油气弹簧缸设计与特性分析(精)

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。

2.2 油气弹簧工作原理
2.2.1 单气室油气弹簧原理
单气室油气弹簧又分为油气分隔式和油气不分隔式两种。

前者可防止油液乳化，且便于充气。

如图2-1为单气室油气悬架结构原理图，在活塞杆的内部有一个空腔，该腔通过数个阻尼孔和单向阀将液压缸的大、小腔（A、B腔）沟通，蓄能器通过管路与液压缸的大腔相通。

当车辆受到不平路面激励时，活塞及活塞杆组件会相对于缸筒作往复运动，若活塞及活塞杆相对缸筒收缩，则A腔的油液受到压缩而向两个方向移动：一是进一步压缩蓄能器内部的气体而进入蓄能器；二是通过阻尼孔和单向阀而进入B腔。

若活塞及活塞杆相对缸筒伸张，则B腔的油液受到压缩，迫使B腔的油液通过阻尼孔向A腔流动（此时单向阀处于关闭状态），同时因A腔增大的体积大于B腔缩小的体积，结果会导致蓄能器的部分油液在气体压力作用下进入A腔。

在前一种情形下，因单向阀开启，活塞及活塞杆组件相对缸筒运动时受到的阻尼力较小，这相当于传统悬架中的弹簧作用；在后一种情形下，因单向阀关闭，活塞及活塞杆组件相对缸筒运动时受到的阻尼力较大，这相当于传统悬架中的减振器作用。

图2-1 单气室油气悬架结构原理图
2.2.2双气室油气弹簧原理
图2-2所示的是双气室悬架液压缸结构，液压缸的内部有A、B、C三个油腔，C腔一方面通过数个阻尼孔和单向阀与B腔相通，另一方面还通过管路与左蓄能器（反压气室）相通，A腔通过管路仅与右蓄能器（主气室）相通。

当活塞及活塞杆相对缸筒收缩时，A腔的油液会受到压缩而进入右蓄能器，C腔的油液因B 腔容积增大而受到左蓄能器气体压缩进而通过阻尼孔和单向阀进入B腔；相反地当活塞及活塞杆相对缸筒伸张时，B腔的油液因受到压缩而通过阻尼孔进入左蓄能器，右蓄能器的油液因A腔容积增大而受到右蓄能器气体压缩进而进入A腔。

由于反压气室的作用，使悬架在伸张行程时的刚度比单气室悬架的刚度要大得多。

只要对两气室气压和容积参数选择适当，就可以使悬架刚度保持合适的变化规律，使悬架具有较理想的弹性特性。

图2-2 双气室油气悬架结构原理图
2.2.3两级压力式油气弹簧原理
两级压力式油气悬架是国外另一种新型的油气悬架，其结构原理如图2-3所示。

它的特点是在活塞上部具有两个并列气室，但其工作压力不同。

其中之一称为主气室A，充有气压与正常单气室油气悬架相近的氮气；另一气室称为补偿气室B，其中充有比主气室气压高的氮气。

两个气室都用橡胶隔膜将气体与油液隔开。

两个气室的作用就像钢板弹簧中主簧与副簧的作用一样。

1—活塞；2—第一级压力缸；3、4—橡胶隔膜；5—第二级压力缸
图2-3两级式油气悬架简图
由于悬架中的补偿气室气压高于主气室的气压，因此，当悬架上载荷增加时，先是主气室参加工作。

当载荷增加到一定程度时，补偿气室才参加工作。

把补偿气室开始工作时的悬架载荷称为临界载荷，当悬架上载荷超过临界载荷时，补偿气室和主气室一起工作。

双级压力式油气悬架由于两个气室不是同时参加工作，而是根据汽车载荷的变化先后参加工作，因而使悬架刚度的变化更加符合悬架性能的要求，从而保证汽车空载与满载时悬架有大致相等的固有振动频率，从而提高了汽车行驶的平顺性。

