车辆油气悬架性能研究及现状分析.pdf

车辆油气悬架性能研究及现状分析 许路 ，苏铁 熊 ，侯 军海 ，史小航 中北大学机 电工程学院，山西太原 0 3 0 0 5 1 摘要阐述了油气悬架的结构及其工作原理，研究了油气悬架的刚度特性 、阻尼特性 、高度可调性 、减震性 、单位储能比。 慨述了油气悬架技术的国内外研究现状 ，并对国内外技术状况做了对比分析，指出了目前国内油气悬架技术研究和产品开发中亟 待解决 的问题及 解决方法 。 关键词 油气悬架；性能研究；现状分析 A Eng i n e e r i n g Ve hi c l e Pe r f o r ma n c e o f Hy dr o- pn e u ma t i c S us pe ns i o n a n d Re s e a r c h S t a t us XU L u，S U T i e x i o n g ，HO U J u n h a i ， S HI Xi a o h a n g S c h o o l o f M e c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ，N o a h U n i v e r s i t y o f C h i n a ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 5 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s a r t i c l e ， t h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f p n e u ma t i c s u s p e n s i o n w e r e d e s c r i b e d ． T h e p n e u ma t i c s u s p e n s i o n s t i f f - n e s s ，d a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，h e i g h t a d j u s t a b l e ，d a mp i n g p r o p e rt i e s ，e n e r g y s t o r a g e u n i t s w e r e a n a l y z e d ．O v e r v i e w i n g o f t h e p n e u m a t i c s u s pe n s i o n t e c h no l o gy r e s e a r e h s t a t u s， a n d t h e n t h e d o me s t i c a nd f o r e i g n d e v e l o p me n t o f t h e p n e uma t i c s u s p e n s i o n t e c h n o l o g y we r e b r i e i fly c o mp a r a t i v e a na l i z e d，po i n t i ng o u t t he u r g e n t p r o bl e ms t ha t i s i n t h e c u r r e n t s us p e ns i o n o f do me s t i c r e s e a r e h s a n d p r o du c t de v e l o p me nt s t o b e s o l v e d a n d t h e t r e n d s o f t h e d e v e l o p me n t o f t h e Hy d r o p n e u ma t i c s u s p e n s i o n t e c h n o l o g y ． Ke y wor d s Hy d r o pn e uma t i c s us p e ns i o n； Pe r f o r ma nc e r e s e a r c h； Te c h n o l o g y s t a t u s a na l y s i s 0 引言 油气悬架指的是以油液传递压力，用惰性气体 通常为氮 气 ，其化学 符号 为 N 作 为弹性介 质 ，由蓄能 器 相 当于气 体 弹簧 和具有减振器功能 的悬架缸组成 。悬架缸 内部 的节 流 孔 、单向阀等 ，代替了通 常的减振 器元件 ，构成 的油气悬架 集 弹性元件和减振器功能于一体 ，形成一种独特的悬架系统。 1 油气悬架结构及工作原理 1 单气室悬架液压缸 蓄 图 l 单气 室悬架 液压 缸 的结构 图 1为单气室悬架液压缸的结构，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 A、B腔沟 通，蓄能器通过管路与液压缸的 腔相通。车辆受到不平路面 激励时，活塞及活塞杆组件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 ．2． ． ．0．．．“ 1 ．．．|． ． ． ． ．0．． 8．．．．．．．．．A． ． ． ．u． ．．t． ．o． ．．m． ． ． ． o ． b． ．i．1．e．． ． ． ．P．． ． ．a ． rts 087 研究与开发 大干 曰腔缩小的体积，结果会导致蓄能器的部分油液在气体压 力作用下进入 4腔 。 2 双 气室悬架液压缸 图 2所示的油气悬架液压缸 结构是双气室 结构 ，液压缸 的 内部有 4 、B 、C三个油腔 ，C腔一方面通过数个阻尼孔和单 向 阀与 曰腔相通 ，另一方面还 通过 管路与 左蓄能器相通 ，4腔通 过管路仅 与右蓄 能器相通 。当活塞 及活塞杆 相对缸 筒收 缩时 ， 』4 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简伸张时，曰腔的油液因 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 。 