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重型越野车辆油气悬架的设计吴涛过学迅(华中理工大学交通学院湖北武汉 430074)摘要 由于油气悬架具有能提高车辆在非公路路面上的行驶平顺性的良好特性,愈来愈广泛地运用在大型工矿用自卸车和军用越野车辆上。介绍了油气悬架的特点,国内外的应用状况,油气弹簧及悬架的数学模型和设计研究方法,以及设计中的一些特殊问题。关键词:油气弹簧;油气悬架中图分类号:U469.33 文献标识码:A文章编号:1004-0226(2000)01-0008-04收稿日期:1999-11-25Study of Applying and Design on HydropneumaticSuspensions of Heavy-Duty off Road VehiclesWU Tao et al(College of communications,Huazhong University of Science andTechnology,Wuhan 430074,China)Abstract A Hydropneumatic suspension has good properties which can improve the performance of a vehicle.It is usedin a heavy dump truck or a military off-road vehicle more and more.In this paper,the characteristics of hydropneumatic sus-pensions and the applying situations are introduced.The mathematical model and researching methods of the hydropneumaticcylinder and the suspension,some special problems in the design are presented as well.Key wordshydropneumatic cylinder;hydropneumatic suspension1 前言汽车悬架系统的设计必须适应于行驶平顺性和安全性的要求。从这一点出发,人们希望弹簧刚度和减震器的阻尼系数能随着汽车运行状态而变化,使悬架总处于最优状态,传统的被动悬架系统用弹簧和减震器支持车身,但由于减震器的阻尼力与振动速度成正比,随着激振频率的增加,刚度将相应增大,这样就不能很好地隔离高频干扰。因此传统的被动悬架只能保证在一定的道路和速度下达到性能最优折衷。随着在各种道路条件下对车辆性能要求的提高,传统的被动悬架已不能满足要求,各种悬架控制技术和方案都得到了发展。油气悬架具有变刚度特性,随着挠度的增加,弹簧的刚度变大。在车轮的大部分行程(动绕度)范围内,油气弹簧的刚性随动行程的增加而缓慢增大(相当于弹簧较软)。当动行程较大时,刚性随动行程的增大而急剧增大(相当于弹簧较硬)。因此,油气悬架系统既能提高车辆在一般路面上的行驶平顺性,又能防止在大起伏路面上行驶时出现悬架被击穿的情形。例如,美国将扭杆弹簧悬架系统的 M60坦克改为油气悬架系统后,在地面不平度为 90 mm的路面上,速度由 14 km/h提高到了 38 km/h。在有 300mm和 400 mm高度的不连续障碍物上行驶,前者行驶速度为 16 km/h时,冲击导致的驾驶员位置垂直加速度超过 2.5g,而后者以 48 km/h速度行驶时,驾驶员位置垂直加速度仍低于 2.5g。采用油气悬架的火箭运输车,也可使火箭在运输途中,垂直加速度小于 0.5g。而使用钢板弹簧则很难甚至不可能达到这样的水平。油气弹簧可得到较低的固有振动频率,而且容易实现车身高度调节。