尼，以达到较好的减振效果。

半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。

目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。

阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架，有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。

有级可调减振器
有级可调减振器阻尼可在2-3档之间快速切换，切换时间通常为10-20ms。

有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。

通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。

有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。

连续可调减振器连续可调减振器的阻尼调节可采取以下两种方式：
1.节流孔径调节
早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。

通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。

这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。

2.减振液粘性调节
使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。

电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如剪切强度、粘度等会发生显著的变化，将其作为减振液，只需通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，就可改变减振器的阻尼力。

电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的
执行器是一个非常好的选择。

但电流变液体存在着一些问题，如电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、沉降，稳定性差，对杂质敏感等。

要使电流变减振器响应迅速、工作可靠，必须解决以下几个问题：①设计一个体积小、重量轻、能任意调节的高压电源。

②为保证电流变液体的正常工作温度，有一个散热系统。

③高压电源的绝缘与封装。

国外如德国Bayer公司和美国Lord 公司都已有电流变减振器产品。