油氣懸掛系統在汽車上的應用

程太平 劉成

1.湖北新楚風汽車股份有限公司 湖北隨州 441300 2.漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430000

1 油氣懸掛系統的概述

懸掛是現代汽車上重要的總成之一，它把車架和車軸彈性地連接起來，其主要任務是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩，緩和路面傳遞給車架的沖擊，保證汽車行駛平順性，使車輪在路面不平和載荷變化時，有理想的運動特性，保證汽車操作穩定性，使汽車獲得高速行駛能力。

懸掛一般由彈性元件、導向裝置、橫向穩定器、減震器和導向機構等構成。按車輛行駛過程中懸掛是否能被控制，可分為被動懸掛、主動懸掛和半主動懸掛三種類型。不需要外部輸入力的懸掛叫做被動懸掛；通過外部能量輸入實現控制力調節的可控懸掛叫做主動懸掛；輸入少量調節阻尼系數的可控阻尼懸掛叫做半主動懸掛。從整體結構看，目前工程車輛上應用的油氣懸掛系統主要有獨立式和互聯式兩種類型；從油氣彈簧的形式看，則分為單氣室油氣分離式、雙氣室油氣分離式、多級壓力式和油氣混合式等。

油氣懸掛系統是由油氣懸掛油缸、柱塞泵、液壓蓄能器等構成，該油氣懸掛系統主要是以液油作為傳力介質，用惰性氣體或氮氣作為彈性介質，用彈簧介質阻尼車輛的振動和用蓄能器存儲或者釋放能量的系統，油氣懸掛是集彈性和阻力元件于一身，具有良好的非線性彈性特性和優秀的阻尼性能。

油氣懸掛最早出現在飛機的起落架上，用于提升飛機著陸的安全性和平穩性。隨著汽車技術的發展，設計師們大膽創新，逐步將油氣懸掛應用于汽車，以提高汽車駕駛的舒適性和操作穩定性[1]。油氣懸掛是液體和氣體的組合，利用油液的流動阻力實現減震功能，利用氣體的可被壓縮性作為懸掛的彈性元件，同時用油液的不可壓縮性實現運動和力的傳遞。因此，油氣懸掛不僅具有良好地阻力特性，同時可以很好地調整控制汽車的運動姿態，如：實現汽車底盤橫向找平控制、高度控制和橫向控制等。

2 油氣懸掛系統在汽車上的應用原理

2.1 油氣懸掛結構原理

汽車上油氣懸掛原理如圖1所示，油氣懸掛系統由油氣懸掛油缸、柱塞泵、液壓蓄能器等構成，其特征是：該系統設有一個單獨的油箱，結合圖2中油氣懸掛油缸結構示意圖，在每根車軸的左右兩側與車架之間都裝有油氣懸掛油缸，油氣懸掛油缸的一端與車軸固定，另一端與車架固定，懸掛油缸活塞側與車軸固定。

柱塞泵輸出端通過液壓油路、各電磁閥組與懸掛油缸活塞側和蓄能器活塞側連通，懸掛油缸活塞桿側直接或經過電磁閥與油箱連通。柱塞泵與車輛發動機連接并由其驅動。整個油路中根據需要還設置有濾清器和節流閥等器件。

圖1 油氣懸掛原理圖

圖2 油氣懸掛油缸結構示意圖

在圖2中，油氣懸掛油缸上設置有傳感器油缸高度控制開關，這些電子傳感器給系統的電控性能帶來極大的提高，通過車載控制單元的控制可以實現提升橋、底盤橫向找平控制、高度控制和橫向穩定控制等多項功能。

2.2 多功能油氣懸掛液壓油路

在多功能應用中的油路如圖3所示，在車架的左右兩側各設有一個液壓蓄能器，每一側的油氣懸掛油缸活塞側都與該側的蓄能器活塞側連通，其懸掛油缸活塞桿側分別相互連通，由圖中可見左液壓蓄能器與左油氣懸掛油缸相連，左側液壓蓄能器的蓄能器活塞側與左側油氣懸掛油缸的懸掛油缸活塞側相連通，左側的懸掛油缸活塞桿側相互連通后經過電磁換向閥與油箱連通，右液壓蓄能器與右油氣懸掛油缸相連，右側的油氣懸掛油缸活塞桿側相互連通后經過電磁換向閥與油箱連通。可見左右兩套油氣懸掛油缸基本相互獨立，在這樣的基礎上可以實現油氣懸掛的多種功能應用。

圖3 多功能油氣懸掛液壓油路圖

2.3 液壓蓄能器

液壓蓄能器由一個中部的活塞分隔為充有液壓油的蓄能器活塞側和充有氣體的另一側。當車橋加載時，油缸活塞側的液壓油將被強制擠出，進入蓄能器活塞側，這將導致壓力增加，然后通過蓄能器的活塞壓縮氣體，通常是高壓氮氣。高壓氮氣作為油氣懸掛的彈性介質，相當于傳統被動懸架的彈簧。整個管路系統具有良好的減震性能和穩定性。

