重型掛車油氣彈簧平衡懸架系統設計

魏振魯 修霞 莊新穎

摘要：車輛油氣懸架系統是決定車輛行駛過程中平順性，在車輛的行駛過程中提供操作穩定性。油氣彈簧是汽車油氣懸架的不可缺少的一部分，在對油氣彈簧進行系統分析時，對于提高自主研發油氣彈簧的能力并且改善油彈簧的質量具有重要意義。本設計對油氣彈簧平衡懸架的特點，油氣彈簧及平衡懸架的結構和設計研究方法進行闡述。

Abstract： The vehicle hydro pneumatic suspension system determines the ride comfort of the vehicle and provides operational stability during the driving process of the vehicle. Hydro pneumatic spring is an indispensable part of automotive hydro pneumatic suspension. The systematic analysis of hydro pneumatic spring is of great significance to improve the ability of independent research and development of hydro pneumatic spring and improve the quality of hydro pneumatic spring. This design expounds the characteristics of hydro pneumatic spring balanced suspension， the structure and design research method of hydro pneumatic spring and balanced suspension.

關鍵詞：油氣彈簧;車輛懸架;結構設計

Key words： hydro pneumatic spring;vehicle suspension;structural design

中圖分類號：U463.331? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0001-02

0? 引言

汽車是我們出行必不可少的工具，給我們的生活帶來了很多的方便。隨著科學技術的進步發展，我國的汽車制造業也在穩步的發展中，汽車廠家生產的汽車性能不斷提高，汽車的行駛質量在很大程度上與行駛中的汽車的平順性有關，但是行駛中的汽車本身的平順性也與汽車自身油氣懸架的工作特性密切相關。

懸架的作用主要與車架和車橋有關，車輛懸架技術主要將液壓技術與車輛懸架技術相結合，最終形成了廣泛用于現代車輛的油氣懸架減振技術。油氣懸架的鎖定在起重的過程中起著巨大的作用，大大提高了工程車輛在工作時的穩定性。油氣彈簧是屬于空氣彈簧的一種。油氣彈簧產生彈性主要通過改變密封在氣室中的惰性氣體的體積。另外，油彈簧的剛性主要取決于氣室的氣體狀態。另一方面，除了作為動力傳遞物質的氣體以外，油液填充氣缸內部的空間。重型掛車油氣彈簧平衡懸架對于汽車行駛中的平順性以及包括減震這樣的功能起到很重要的作用，目前國內類似的設計產品還都不算完善。本課題旨在對油氣彈簧平衡懸架進行總體設計，從而提高車輛的平順性，零件之間的磨損盡可能降低。

1? 油氣彈簧國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

在20世紀中葉，WABCO在美國首次提出了油氣彈簧技術。許多國家也開始陸續使用油氣彈簧技術，并且將該技術應用于各種類型的車輛。1970年后，美國和前蘇聯采用了油氣懸架，依靠油氣懸架來提升戰場上坦克等車輛行駛的平順性和穩定性。特別是在某些專用車輛中，油氣彈簧在這些方面得到了更廣泛的應用，德國和日本是最早在大型車輛中運用油氣彈簧平衡懸架系統的國家。后來，該技術逐漸成熟并應用于軍事車輛和其他類型的車輛。在國外，對油氣懸架系統進行了定性和定量分析，特別是油氣彈簧的結構參數設計和結構參數的變化如何影響油氣懸架性能，對此進行了全面的研究。雖有一定研究結果，但是所有這些重要信息都屬于油氣彈簧的結構設計，因為這些都是與油彈簧的結構設計有關的關鍵問題。由于企業屬于機密性質，因此公眾很難獲得有關此主題的材料。關于參數理論是否是該數學模型的重要形式，關于國外理論的許多研究都是如何精確地為油彈簧建立數學模。

