一種新型液壓式互聯懸架結構及工作原理分析

韓君利，陳 雙

（1.遼沈工業集團有限公司，沈陽 110159；2.遼寧工業大學，遼寧錦州 121000）

0 引言

軍用車輛由于經常工作于荒郊野外，行駛工況復雜多變，路面的高低不平激勵通過輪胎和懸架傳遞到車身，使得車輪附著性能變差。當車輛轉彎時伴隨車身側傾左右車輪承受的垂直載荷也發生變化甚至容易造成側翻，而車輛急劇加速時，也會伴隨車身俯仰姿態的變化甚至導致車輛翻滾，嚴重影響車輛的安全性。雖然傳統懸架系統結構具有抵抗外界干擾、使車輛穩定行駛的作用，但在高速轉向、急劇加速等極限工況下，很難滿足軍用車輛抗側傾和抗俯仰能力的要求。

與傳統懸架相比，互聯懸架可以有效提高整車的操縱穩定性能和抗側傾能力。若以傳遞介質和連接結構為劃分依據，互聯懸架一般可分為4種，分別是油氣式［1］、機械連桿式［2］、液壓式［3］、空氣式［4－6］。液壓式互聯懸架由于結構簡單易于實現得到廣泛的應用。針對液壓式互聯懸架，以4個懸架液壓管路連接方式不同，可以分為前后互聯懸架、左右互聯懸架，前后互聯可以提高整車的抗俯仰性能［7］，左右互聯可以提高整車的抗側傾性能［8－9］。

本文針對軍用車輛特殊的工作環境，提出一種新型液壓式互聯饋能懸架結構，采用前后反向互聯、左右交叉反向互聯的管路連接方式，有效提高整車的抗側傾、抗俯仰能力。同時在懸架液壓管路中裝備了馬達，不僅可以實現懸架阻尼力的主動控制，而且當液壓馬達的動力輸出軸作為直流電機的輸入軸，帶動電機旋轉，還可以將產生的電能通過饋能電磁單元儲存到電容中，實現能量回收，供其他車輛電器使用。

1 新型液壓式互聯懸架結構設計

傳統的車輛懸架系統通常包括彈簧和減振器，而液壓式互聯懸架系統主要采用雙向液壓缸作為懸架的執行機構，常用的前后互聯懸架和左右互聯懸架多采用正向互聯的方式［10－11］，即前后懸架上下腔的連接是同向的，左右懸架的上下腔連接也是同向的。

本文提出一種新型液壓式互聯懸架系統結構，如圖1所示，主要由4個雙向液壓缸、蓄能器、液壓馬達、發電機、整流橋以及饋能電磁單元組成［12］。每個雙向液壓缸均作為各位置懸架作動器，上端與車架安裝位置連接，下端與車軸安裝位置連接，起到衰減振動的作用。4個液壓缸在油路連接上，采用反向交叉連接的方式，即前軸液壓缸下腔與后軸液壓缸上腔連接，此連接方式可以提高車身俯仰剛度，左前軸液壓缸上腔與右后軸液壓缸下腔相連，右前軸液壓缸上腔與左后軸液壓缸下腔相連，此連接方式可以提高車身側傾剛度。除此之外，該懸架結構通過建立的液壓整流橋、蓄能器、液壓馬達等饋能部件，還可以實現懸架主動控制和能量回收功能。所有各部件具體功能如下。

圖1 新型液壓式互聯懸架系統結構

（1）液壓缸：車輛懸架系統執行機構，起到衰減振動，緩和沖擊的作用。

（2）液壓管路：油液流動導向裝置，系統所有管路設置為相同內徑。

（3）蓄能器：穩壓裝置，用于儲存與補充能量。

（4）整流橋：由4個單向閥構成，用于保證高壓油液始終從指定位置流入和流出液壓馬達，從而使液壓馬達旋轉方向一致。

（5）液壓馬達：能量轉換裝置，用于將油液動能轉化為馬達輸出軸旋轉的機械能。

（6）發電機：能量轉換裝置，用于將旋轉的機械能轉化為電磁能。

（7）饋能電磁單元：包含饋能回路和電容，用于回收電能。

2 懸架抗側傾和抗俯仰工作原理分析

圖1所示互聯懸架系統不僅具有抗側傾和抗俯仰能力，還可以實現能量回收，基本工作原理為：當車輛在不平路面行駛，路面激勵通過車輪傳遞給懸架，使懸架系統液壓缸活塞上下運動。液壓缸通過油液流動阻力產生阻尼力，衰減振動，緩和沖擊。與此同時，液壓缸活塞上下運動，推動液壓管路內高壓油液流動，油液流經液壓馬達，油液動能帶動馬達旋轉，馬達輸出軸帶動發電機轉子旋轉，將產生的電能儲存到電容中。液壓缸內油液流動阻力來源包括液壓管路沿程損失、單向閥開啟壓力和液壓馬達帶動電機及負載旋轉產生的阻力。