在車輛行駛過程中，隨著活塞桿相對缸筒的上下運動，蓄能器中的氣體處于連續的膨脹和壓縮狀態。在研究油氣懸掛時，一般將氣體看作是理想氣體，建立數學表達式時采用氣體狀態方程來描述。理想氣體狀態方程是一個多變過程，其表達式為：

式中，P0為理想氣體的初始壓強，Pa；V0為理想氣體的初始體積，m3；P為理想氣體的壓強，Pa；V為理想氣體的體積，m3；γ為氣體多變指數。

當油氣懸掛處于壓縮狀態或拉伸狀態時，液壓蓄能器內壓強和溫度是連續變化的，同時，在油氣懸掛工作過程中，液壓蓄能器內氣體與外界空氣也有熱量交換，因此，液壓蓄能器內氣體的溫度變化是比較復雜的。氣體多變指數γ的理論范圍為1～1.4，但是實際上氣體多變指數是個與氣體狀態相關的變量，大小受到很多因數的影響，比如氣體的溫度、外界激勵的速度頻率等，很難確定其具體值。文獻對油氣懸掛氣體多變指數隨溫度的變化關系進行了理論和試驗研究，液壓蓄能器內氣體多變指數最高甚至可達到1.6～1.8，這跟理論的氣體多變指數有較大的差距。本文對單氣室油氣懸架建模時采用理想的氣體狀態方程，這對于研究油氣懸架的非線性特性及油氣懸架車輛的性能研究已經足夠。如果需要對油氣懸架的結構進行精確設計，則需要結合油氣懸掛的實際工況充分考慮氣體溫度的影響，采用實際氣體狀態方程。對于公式(1)，在定氣體多變指數前提下，只能求出液壓蓄能器某一時刻氣體體積[2]：式中，A1為液壓蓄能器活塞無桿腔側截面積；A3為液壓蓄能器活塞有桿腔側截面積；x為活塞桿相對于缸筒運動速度。

即可求出此時蓄能器內氣體壓力Pγ[2]：

2.4 油氣懸掛輸出力

油氣懸掛活塞桿和缸筒之間產生相對運動時，油氣懸掛輸出力主要包括來自蓄能器高壓氮氣的彈性力、油液流經節流閥及節流孔產生的阻尼力及活塞與缸筒之間相對運動的摩擦力三部分。

假設缸筒固定不動，活塞桿相對缸筒上下運動，根據牛頓第一定律，可以建立油氣懸掛的輸出力方程為[2]：

式中， F為 油氣懸掛的輸出力，壓縮為負，復原為正；P1為無桿腔壓力；P3為有桿腔壓力；Pair為 大氣壓力；A1為液壓蓄能器活塞無桿腔側截面積；A3為液壓蓄能器活塞有桿腔側截面積；Ff為活塞桿與缸筒之間的摩擦力。

3 油氣懸掛的主要特點

3.1 高度控制

汽車在崎嶇不平的公路上行駛時，油氣懸掛系統可以不管汽車載荷的大小，當車輛一側陷入坑中發生傾斜時，通過傳感器感應，能主動提升高度，使車架保持水平，貨物也就處于水平狀態，不會因車輛一側輪胎陷入坑中導致質心降低而發生側翻，因此，油氣懸掛系統具有極高的行駛穩定性。

3.2 橫向找平控制

每一輛油氣懸掛系統車型都配有自動橫向水平調節器，也稱為自卸穩定器，這就確保了當車輛在低于3 km/h的速度行駛時，懸掛氣缸處于封鎖狀態，從而增加了橫向穩定性，當汽車需要向一側傾卸時，該系統進入手動模式。

3.3 非線性阻尼

車架與車軸相對速度主要與油氣懸掛的阻尼有關，改變減震器阻尼振動，可減輕對車輛的沖擊，防止汽車急轉彎時橫向傾斜，防止緊急剎車時車頭下降，防止汽車起步或加速時汽車下沉，提高行駛穩定性和操作平順性，具有良好的減振性。

3.4 非線性剛度

傳統車輛采用的鋼板彈簧懸掛，剛度特性固定不變，油氣懸掛系統的彈性介質采用惰性氣體或氮氣，其剛度特性不是固定不變的，可以隨著外部的變化而變化。

4 結語

油氣懸掛是當今汽車發展中核心技術之一，直接影響汽車的操作性和駕駛平順性，擁有深遠的研究意義和廣闊的應用前景，舒適性與車身的固有振動特性有關，而車身的固有振動特性又與懸掛有關。采用油氣懸掛可大幅度提高車輛行駛過程中的操作穩定性、平順性和舒適性，因此對油氣懸掛系統性能的研究對于改善整車的性能具有重要意義。

[1]孫建民.工程車輛油氣懸掛系統的研究現狀及發展趨勢[J].建筑機械,2017(03): 90-93.

[2]楊業海.高機動性越野車油氣懸掛系統設計和開發[D].長春：吉林大學，2012.