这种结构在意大利矿用汽车（佩尔利尼S-30型）上采用过。

3. 带反压气室油气弹簧理论模型和结构设计的关键问题
3.1 概述
油气弹簧以其优越的非线性特性和良好的减振性能，在各种车辆上得到了越来越广泛的应用。

随着车辆载荷的增加、速度的提高，改善油气弹簧在更高的工作压力下的动态密封性能，延长其使用寿命和准确设计其减振性能参数，已经成为油气弹簧设计中的主要问题。

本文主要针对带有反压气室的油气弹簧进行研究。

3.2 双气室油气弹簧理论模型
1-活塞杆2-上蓄能器3-液压缸筒4-下蓄能器
5-活塞6-单向孔7-阻尼孔
图3-1 带反压气室油气弹簧简化示意图
本文对独立式油气悬架的带反压气室油气弹簧系统进行简化，可得到图3-1所示的油气弹簧系统示意图，它主要由液压缸和上下两个蓄能器组成。

液压缸中有A、B、C三个油腔,其中充满油液,A腔和B腔油液通过阻尼孔7及单向阀6相连通,而C腔油液与A、B两腔油液由活塞隔离。

上下两个蓄能器E和D分别与B 腔和C腔相通,蓄能器内充入高压氮气,高压氮气由气囊与油液相隔离。

油气悬挂系统工作过程可以分为复原行程和压缩行程两个部分。

在复原行程(即活塞杆向上运动时),A腔油液压力升高,该腔油液通过阻尼孔7压入B腔,B
腔与蓄能器E相通,B腔油液再压入蓄能器E,使蓄能器E内的氮气得到压缩。

活塞向上运动使C腔油液压力降低,与C腔相通的蓄能器D在高压氮气的压力作用下将油液压入C腔;在压缩行程(即活塞向下运动时),A腔油液压力降低,蓄能器E 内高压氮气在压力作用下将油液压入B腔,B腔油液通过阻尼孔7和单向阀6向A 腔补油。

活塞向下运动使C腔油液压力升高,将该腔油液压入蓄能器D,使蓄能器D内的氮气得到压缩。

当车辆行驶时,路面起伏引起活塞在缸筒内上、下运动,这样,使A、B两腔的油液在压差的作用下往复地通过一些阻尼孔和单向阀孔,具有压差的油液流过阻尼孔和单向阀孔时消耗能量,衰减汽车的振动,这一过程就形成了油气悬挂系统的阻尼特性。

而与上下油腔相连的蓄能器内充满封闭的高压氮气,通过高压氮气的弹性变形来承受载荷,减轻地面对车辆的冲击,这一过程就形成了油气悬挂系统的弹性特性。

3.3带反压气室油气弹簧物理模型
为了简洁地表示所设计的带反压气室油气弹簧结构，绘制了如图3-2所示标有一些主要尺寸的简易结构图。

图3-2 带反压气室油气弹簧结构简图
3.4主要基本尺寸的确定
为设计方便，通过参考相关资料，预设，110C D mm =、90E d mm =，行程200L mm =，则 C 腔圆面积 220.00954C
C D A m π==
A 腔圆环面积 ()2
220.00314
A C E A D d m π=-= 面积差 20.0064C A A A A m ∆=-=
假设当主活塞移动到最大压缩行程的极限位置时，则C 腔的油液变化量全部流入蓄能器D ，那么，蓄能器D 的初始体积0D V 应该满足要求0D C V A L >•，即300.0019D V m >。

这里初设蓄能器D 的初始体积330 2.510 2.5D V m L -=⨯=。

假设当主活塞移动到最大拉伸行程的极限位置时，则A 腔的油液变化量全部流入蓄能器E ，那么，蓄能器E 的初始体积0E V 应该满足要求0E A V A L >•，即300.00062E V m >。

这里初设蓄能器E 的初始体积330 1.010 1.0E V m L -=⨯=。

若取D D =110㎜，则24D
D D A π==0.0095㎡，00D D D
V H A ==263㎜； 若取E D =60㎜，则24E
E D A π==0.0028㎡，00E E E
V H A ==357㎜。

