油气悬架的结构原理及其应用

[摘要]油气悬架技术是一种新型的车辆悬架技术，是发展现代特种车辆及大型工程车辆的关键技术，本文结合由徐州工程机械集团公司从德国利勃海尔公司引进的LTM系列全路面汽车起重机为例对油气悬架系统的结构、原理和特征作一初步介绍

关键词：油气悬架结构原理

1 悬架概述

悬架是指车架与车桥之间一切传力连接装置的总称，一般是由弹性元件、减振器和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（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩按人们预定的目的传递车架上，以保证汽车的正常行驶。按车辆在行驶过程中，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称为主动悬架。当然，一些文献并不严格区分半主动悬架和主动悬架的界限。认为只要有外部能源改变动力特性，该悬架系统就称作是“主动”的。被动悬架是发展最早、应用最为普遍的一种悬架，经过百余年的发展与不断完善，被动悬架的设计、制造已比较成熟，其成本也比较低廉，但是被动悬架的弹性元件、减振器一旦安装在车辆上，悬架的性能就固定不变，不可再施加控制；半主动悬架和主动悬架是目前乘坐动力学领域的研究热点，采用半主动悬架和主动悬架后，车辆乘坐动力学性能确实得到提高，但与被动悬架相比其成本高、可靠性差，仅用于高档轿车、赛车及重要的载重车辆中。

2 油气悬架的特性及其应用现状

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，达到了只有主动悬架才能实现的部分功能和性能。1992年徐州工程机械集团有限公司从德国利勃海尔公司引进的LTM系列全路面汽车起重机以及2002年徐州重型机械厂设计生产的QAY25全路面汽车起重机使用的都是油气悬架。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，悬架油缸内部的节流孔、单向阀等作为减振器元件的一种悬架。图1所示为LTM1032起重机油气悬架与车架、车桥间的外形连接图。

2.1 油气悬架的特征

a非线性刚度。被动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，因此车架的自然振动频率f就会随着车架的质量M变化而变化；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，这就有可能通过参数优化设计来保持车体的振动频率不随车体质量的变化而变化或变化很小。

b 单位储能比大。在氮气充气压力为6Mpa的条件下，油气弹簧的单位重量储能是钢板弹簧的单位重量储能的3500倍，这有利于减轻悬架的质量和结构尺寸。

c 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。

d 刚性闭锁。通过切断油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。

e 非线性阻尼。可迅速抑制车架的振动，具有很好的减震性。

2.2 油气悬架的应用领域

a 军事车辆。如意大利生产的“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“锯脂锂”轮式坦克等

b 全路面汽车起重机。如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AT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。

c 铲运机械。如美国卡特彼勒公司生产的TS-24B自行铲运机

d 轮式挖掘机。如日本日立建筑机械有限公司生产的10吨轮式挖掘机

e 矿用自卸车。如美国卡特彼勒公司生产的CAT789自卸车、瑞典沃尔沃公司生产的VMER90自卸车、上海重型汽车制造厂生产的SH380、SH382自卸车

2.3 油气悬架的技术现状

油气悬架技术始于上世纪六十年代后期Karnopp发明的油气减震器，它最先应用在德国和日本的重型车辆上，以后逐步推广应用到军用特种车辆及其工程机械车辆上。目前油气悬架的结构有单气室油气分离式、双气室油气分离式和油气混合式等多种商品化型式。在技术方面，国外定性定量研究比较全面，对于如何进行结构参数的设计以及结构参数的变化如何影响油气悬架的性能，应该说都有较好的研究成果，但因为这是结构设计的关键，属于企业的商业秘密，因此很难看到这方面的相关材料，充其量不过是油气悬架的简化数学模型、仿真及其仿真结果的实验验证等。

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。1984年上海重型汽车制造厂通过测绘美国样机的油气悬架而应用到该厂的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全路面汽车起重机，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有如下特点：

a 油气悬架研究方面主要集中在计算机仿真分析、原理介绍、国外应用分析。

b 目前还没有形成一套简单易行、切实可靠的方法理论去指导油气悬架的设计，还处于国外样机测绘、类比、试验修改的阶段。

3 油气悬架的结构、原理及影响因素分析

3.1 悬架油缸的结构

油气悬架缸的结构形式较多，下面选两种形式分别加以介绍。

3.1.1单气室悬架油缸结构

图2为单气室悬架油缸的结构，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油缸的大、小腔（A、B腔）沟通，蓄能器通过管路与油缸的大腔相通。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震器作用。

3.1.2 双气室悬架油缸结构

图3所示的油气悬架缸结构是双气室结构，油缸的内部有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相通，A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，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腔的油液受到压缩会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。

可以看出，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；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。

3.2 油气悬架原理及主要实现功能

图4为LTM1032起重机前桥油气悬架的原理，主要元件有两个悬架缸，两个蓄能器，四个电磁阀，四个气动阀，此外配有油源和气源系统。完成如下主要功能：

a 刚性锁紧。此时所有的电磁阀、气动阀都处于关闭状态，悬架油缸与蓄能器、其它液压元件断开，相当于悬架油缸的大小油腔皆被堵塞。在这种条件下可实现上车的吊重行驶功能。

b 柔性支撑。此时四个电磁阀关闭，四个气动阀接通，一个悬架油缸的大、小油腔与另一个悬架油缸的小、大油腔互相沟通，且与各自的蓄能器相连接。在这种条件下路面的激励产生的冲击可通过悬架缸的液压油传递给存有一定压力气体的蓄能器，从而起到缓冲和吸收振动的作用。

c 整车升降。在四个气动阀接通的前提下，同时接通Y、Y（或Y、Y）可实现车架的整体升高（或降低），从而提高整车的通过性能。

d 单侧升降。在四个气动阀接通的前提下，单独接通一侧的电磁阀可使该侧的车架升高（如接通Y）或降低（如接通Y），同时另一侧的车架会降低或升高，从而满足车辆特别的侧倾性要求。

e 整车调整平。接通调平开关，悬架缸上的传感器开始检测活塞所处位置，进而调节相应油缸以达到整车调平的目的。