交叉互連油氣彈簧抗側傾特性研究及試驗

張軍偉，閆惠東，程斐，李超，徐彥超，魏建波

（北京航天發射技術研究所，北京100076）

一般車輛，整車在左右側車輪的載荷分配是均衡的或者差別很小，不存在左右偏載的工況。但對于特種車輛，由于上裝設備的特殊性或者布置空間的限制，整車質心從車輛中心平面向一側偏移，存在左右側載荷不均衡的現象，定義為偏載狀態。

車輛處于靜止狀態時，由于左右側載荷存在差值，而左右側彈簧的設計剛度是相同的，則會造成左右側彈簧的壓縮量不同，即車身呈現出側傾姿態，如圖1 所示，車身側傾角的大小與左右偏載量成正比。同時，車輛在偏載狀態下機動行駛時，初始的車身側傾角會增大轉彎行駛時的車身最大側傾角，還會導致車輪定位參數、輪胎側偏特性發生變化，影響整車行駛的操縱穩定性。

圖1 車身姿態示意圖

為了提高車輛的抗側傾特性，對懸架系統進行抗側傾設計，常用的抗側傾方案是采用交叉互連油氣彈簧。交叉互連油氣彈簧的提出，是為了解決重型車輛在惡劣工況下的側傾問題，如全路面起重機、重型高機動越野車輛等。交叉互連油氣彈簧的使用，增大了懸架側傾角剛度，改善了車輛在惡劣工況下的側傾運動，減小了由車身側傾導致的車架彎曲扭轉載荷。

本文針對多軸重型特種車輛存在偏載的問題，提出一種交叉互連油氣彈簧，通過管路將整車油氣彈簧分組對應或交叉連通，在實現平衡懸架功能的同時具有抗側傾作用。理論推導交叉互連油氣彈簧的懸架側傾角剛度，并與非交叉互連油氣彈簧對比，驗證交叉互連油氣彈簧可增大懸架側傾角剛度的特性。將油氣彈簧裝車，通過跑車試驗驗證了交叉互連油氣彈簧的抗側傾特性。

1 結構原理

單橋交叉互連油氣彈簧原理如圖2所示。

圖2 單橋交叉互連油氣彈簧示意圖

在圖2 中，當車身向左側傾斜，左側車身下沉，液壓缸活塞桿壓縮，右側車身上揚，液壓缸活塞桿拉伸。左側液壓缸上腔壓力增大，由于左側液壓缸上腔與右側液壓缸下腔連通，使右側下腔壓力增大，迫使活塞連同車身跟隨下降的趨勢，這與右側活塞桿受拉力、車身有上揚的趨勢相抵抗。同樣，左側下腔壓力減小，吸入油液，也有使右側產生車身下降的趨勢。由此可見，左右側油氣彈簧上下腔交叉連通，可實現抗側傾效應。

針對某四軸重型特種底盤，所設計的交叉互連油氣彈簧液壓系統原理如圖3所示。

圖3 交叉互連油氣彈簧液壓系統原理

油氣彈簧采用雙腔油缸，下腔為無桿腔，上腔為環形腔；整車油氣彈簧前2（1、2 橋）、后2（3、4 橋）分組連通；同側前后橋油氣彈簧上下腔對應連通，實現均衡軸荷的功能；左右側油氣彈簧上下腔交叉連通，實現抗側傾功能。連通油路中設置有電磁閥，用于控制油路的通和斷，實現左右側油氣彈簧的交叉連通或非交叉連通，同時可配合油源實現調高操作。