1.2 國內研究現狀

我國學者對于油氣彈簧的研究晚于國外的研究。1970年之后，中國在工程汽車上使用了油氣彈簧。但是，當時的油氣彈簧相對于中國經濟來說生產成本太高，我們加工的零件質量不能滿足需求，導致當時油氣彈簧沒有形成產品。這項技術在1980年左右開始吸引我們的研究人員，但與油氣彈簧相關的性能還是沒有辦法來滿足使用要求。20世紀末，中國的幾家大公司開始進口帶有油氣彈簧的汽車，中國科研人員展開了系統的研究油氣彈簧，我們拉開了系統學習的序幕。

在此之后，國內各個汽車廠商開始對油氣懸架進行了不同程度的嘗試大大加快了油氣懸架技術在國內的發展，此后國內便形成了油氣懸架技術研究地高潮。不過就總的來說，國內學者對油氣懸架的研究仍多在仿真階段，通過對國外產品的理論和結構分析，臺架試驗得出的結果對油氣懸架進行理論上的完善和原理樣機的研制。而目前仍未有可以有效地去指導油氣懸架的設計和研發的方法。

2? 平衡懸架結構設計

對于多軸懸架系統，確保車輛行駛過程中盡可能多的使車輪接觸地面，特別是在比較困難的行駛條件下，因此，需要開發出盡可能均勻分配垂直載荷的平衡懸架技術來滿足這一要求。如果彈簧是油氣彈簧，則其結構大大簡化，不需要平衡桿結構，只需要把油氣彈簧的氣缸或者油缸相互連通。這同樣最大程度上保證了每個油氣彈簧的承載力分布均勻，并且每個軸的負載質量近似相同，從而實現了平衡效果?？梢圆捎闷胶膺B接方式，例如左側和右側的同側油氣彈簧連接或左側和右側的分組油氣彈簧連接。懸掛系統根據連接方法具有不同的剛度特性。本設計的雙橫臂懸架結構的示意圖。雙臂式獨立懸架的上下臂長度不同。如果車輛配備的上、下臂長相同的雙橫臂懸架，則在上、下輪運動時，車輪表面始終保持平行。即，主銷軸的中心軸線的空間布置角度不變，并且主銷軸的傾斜角度不變。但是，汽車輪胎的水平距離會發生很大變化。這將增加車輪側面的打滑并增加輪胎磨損。因此，這種懸架的應用并不廣泛。當上下臂長度不同時，車輪表面與主銷軸之間的角度會發生變化，但如果兩側的長度合理匹配，則應將此變化控制在允許范圍內。輪距的較大變化被輪胎的彈性變形所覆蓋，這防止了輪胎的側滑，從而確保了車輛的平穩行駛。

3? 零件選擇

3.1 密封件選取

油氣彈簧在其性能上確實有很多優點，相對的也就會有一些缺點。缺點就會有像密封件失效或者油液氣體發生泄漏等，這些情況一旦發生，將會嚴重影響到油氣彈簧的工作，影響汽車的行駛進而可能會導致非常嚴重的交通事故。因此，我們在選取密封結構上，選用合理的密封結構與密封性能比較好的密封件，可以有效地減少這種情況的發生。選取合理的密封結構，不但可以有效地減少油氣彈簧失效的情況，還可以避免油液泄漏帶來的一系列問題，對于油氣彈簧的壽命也大大增加。

在常用的液壓設備中，我們常見的就是斯特密封圈，斯特密封圈是由O型密封圈和梯形密封圈所組成的。其工作原理為：當受力時，O型密封圈受力發生形變，同時會給內側的梯形圓環一個力，導致梯形環發生縮緊現象，從而滿足我們要達到的密封要求。

F——端蓋所受載荷（）;

Pmax——油氣彈簧所能承受最大壓力;

A——端蓋承壓面積;

n——螺釘個數（n=4）;

d——螺釘直徑;

[？滓]——螺釘許用強度（）;