这些特性使得对油气悬架系统的研究、开发和应用得到进一步的发展。大吨位的自卸汽车,尤其是工地和矿山用车,其工作的道路条件和装载条件都很恶劣。采用油气悬架后,可显著地缓和冲击,减少颠簸,从而改善驾驶员的劳动条件和提高平均车速。油气弹簧的径向尺寸小,对整车的布置有利。有的自卸车采用了烛式前悬架,能使82000 1专用汽车Special Purpose V ehicle转向轮廓转角达 45度,大大减小了汽车的转弯半径。改变钢筒的油量和气室的压力可得到不同的变刚度特性,从而可以使油气弹簧的主要部件在不同吨位的汽车上通用。此外,油气悬架与钢板弹簧、螺旋弹簧等其他弹性元件相比较还有结构紧凑、承载能力大、本身重量轻(可比钢板弹簧轻 50%,比扭杆弹簧轻 20%)、缓冲减震性能好等优点,特别适合于重型车辆。基于以上特点,油气悬架愈来愈广泛的运用在大型工矿用自卸车和军用越野车辆上。2 油气悬架的组成和国内外技术发展的现状油气悬架以气体为弹性元件,而在气体和活塞之间引入油液作为中间介质。工作缸由气室和浸在油中的阻尼阀组成。按结构有单气室、双气室(带反压气室)和两级压力式等几种,如图 1所示。单气室油气弹簧又分为油气分隔式和油气混合式两种。单气室油气式弹簧在伸张行程过程中,气压下降,刚度变小,储能容量小,结果容易形成活塞与缸体端部撞击。但这种情况发生时,可以考虑采用装伸张行程止回阀或用双行程止回阀等方法。两级压力式油气弹簧的特点是有两个并列的气室,一个气室中充气压力与单气室油气弹簧的压力一样,另一气室称为副气室,其中充有高压气体。在低负载时,主气室工作,副气室不工作。只有当载荷增加到一定程度,副气室才与主气室一起工作,这时悬架的刚度由两个气室一起决定。油气悬架最早应用于重型矿用自卸汽车的后悬架,以及坦克的首尾两处,以后逐渐扩展应用到重型越野车和多轴重型吊车上。目前,国外使用油气弹簧悬架的车辆有高级轿车、工矿自卸车、越野车、坦克等。生产历史较长的有美国 WABCO(西屋)公司(油气弹簧元件)、卡特皮勒公司(自卸汽车)、法国的雪铁龙公司等。较具特色的有前苏联的 SSU-20移动式导弹发射车,油气弹簧可以做到免维护;法国的五轴移动式导弹发射车;美国的 AA7VA1两栖装甲战车,用 12个油气弹簧构成全油气悬架,各油气弹簧的油腔连在一起,可以起到自动平衡负载的功能,此外,还有车高调节功能;日本的 KATO的 200t 六轴汽车吊,能够自动进行车高调节,且能够自动平衡负载;法国雪铁龙的小卧车,有高度调节功能(三级),且具有平衡措施。总的说来,国内外对油气弹簧本身研究得较多,其基本理论已较成熟。但在具体的结构、阻尼调节、有关参数的选择及工艺上各厂家差别较大,缺乏彼此性能的比较,因而在规范化设计方面仍有许多工作要做。而在高度调节技术,平衡技术方面的研究更是不足,国内在这些方面的研究几乎是空白。3 油气悬架的研究方法3.1 油气弹簧形式的分析和选择油气弹簧有单气室,双气室以及两级压力式等几种(如图 1所示)。其中单气室结构简单,工作可靠,加工要求低,但其在伸张行程中刚度较低,行程大,易撞缸。双气室避免了伸张行程中的撞缸现象,但与单气室一样,自然振动频率在变载荷下变化较大。两级压力式则在载荷变化时有两级刚度与之相适应,其刚度变化更符合性能要求,保证汽车在空载和满载时有大致相等的自然振动频率,但其结构复杂,造价较高。(a)单气室(b)双气室(c)两极压力式图 1 油气弹簧示意图3.2 油气悬架平衡方案设计对多轴车辆悬架系统而言,一个重要任务就是保证车轮同时接触地面,从而近似均匀地分配垂直载荷。平衡悬架技术正是适应这一要求而得到发展的。当弹簧为油气弹簧时,在结构上将得到很大程度上的简化。平衡杆系结构不再需要,而代之以油缸或气缸之间相互连接的管路。它同样可保证各油气弹簧的支点承力均匀,使每根轴的承载质量基本相同,从而达到平衡的效果。平衡连通方式可采用左右两侧同侧油气弹簧连通或左右两侧分组油气弹簧连通等方案,不同的连接方式会使悬架系统具有不同的刚度特性。