非公路自卸車油氣懸架應用的一種算法

馬國安，馬國輝

（徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221000）

非公路自卸車油氣懸架應用的一種算法

馬國安，馬國輝

（徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221000）

油氣懸架承載能力大，非線性剛度特性和阻尼特性良好，文章基于非公路自卸車和油氣懸架的特點，選取系統中油缸、蓄能器和阻尼閥的性能和結構參數，為油氣懸架系統應用于自卸車提供了一種算法。

油氣懸架；自卸車；結構參數；一種算法

CLC NO.:U469.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-139-03

前言

隨著我國煤炭工業和鋼鐵工業的復蘇，非公路自卸車需求量急劇攀升，其生產設計水平以及滿載裝載質量都在不斷的提高[1]。非公路自卸車工作環境復雜、承載質量大、載荷沖擊變化大，傳統懸架無法同時滿足使用要求，全主動懸架可以滿足上述要求，但造價昂貴產品成本代價大，批量應用可行性小。油氣懸架系統不僅承載能力大，非線性剛度特性和阻尼特性優異，適用于復雜工況，而且造價遠低于全主動懸架，因此油氣懸架在工程車輛上具有良好的應用前景。

1、油氣懸架特點及應用現狀

油氣懸架是以油液傳遞壓力，利用惰性氣體（氮氣/氦氣）作為彈性介質，由蓄能器和懸架缸構成的一種懸架系統。比起傳統的懸架系統，油氣懸架具有以下優點[2]：

（1）具有非線性剛度、單位儲能比大、改善車輛運動性能等優點；

（2）可實現車身高度和姿態的自由調節、剛性閉鎖、水平調整等優點；

（3）當油氣懸架用于轉向軸固定在車軸主銷上時，可增大轉向輪轉角，減小轉彎半徑。

隨著油氣懸架技術在國內外受到重視，應用也越來越廣泛，目前在軍用車輛、大噸位工程車以及挖掘鏟運車輛等應用比較廣泛。但在商用車和工程車領域，油氣懸架仍處于試水階段，應用普及率極低，國外如GINAF、卡特彼勒等實現了油氣懸架在工程自卸車上的應用；國內僅有如徐工、中聯、中船、三一等在電動輪自卸車上有所應用，且均沒有形成大批量的市場化銷售。油氣懸架在傳統商務車制造企業眼中仍然屬于新鮮事物，目前尚處于邊探索和邊研究階段，尚未形成可大批量銷售的成熟產品。

基于上述背景，現介紹一種油氣懸架系統在自卸車上的應用，作為一種發展方向，它可以與自卸車的舉升系統或者轉向系統共用液壓供油部件和相關附件。同時在油氣懸架車輛上，承載系統與整車的參數的匹配也將成為各個廠家重點研究的方向。

2、承載系統與整車參數的匹配

由于油氣懸架在自卸車上取代了鋼板彈簧和減震器，所以彈簧的剛度、承載能力和減震器的阻尼要在油氣懸架系統的蓄能器、油缸和阻尼閥中有相應替代體現。所以在設計時必須確定液壓油缸的缸徑D和額定壓力Pe、蓄能器的容積V0和充氣壓力P0、以及阻尼閥的壓縮阻尼Fy和復原阻尼力等參數Fs。

下面以6X4自卸車為例介紹一中油氣懸架自卸車，其液壓原理圖如下圖1所示。

圖1 6X4工程自卸車油氣懸架液壓原理圖

2.1 液壓油缸參數計算

油缸采用單作用差動連接，根據自卸車的使用工況，貨車的動撓度fd一般在60～100mm，所以油缸的行程一般取2fd。根據油氣懸架自卸車越野工況下的試驗數據，懸架的的沖擊力為1.8～2.3倍的載荷，可根據油缸廠家的最大供貨壓力計算出車輛在靜平衡狀態下液壓油缸的承載壓力。油缸缸徑表示為D，油缸的活塞桿徑表示為d，可按照式2-1計算。

式中n為一組懸架油缸的數量；g為重力加速度（m/s2）；m為懸架的承載質量（kg）

s為車輛沖擊系數，根據試驗數據，車速在50 km/h以下，s取1.5～2.3，前橋的沖擊較大；Pmax為油缸允許的最大沖擊壓力（Pa）。

按照油缸標準，配置相應的缸徑D。由此可依據式2-2計算出車輛在靜置平衡時的油缸的承載壓力Ps：

2.2 蓄能器參數計算

首先根據車身固有頻率：n1（前懸），n2（后懸）選取車輛前、后懸的偏頻大小，對于工程類自卸車，一般根據人的舒適度前懸取1.5～2.1Hz，后懸取1.7～2.2，但對于越野車輛后懸剛度可取至2.8。根據式2-3可計算出前懸剛度c1和后懸剛度c2的匹配值。

式中n為懸架處車身固有頻率（Hz）；m為懸架的承載質量（kg）；c為懸架的剛度（N/m）。

根據油缸受力平衡方程：

式中F為單根油缸的載荷（N），Pa為大氣壓力(Pa)。

設蓄能器初始充氣壓力為P0（單位Pa），初始體積為V0（單位m3），工作時的氣體壓力和體積分別為P（單位Pa）和V（單位m3），靜置平衡時的體積為Vs（單位m3）。由于器壁與油液與氣體的熱交換，并且氣體體積相對小，我們認為蓄能器在等溫下工作，則根據氣體狀態方程：