2 懸架側傾角剛度計算

懸架型式為雙橫臂獨立懸架，針對雙橫臂獨立懸架的側傾角剛度進行推導計算，運動、受力分析如圖4所示。

圖4 雙橫臂獨立懸架側傾角剛度計算

雙橫臂獨立懸架杠桿比計算如式（1）所示。

彈簧的變形量如式（2）所示。

若彈簧為線性剛度，側傾時彈簧力的變化量如式（3）所示。

式中：Δ為側傾時彈簧力的變化量；為彈簧剛度，線性剛度；為輪距；為懸架杠桿比；為車身側傾角。

懸架系統側傾力矩如式（4）所示。

將懸架系統側傾力矩對側傾角求導，得到懸架系統的側傾角剛度，如式（5）所示。

若彈簧為油氣彈簧，則其剛度為非線性剛度。非交叉互連油氣彈簧單橋液壓系統原理如圖5所示。

圖5 非交叉互連油氣彈簧單橋液壓系統原理示意圖

任一位置處，當油氣彈簧壓縮量為時，油氣彈簧輸出力如式（6）所示。

將式（6）代入式（4）中，得到側傾時懸架系統的側傾力矩，如式（7）所示。

將懸架系統側傾力矩對側傾角求導，得到懸架系統的側傾角剛度如式（8）所示。

式中：為蓄能器的預充氣壓力；為蓄能器的初始容積；為滿載靜平衡位置的油氣彈簧載荷；為氣體多變指數，取值1.3。

如果已知側傾角，也可以得到相對應的等效線性懸架系統的平均側傾角剛度，如式（9）所示。

交叉互連油氣彈簧單橋液壓系統原理如圖6所示。

圖6 交叉互連油氣彈簧單橋液壓系統原理示意圖

對于左右交叉互連油氣彈簧，任意位置的油氣彈簧載荷如式（10）所示。

式中：為無桿腔作用面積；為環形腔作用面積；為油氣彈簧位移，可用式（2）來表示。

將式（10）代入式（4）中，得到側傾時懸架系統的側傾力矩如式（11）所示。

將懸架系統側傾力矩對側傾角求導，得到懸架系統的側傾角剛度如式（12）所示。

如果已知側傾角，也可以得到相對應的等效線性懸架系統的平均側傾角剛度，如式（13）所示。

3 懸架側傾角剛度仿真分析

4.1 懸架側傾角剛度對比

懸架側傾角剛度是當簧上質量發生單位側傾角時懸架給簧上質量的彈性恢復力矩，所以，懸架側傾角剛度是表征車輛抗側傾性能的主要指標參數。

從油氣彈簧的連通結構原理分析，交叉互連油氣彈簧具有抗側傾特性，下面利用Matlab對比計算交叉互連油氣彈簧與非交叉互連油氣彈簧的懸架側傾角剛度，來表征交叉互連油氣彈簧具有優異的抗側傾特性，輸入參數見表1。

表1 輸入參數

圖7 為交叉互連油氣彈簧與非交叉互連油氣彈簧的懸架側傾角剛度對比，黑色曲線為非交叉互連油氣彈簧的懸架側傾角剛度，紅色曲線為交叉互連油氣彈簧的懸架側傾角剛度。由圖中曲線對比可知，交叉互連油氣彈簧的懸架側傾角剛度要大于非交叉互連油氣彈簧的懸架側傾角剛度，且由于油氣彈簧線剛度的非線性，車身側傾角越大，兩種油氣彈簧的懸架側傾角剛度差別越大。仿真對比計算結果，表明了交叉互連油氣彈簧相比非交叉互連油氣彈簧具有更好的抗側傾特性。

圖7 懸架側傾角剛度對比

4.2 懸架側傾角剛度影響因素分析

由第2 部分懸架側傾角剛度的公式可知，由于油氣彈簧本身線剛度的非線性特性，油氣彈簧的懸架側傾角剛度主要與平衡位置油氣彈簧載荷、車身側傾角有關，即對于確定的一種油氣彈簧，裝載不同的簧上質量，車身處于不同的側傾姿態，其懸架側傾角剛度不同。

下面分別仿真計算軸荷10 t、11 t、12 t 狀態下的懸架側傾角剛度與車身側傾角變化曲線，分析軸荷、車身側傾角對懸架側傾角剛度的影響，如圖8所示。

圖8 軸荷對懸架側傾角剛度的影響

圖8 為不同軸荷的懸架側傾角剛度隨車身側傾角的變化曲線，黑色曲線為軸荷10 t 的懸架側傾角剛度曲線，紅色曲線為軸荷11 t 的懸架側傾角剛度曲線，藍色曲線為軸荷12 t的懸架側傾角剛度曲線。

由三條曲線對比可知，隨著軸荷的增大，懸架側傾角剛度也增大，這是由于油氣彈簧是由蓄能器內的氣體受壓縮和伸張產生彈性力，蓄能器內氣體受壓縮的程度與彈簧所受的載荷成正比，即軸荷越大，油氣彈簧的線剛度越大，懸架側傾角剛度也越大。對應到實車狀態，車輛滿載狀態的懸架側傾角剛度要大于空載狀態的懸架側傾角剛度。

分析懸架側傾角剛度隨車身側傾角的變化規律，以軸荷12 t 的懸架側傾角剛度曲線為例，車身側傾角越大，懸架側傾角剛度越大，懸架側傾角剛度隨車身側傾角成非線性增長，這也與油氣彈簧的剛度非線性直接相關。對應到實車狀態，車身側傾得越厲害，懸架側傾角剛度越大，車身繼續側傾的難度越大，保持車輛轉彎行駛時的車身側傾角不超限，保證車輛行駛的穩定性。