活塞杆缸的壁厚为15㎜，604(3.2,16)15
=∈，属于中厚壁。

以上各计算参数在以后的特性仿真过程中将进行调整，以达到使用要求。

3.5 油气弹簧结构设计关键问题
3.5.1结构设计及制造技术要求
为了保证油气弹簧运动灵活、密封可靠，合理的结构设计和制造技术要求显得非常重要。

如下几个方面值得特别提及。

1）相对滑动的内外缸筒配合间隙应该严格满足密封件间隙要求。

2）对相对滑动的内外配合表面粗糙度要求：内孔表面轮廓算术偏差
Ra ≤0.5m μ；外圆表面轮廓算术偏差Ra ≤0.4m μ。

3）相对滑动的内外配合表面圆柱度要求在7级以上。

4）安装密封件时，初始接触的缸筒等零件端头应该有15度左右倒角；倒角和圆柱面相交处应该圆弧过渡；防止安装时损坏密封件。

5）所有零件应该去毛刺，不得存留杂质和污物。

6）安装时，工具表面应该光滑，且保持清洁；密封件应该涂以润滑剂。

3.5.2 密封件的选用
油气悬架的工作特点是往复运动频繁,冲击大,频率较高,频带较宽,因而对于密封技术是元件能否长期有效地工作的关键技术。

油气悬架易漏油和密封件寿命低是其突出的缺点,成为几十年来国内外研究的关键技术问题。

一般常规密封件为O 形密封圈,应用广泛,但在活塞运动时容易造成密封圈的滚动和扭曲,失效严重,漏油明显。

对于Y 形密封圈,是单向密封,缺口朝着高压方向,压力越高,缺口越张开,密封越紧,有自封作用,在密封效果上有所增强,但是加大了运动过程中的摩擦力。

为了进一步提高油气悬架的工作可靠性,一种新型油气悬架缸密封结构如图3-3所示,由斯特封与弹性O 形圈构成滑环式组合密封结构,用于油气悬架的活塞杆与悬架缸筒的密封,也可用于活塞与缸筒的密封。

密封圈的几何形状是阶梯形,可以达到零泄漏,密封圈下有2个带预压缩量的O 形橡胶圈作为弹性体,用以补偿密封圈的磨损。

这种密封具有良好的自润滑性、防爬性和耐腐蚀性,且摩擦系数低。

1-活塞杆 2-悬架缸筒 3-O 形密封圈 4-斯特封
图3-3 油气弹簧密封结构
这种密封环采用直接成型工艺制成,具有以下优点:
(1)摩擦系数低,动、静摩擦系数相同,起动无黏滞,起动力小,运行无爬行;
(2)耐磨性好,抗蠕变性能强;
(3)使用温度范围宽(-10～+130℃),压力等级高(16～40 MPa);
(4)密封效果好,适用于各高、中、低压力的场合,具有快速的压力反应和较低的污染敏感性。

此外,该组合密封形式充分发挥了弹性体与滑环的各自特点,使其性能更佳。

滑环的耐磨性高,但弹性不足,因而靠内部O形圈的弹性扩张补偿磨损间隙;由于滑环与相对运动部件为圆柱面接触,避免了单独使用O形圈时易扭曲的现象。

同时,滑环密封件对密封间隙要求不高,可达到0.25～0.5 mm的间隙,因而降低了对工件的加工工艺要求。

活动间隙的加大还有利于减小运动中硬质污物划伤缸壁的可能性,提高了元件的寿命。

3.5.3导向宽度的选择
导向部分在油气弹簧往复运动时起导向支撑作用，承受活塞杆因外力引起的冲击、弯曲和振动，对油气弹簧的性能有相当大的影响。

当油气弹簧拉伸至设计允许最大长度时，两导向部分中心点之间的距离称为最小导向长度H，如图3-4所示。

如果导向长度过短，即使油气弹簧因配合间隙引起的初始挠度增大，影响稳定性。

而导向长度有往往受到结构的限制。

因此设计中必须保证一定的最小长度。

图3-4
一般来说，最小导向长度应该满足下式要求
>+（㎜）
H L D
202
式中L－油气弹簧工作行程，㎜
D－液压缸直径，㎜。