帶入參數可得合格。

3.2 車身調節

油氣彈簧平衡懸架系統的特殊結構對于車身高度的調節上來說會方便一些。 另一方面，還可以保證車身高度并不會因為負載的變化而發生變化。調節車身高度并將其保持在一定位置可以提高汽車行駛平順性。另一方面，通過保持油氣彈簧氣室中氣體量的恒定，在不同的負載下幾乎可以獲得相同的振動頻率，從而提高了汽車行駛的平順性。而且，調節車身的高度可以改善車輛的通過性。

油氣彈簧平衡懸架系統可以通過調節油液壓力和氣體壓力來進行車身高度控制。由于油氣彈簧的剛度C與氣體壓力P和氣體高度H有關，已知剛度C表達式如下：

當氣柱的高度改變時，油氣彈簧平衡懸架系統的振動頻率也會改變。調節氣壓時必須進行其他調節，以保持車輛的平坦性和穩定性。但是，使用液壓調節可以使調節前后的系統剛度幾乎保持恒定，從而簡化了過程。通過液壓方法進行調節時，通過加油進行壓力調節的組合為：①齒輪泵具有自動拆卸裝置;②柱塞泵具有自動卸載裝置;③可變柱塞泵;④不可調節的柱塞泵帶有優質閥。選擇時必須進行分析和比較。

4? 特殊問題

4.1 平衡調節

平衡懸架技術對油氣彈簧平衡懸架采取簡單的復雜平衡措施，即在同一側使用油氣彈簧的氣室連接，并利用帕斯卡原理（同側油氣彈簧氣室聯通）使其同側油氣彈簧負載值相同。由于該方法需要汽車具有較長的車身，因此是要求車輛具有較高的側向阻力和較低的垂直剛度，也是有效方法。氣室串聯后，其垂直剛度對應于連接彈簧后的整體剛度，其橫向剛度對應于彈簧平行后的整體剛度。也可以通過懸掛200噸六軸車輛（例如K ATO）的方法將1軸和2軸，3軸和4軸，5軸和6軸油氣彈簧分為三組。通過彼此垂直相鄰的兩個油氣彈簧的氣室，可以通過控制一個開/關閥將其連接到其他兩個油彈簧的氣室。通過檢測每個油彈簧的壓力，可以控制每個油彈簧的運動，并且可以獲得平衡負載的效果。

4.2 高度調節

高度調整有兩種類型：靜態高度調整和動態高度調整。靜態高度調整主要用于在停車時對車輛自身進行調節，而動態高度調整不僅可以手動設置車身高度，而且系統還可以自動檢測車身高度并設置高度。

由于高度調節機構非常復雜，因此必須通過電磁換向閥對不同油氣彈簧的油缸中的油量進行控制，以使車身向前，向后，向左或向右傾斜。例如，美國AAV 7 A 1兩棲坦克可以手動控制其電磁閥來調整其高度。法國雪鐵龍的小型橫向車和日本K ATO的200t6軸起重機不僅可以手動設置車身高度，還可以自動保持設置的高度。

本文基于目前油氣彈簧平衡懸架系統的發展現狀，對油氣彈簧的三種類型進行了分析，以及對單氣室油氣彈簧的工作原理進行了分析。根據初始參數設計出了單氣室油氣彈簧的結構，對油氣彈簧的主要部分進行了結構上的設計計算。并且基于參數，對油氣彈簧的剛度特性和阻尼特性的影響以及油氣彈簧的固有頻率進行了分析。對于密封件的選取進行了簡單的分析。剖析了平衡懸架系統，對平衡懸架系統的兩種聯通方式進行了分析。

參考文獻：

[1]龐晟，鄭小艷，高剛剛.重型載重車平衡懸架系統技術提升[J].汽車實用技術，2020（02）：106-108.

[2]王穎.基于礦用車平順性的油氣彈簧的分析及優化[D].內蒙古科技大學，2019.

[3]王家寶.油氣彈簧結構參數及減振性能研究[D].太原科技大學，2016.