2.1 抗側傾原理

車輛轉向行駛時，車身會發生側傾姿態變化。假設車輛向右行駛，車身向左傾斜，整車左側液壓缸1和4的活塞同時向下運行。油液流動情況如圖2所示。此時液壓缸1上腔油壓降低，從而抽動液壓缸3下腔油液經液壓整流橋、液壓馬達和液壓管路流向液壓缸1上腔，致使液壓缸3活塞向下運行；液壓缸4下腔油壓升高，推動油液經液壓整流橋、液壓馬達和液壓管路流向液壓缸2上腔，致使液壓缸2活塞向下運行。與此同時，液壓缸1下腔油壓升高，油液從液壓缸1下腔流向液壓缸4上腔，彌補液壓缸4活塞下行產生的油液損失，液壓缸2下腔油液流向液壓缸3上腔，彌補液壓缸3上腔油液損失。

圖2 抗側傾原理

綜合上述，當車身出現側傾姿態變化時，該懸架系統能夠使左右側液壓缸活塞同向運行，具有抗側傾作用。

2.2 抗俯仰原理

車輛起步、加速、制動時，車身會產生俯仰姿態變化，出現抬頭或點頭現象。假設整車前軸液壓缸1和2的活塞同時向上運行，油液流動情況如圖3所示。此時液壓缸1上腔油壓升高，從而推動油液經液壓整流橋、液壓馬達和液壓管路流向液壓缸3下腔，致使液壓缸3活塞向上運行；液壓缸2下腔油壓升高，推動油液經液壓整流橋、液壓馬達和液壓管路流向液壓缸4下腔，致使液壓缸4活塞向上運行。與此同時，液壓缸1下腔油壓降低，油液從液壓缸4上腔流向液壓缸1下腔，彌補液壓缸1活塞上行產生的油液損失，液壓缸3上腔油液流向液壓缸2下腔，彌補液壓缸2下腔油液損失。

圖3 抗俯仰原理

綜合上述，當車身出現俯仰姿態變化時，該懸架系統能夠使前后軸液壓缸活塞同向運行，具有抗俯仰作用。

3 懸架主動控制和能量回收原理分析

除了抗側傾和抗俯仰外，本文提出的新型液壓式互聯懸架還可以實現懸架阻尼主動控制和能量回收。

3.1 懸架阻尼主動控制

上述圖1所示的互聯懸架整體結構中，由于液壓馬達與直流電機共軸連接，直流電機的反電動勢大小會影響到液壓馬達的轉矩，從而影響液壓馬達進、出口油液壓力差，導致液壓缸上下腔油液壓力變化，進而實現了懸架阻尼力的調節。

根據液壓馬達轉矩平衡方程有：

式中：TM為液壓馬達輸出力矩；PM為液壓馬達進口和出口壓力差；ηm為液壓馬達容積效率。

直流電機的轉矩分別分配給轉子和負載，轉矩公式表示為：

式中：Te為直流發電機輸入轉矩；J為發電機轉子轉動慣量；ω為發電機轉子轉速；kt為發電機力矩常數；i為饋能電路電流。

因液壓馬達輸出轉矩與直流發電機輸入轉矩相等，可以得出：

由式（3）可知，改變饋能電路中的電流i大小，就可以間接改變液壓馬達進口和出口壓力差，進而改變懸架的阻尼力，實現懸架主動控制。

3.2 能量回收

上述圖1所示互聯懸架工作時，液壓馬達的動力輸出軸是發電機的輸入軸，可以完成動力傳輸。當汽車受到路面高低不平激勵作用時，液壓缸內活塞上下往復運行，懸架系統振動能量轉化為油液動能推動液壓馬達旋轉。液壓馬達傳遞力與力矩，帶動直流發電機旋轉，將機械能轉化為電能，進而通過饋能回路和超級電容完成能量儲存。

當路面激勵較大時，會造成電容瞬時功率過高，電路中的電子元件可能會被擊穿。為了保護饋能電磁單元中的電子元件，設計了恒電流饋能回路，如圖4所示。該回路由直流發電機、電表、電阻R1和滑動電阻R2組成。恒電流饋能回路通過改變滑動電阻值來實現對電路的恒電流控制。電容并聯在饋能回路中，用于回收電能。

圖4 饋能電磁單元

4 結束語

本文提出一種適用于軍用車輛的新型液壓式互聯懸架。介紹了該懸架結構及主要零部件的作用，對整個系統的抗側傾原理、抗俯仰原理、懸架阻尼主動控制原理、能量回收原理進行了詳細地分析。分析結果表明提出的新型液壓式互聯懸架不僅具有較好的抗側傾、抗俯仰能力，能提高車輛的行駛安全性，還可以實現懸架阻尼的主動調節和電能儲存。

上述車身側傾和俯仰工況均假設整車同側或者同軸液壓缸活塞運動方向和運動行程相同。如果整車同側或者同軸液壓缸活塞非同上同下運行，或者整車同側或者同軸液壓缸活塞同上同下運行但行程不同，則該懸架系統前后互聯的兩條油路間的通路便會協調液壓缸1、2下腔和液壓缸3、4上腔的油壓，起到穩定系統壓力，保護系統的作用。