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。