基于以上分析，給出實車空載、半載、滿載狀態的懸架側傾角剛度變化曲線，載荷參數見表2。

表2 載荷參數

空載、半載、滿載軸荷下的懸架側傾角剛度如圖9 所示。由圖9 的曲線可知，懸架側傾角剛度隨著軸荷的增大而增大，滿載狀態的懸架側傾角剛度要遠遠大于空載和半載。

圖9 空載、半載、滿載狀態下的懸架側傾角剛度

4 實車試驗

由以上理論及仿真分析可知，交叉互連油氣彈簧相比非交叉互連油氣彈簧，具有更大的側傾角剛度，為了進一步驗證交叉互連油氣彈簧的抗側傾特性，利用某四軸重型車輛，將兩種油氣彈簧裝車，進行靜止工況、轉彎行駛工況的實車試驗，關注的指標為車身側傾角、油氣彈簧壓力。

在車架尾梁中心裝有陀螺儀，用于測量車身側傾角；在油氣彈簧處裝有位移傳感器，用于測量油氣彈簧位移；在油氣彈簧液壓管路中裝有壓力傳感器，用于測量每組連通的油氣彈簧壓力。

車輛的載荷狀態為偏載，整車左右側載荷差為6 t，油氣彈簧型式包括兩種：非交叉互連、交叉互連。

圖10 傳感器布置

圖11 跑車試驗

靜止工況對比的指標為車身側傾角、油氣彈簧位移、油氣彈簧壓力穩態值，轉彎工況對比的指標為車身側傾角、油氣彈簧位移、油氣彈簧壓力峰值，試驗結果見表3。

表3 車身姿態及油氣彈簧位移

由表3 統計的試驗結果可知，靜止工況，車輛裝非交叉互連油氣彈簧時的車身側傾角為-0.82°，車輛裝交叉互連油氣彈簧時的車身側傾角為-0.52°，減小36.6%，驗證了交叉互連油氣彈簧的懸架側傾角剛度更大，減小了由左右偏載導致的車身側傾角，能夠更好地保持車身姿態。對比兩種型式的油氣彈簧位移，交叉互連油氣彈簧的左右側位移差更小，是與車身側傾角直接對應的。對比兩種型式的油氣彈簧壓力，交叉互連油氣彈簧的左右側壓力差更小，說明交叉互連油氣彈簧能夠減小左右側載荷差，能夠在一定程度上均衡左右側載荷。

轉彎工況，分別對裝有交叉互連油氣彈簧、非交叉互連油氣彈簧的車輛做相同工況的轉彎行駛，車輛以30 km/h車速轉彎，車身側向加速度達到4 m/s，對比在轉彎過程中的車身側傾角變化。由表3 的統計數據可知，在轉彎行駛過程中，裝有交叉互連油氣彈簧的車輛車身側傾角更小，左轉工況側傾角減小44.1%，右轉工況側傾角減小16.4%，很好地說明了交叉互連油氣彈簧能夠提高車輛轉彎行駛的穩定性。

5 結論

本文針對多軸重型特種車輛存在的偏載問題，為了減小偏載帶來的對靜態姿態以及轉彎行駛穩定性的不良影響，設計一種交叉互連油氣彈簧，同側油氣彈簧上下腔對應連通，左右側油氣彈簧上下腔交叉連通，從液壓原理、懸架側傾角剛度計算仿真、實車試驗方面，驗證了交叉互連油氣彈簧具有良好的抗側傾特性。得到的主要結論如下：

（1）從交叉互連油氣彈簧的液壓原理分析，當車身側傾時，側傾一側油氣彈簧無桿腔的油液會壓入對側油氣彈簧的環形腔，產生與車身側傾運動相反的趨勢，形成抗側傾作用。

（2）理論推導了交叉互連油氣彈簧與非交叉油氣彈簧的懸架側傾角剛度，仿真計算結果表明，交叉互連油氣彈簧能夠大幅增加懸架側傾角剛度，并且體現出非線性特性，懸架側傾角剛度與車身側傾角、軸荷成正比。從懸架側傾角剛度方面驗證了交叉互連油氣彈簧具有良好的抗側傾特性。

（3）針對靜止工況、轉彎行駛工況下的車身側傾角、左右側油氣彈簧位移、左右側油氣彈簧壓力參數，通過兩種型式油氣彈簧的裝車實車試驗，驗證了交叉互連油氣彈簧能夠更好地保持車身姿態、提高轉彎行駛穩定性，具有良好的抗側傾特性。