設進入/流出蓄能器的油液的體積為Vδ，油缸由平衡位置至工作位置的行程為s，則有如下方程：

將式（2-7）和式（2-8）同時帶入式（2-6）可得：

又將式（2-9）帶入式（2-5）可得：

對F關于s求導，同時帶入式（2-4）可得懸架的剛度c：

在懸架靜置平衡位置處s=0，由此可得出Vs：

取sm為懸架油缸的極限行程，可得到蓄能器中氣體的最小極限容積Vmin和最大極限壓力Pmax。

設車輛的靜置空載的蓄能器的氣體體積為Vk，空載壓力為Pk；蓄能器的容積和壓力分別為V0和P0。為了保證系統壓力為Pk時，蓄能器仍具有釋放壓力油的能力，通常取P0= （0.7～0.9）Pk，有利于提高其壽命。

有上述可求得，蓄能器的容積V0：

由此可按照上述推導得到蓄能器的容積、初始充氣壓力和最大耐壓要求。

2.3 阻尼閥參數計算

2.3.1 油氣懸架的平均阻尼系數δ

按照單自由度振動模型考慮，選擇最佳阻尼系數則：

式中：ξ-懸架系統的相對阻尼系數，對于工程自卸車取ξ=0.25；n-車輛的固有頻率，對于工程自卸車滿載前懸取1.5，滿載后懸取1.8；m-單根油缸的簧載質量kg。

2.3.2 壓縮阻尼力Fy與復原阻尼力Fs計算

對于工程自卸車，取δy=0.25δs，δy=0.4δ，δs=1.6δ，則：

設油氣懸架油缸的活塞運動的最大速度為υs，達到該速度時阻尼閥片開啟。根據油氣懸架阻尼力與阻尼系數和速度的關系，得懸架的壓縮和復原的最大阻尼力：

2.3.3 阻尼閥的壓力差

根據油缸承壓面積和所承受的壓力，可求得阻尼閥兩端的壓力差Δpy，Δps：

式中：AR—承壓面積（m2）；D—油缸缸徑（m）；d—活塞桿直徑（m）。

2.3.4 阻尼閥的使用形式

對于車輛上使用的阻尼閥通常有兩種，一種是帶有溢流作用的閥片式，另一種是采用細長阻尼孔的定量式。通常前者在行駛速度較快的越野工程車輛或者軍用車輛上使用，如公路自卸車、半掛車、裝甲運兵車等；后者多用在工況較好或者低速行駛的工程車輛，如輪胎汽車起重機，寬體自卸車等。

3、油氣懸架自卸車的試驗與分析

采用相同的試驗條件，通過隨機路面對相同噸位板簧懸架的工程自卸車和油氣懸架的工程自卸車進行空載試驗，分別采集駕駛室中的駕駛員座椅、靠背和駕駛室底板的加速度情況，如圖2、圖3所示：

圖2 板簧式工程自卸車脈沖加速度響應與車速關系特性曲線

圖3 油氣懸架工程自卸車脈沖加速度響應與車速關系特性曲線

從試驗數據圖中我們可以看到，油氣懸架對駕駛室的減震起到了明顯的作用，駕駛座椅和靠背的加速度明顯降低，駕駛室地板加速度改善程度一般。由此我們可以看出按照上述的計算方法，使用油氣懸架系統來取代板簧承載的方法是正確的，但在具體參數的選擇方面需要經過計算和試驗進行詳細優化。

4、結論

利用車輛的板簧懸架的剛度、頻率，計算和選擇油氣懸架的油缸、蓄能器和阻尼閥的相應行程、體積和充氣壓力、阻尼力大小等關鍵參數，可以匹配出一套完整的油氣懸架系統。通過按照上述方法計算匹配出來的油氣懸架工程車與普通板簧懸架工程車的對比試驗，可以看出上述方法是實際可行的。油氣懸架明顯改善車輛空載的駕駛舒適性，可以提高車輛空載返程的速度和降低駕駛員的疲勞，對于工程車輛具有重大的經濟意義。

[1] 許福玲,陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2] 周長城，顧亮，陳軼杰.油氣彈簧節流閥片設計與研究[A].

[3] 吉林大學，王望予.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4] 周長城，顧亮.油氣彈簧閥系設計及特性試驗[A].

[5] 中華人民共和國標準GB/T 4970-1996.汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法.國家技術監督局1996-04-10批準，1996-11-01實施.

Off-highway dump truck guo-an ma application of hydro-pneumatic suspension is a kind of algorithm

Ma Guoan, Ma Guohui
( Xuzhou xugong automobile manufacturing co., LTD., Jiangsu Xuzhou 221000 )

The hydro-pneumatic suspension has the characteristics of large bearing capacity, nonlinear stiffness charac -teristics and excellent damping. Based on the characteristics of highway dump truck and hydro-pneumatic suspension, the performance and structural parameters of the cylinder, accumulator and damping valve are selected, which provides an algorithm for the hydro-pneumatic suspension system.

Hydro-pneumatic suspension; Dumper; structural parameter; An algorithm

U469.4

A

1671-7988 (2017)08-139-03

馬國安，助理工程師，本科，就職于徐州徐工汽車制造有限公司，從事非公路自卸車研發。馬國輝，工程師，碩士，就職于徐州徐工汽車制造有限公司，從事工程車輛產品設計研發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.048