左 蓄 图 2 双气室悬架液压缸的结构 杆 2 油气悬架性能研究 1 非线性变刚度及变阻尼特性 随着车架与车桥相对压缩行程 的增大 ，刚度系数 呈非线性 增大，而在其拉伸行程变化不明显，这样可以实现平坦路面上 行驶时动行程小 ，悬挂 刚度 小，行驶 平顺性好 ，而在起 伏地面 上行驶时，悬挂刚度大，能吸收较多冲击能量，避免产生刚性 撞击 ，使车身获得很低的 自由振动频率 ，实现频率 衰减 ，使车 辆具有良好平顺性。油气悬架的阻尼特性主要表现在车架相对 于车桥的拉伸行程 ，而对相应的压缩行程表现不明显。随着车 架与车桥相对速度的增大，阻尼力和阻尼系数相应增大，且表 现出油气悬架在车架与车桥相对拉伸时阻尼系数大而在压缩行 程时阻尼 系数小 ，可见油气悬架的阻尼力与速度 不是线性 关系 而是 非线性 的关 系 。 2 高度可调性及减震性能 通过对 液压缸补油或排油实现车身高度 的自动调整或使 车 身高度保持不变，即能使车体上、下升降及前后俯仰和左右倾 斜。油气悬架在动行程、速度、加速度、地面信号的频率、地 面对车轮的冲击力方面具有极大的降低效果，特别对地面的高 频振动信号，油气悬架表现出极大的衰减率，说明油气悬架适 用于车辆在不平坦路面上高速行驶 。 3 结构紧凑，单位储能比大 油气悬架单位储 能比大 ，有利于减轻 悬挂 重量和减 少结构 尺寸 ，钢板弹簧的单位重量储 能比为 7 6 0～1 1 5 0 N c m ／ N，油 气弹簧则可达 3 3 0 0 0 0 0 N- c m ／ N 以 6 ． 0 MP a氮气充气压 力 。 4 油气悬架缺点 油气悬架除了悬挂缸、蓄能器外，还需要配置液压泵、液 压控制阀以及相应的电子、电气控制元件和油箱、滤清器等辅 件。油气悬架承 受载荷大 ，对油气的 密封 性和各控制 阀的密封 性要求较 高 。 3 油气悬架国内外研究现状 1 】国外研究现状 国外学者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。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。利用油气悬架的阻尼相对刚度易调的优势，调节阻尼实现 悬架的半主动控制和主动控制。在主动控制策略研究方面，主 要有最优控制理论方法、自适应控制方法、基于神经网络的控 制方法和模糊控制方法等。 2 国内研究现状 2 0世纪 9 0年代我 国一些企 业 引进 了具有 油气悬架 系统 的 工程车辆 ，此后形成 了油气悬架技术研究 的高潮 ，国内一些 高 校亦开始研究油气悬架技术。国内基于油气悬架的研究主要集 中在以下几个方面 1 油气悬架的刚度及阻尼特性的仿真研 究。国内学者对这方面研究得最多，主要是油气悬架的刚度和 阻尼的非线性特性的仿真建模定性分析及对整车行驶平顺性能 的评 价指标分析 。主要的软件工具是 M A T L A B中的 S I M U L I N K 模块 ，如设计平衡悬架来达到整车刚度可变，实现改善车身倾 侧性能。 2 特定车型 多为弓 I 进的油气悬架系统的仿真 及特性分析。徐重、中联浦沅等国内企业进行了测绘和仿真特 性研究，并建立了试验平 台，在试验的基础上，改进 自身产 品。国内部分高校开始采用 A D A MS软件 建立参 数化油 气悬架 机械模型，并将液压系统纳入模型，通过有限元分析软件建立 油气悬架的柔性力学模型和振动模型，进行了一些静力学和动 力学分析，同时对悬架结构进行了初步的优化设计，但应用较 少，还处于研究阶段。 3 新型结构形式油气悬架的开发与研 究。该项研究 目前 多集 中于科研院所 ，例如某种 车用可控 刚度 油气悬架设计模型 。采用 了主 、副 2个储气 室 ，副储气室 的 预充气压力高于主储气室且高于静平衡位置时 的油 气弹簧工作 压力，E C U通过传感器采集油气悬架工作压力等信号，根据车 辆行驶状态的判断来确定开关阀打开与否，控制悬架的刚度随 着车身状态而相应改变，控制悬架输出力。 4 国内亟待解决的问题 1 系统性、基础性研究。这需要研究、设计、生产单位 增加开发费用 ，引进 和设计试验设 备。高校 可以借用企 业的试 验台进 行参数 研 究 ，既 要进行 油气 悬架 理论 、仿真 方 面 的研 究 ，又要重视油气悬架具体结构设计方 面的研究 ，开发独立 自 主的油气悬架产 品。 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。 5 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。 参 考文献 【 1 】赵力航 ， 陈轶杰 ， 管继富 ， 等． 油气悬挂系统的结构特点及分类 [ J ] ． 农业装备与车辆工程， 2 0 0 9 3 1 2 1 8 ． 【 2 】赵以强， 周长城， 赵雷． 油气弹簧多片叠加节流阀片与开发压力 研究[ J ] ． 农业装备与车辆工程， 2 0 0 9 1 O 7一l 0 ． 【 3 】甄龙信， 张文明， 王国彪． 油气悬架综述[ J ] ． 有色金属 矿山部 分 ， 2 0 0 4， 5 6 4 ． 【 4 】彭友谊． 油气悬架系统简介[ J ] ． 建设机械技术与管理， 2 0 0 6 ， 1 9 5 8 08 3 ． 【 5 】王欣， 蔡福海 ， 高顺德． 车辆油气悬架技术现状与发展趋势[ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 7 1 5 8 6 1 ． 【 6 】秦家升， 安静． 油气悬架的特征及其结构原理分析[ J ] ． 工程机 械 ， 2 0 0 3 ， 3 4 1 1 71 0 ． 【 7 】吴志成， 陈思忠， 杨林， 等． 车用可控刚度油气弹簧刚度特性 [ J ] ． 北京理工大学学报， 2 5 1 2 ． 作者简介 许路 1 9 8 6 一 ，男 ，汉 ，山东枣庄人 ，硕士研究 生 ，研究 方 向汽车 总 体 系统设 计 技 术。电话 1 5 1 3 5 1 6 5 5 2 7 ， E- ma i l x u l u 1 98 6 1 01 2 1 63 ． C O n l 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 7一 O l 研究与开发 ．A ． ．．u．．． ．． m． ．o． ．．．b． ．．i．1．e． ． ．P．． ．a． ． ．r． ．t． ．s ． ．．2．．．0．． ．1． ．1． ． ． ． ．0 8 088