具体情况如图 2所示:图 2 油气悬架平衡设计图9吴涛等:重型越野车辆油气悬架的设计设每个油气弹簧的静刚度为:kj=P0 F0H0(1)式中:Fd 油气弹簧承载面积;P0 初始气体绝对压力;Hd 初始气柱折算高度。当各油气弹簧采用第一种连通方式时,相当五组弹簧串联,每个油气弹簧所具有的静刚度将变小:kj=P0 F05H0,即连通后的每个油气弹簧的刚度是不连通的每个油气弹簧刚度的 1/5。同理,当同侧有两根轴上的弹簧同时受到压缩或拉伸时,那么该轴上的弹簧刚度将相应缩小为原来的 1/2。以上为油气平衡悬架系统同侧相连时的垂向刚度特性,下面讨论悬架系统的横向刚度特性。当车辆发生侧倾时,同侧的油气弹簧同时受到压缩或拉伸,从而表现出并联特性。悬架系统刚度变为:Kh=Fd P0H05=5Fd P0H0,这时悬架系统所具有的刚度为垂向刚度的 25倍。同理,当采用油气弹簧分组互连方案时,即上图所示第二种方案,弹簧 1、2分别与 6、7相连,弹簧 4、5分别与 9、10相连。此时垂向刚度特性为:k1=k2=k4=k5=k6=k7=k9=k10=Fd P04H0。由此可见当采用不同的连通方式时悬架系统可以得到不同的刚度特性。油气平衡悬架设计时,首先是进行理论分析。设车身垂向自由度 ay为各弹簧刚度 k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8、k9、k10的函数,即:ay=F(k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,k9,k10,f)。通过仿真计算,当各轴刚度之比发生变化时,ay能够将其反映出来。这样就可以找到相对最为合适的刚度比例关系,使得 ay能够符合要求。然后进行实验,对理论分析结果进行验证。同理可以找到车身绕纵向轴和横向轴转动的两个自由度与各轴刚度之间的关系,并相应进行处理。3.3 车身高度调节装置布置方案分析油气悬架系统的特殊结构使得实现车身高度调节变得容易起来。一方面它可以保证汽车高度基本不随载荷的变化而变化。使车身高度能够进行调整,并保持在一定的位置,从而改善了汽车的行驶稳定性;另一方面,保持气体容积为定值,可以保证在不同载荷下得到大致相同的振动频率,从而改善汽车的行驶平顺性;另外,通过对车身的高度调节还可以改善车辆的通过性。油气悬架系统可以通过油压调节和气压调节来进行高度控制。由于油气弹簧的刚度 K 与气体压力P 和气体折算高度 H有关,已知刚度 K 表达式如下:Ki=K Fd PiHi(2)式中:Pi 任意时刻的绝对压力;Hi 任意时刻的折算高度。当气体压力不变时,气柱高度的增大将使得弹簧刚度变小。而且油气弹簧振动频率也与气柱折算高度有关,已知油气弹簧振动频率 F大致表达式为:F=30cg nhj,式中 n为气体绝热系数。由此可知当气柱高度变化时,系统振动频率也发生变化。这样为保持汽车行驶的平顺性和稳定性,当进行气压调节时,必须还要进行其他的调节来纠正引起气柱高度变化而产生的性能偏差。但是当采用油压调节时,基本上可保证调节前后系统刚度和偏频保持不变,从而使得调节过程简单化。采用油压法进行调节时,根据供油为压力调节的组合方式可分为:a.齿轮泵配有自动卸装装置;b.柱塞泵配有自动卸载装置;c.变量柱塞泵;d.不可调的柱塞泵配有溢流阀。选取时需要进行分析和比较。3.4 油气悬架导向机构布置方案及其运动学分析这部分内容主要包括导向机构尺寸的选择,上下臂在横向平面内的倾角及其倾斜方向的确定,悬架上下横臂摆动轴向倾角的选择等。其目标是使得车轮按照一定的轨迹相对于车架和车身跳动。3.5 油气悬架的液压系统布置方案分析合理选择和布置液压元件,使得系统在快速、平稳的基础上尽量减少能量消耗。3.6 弹性元件的设计计算方法包括油气弹簧的设计与强度计算,主要计算内容有:a.活塞的有效面积;b.自由振动频率和气柱折算高度;c.油气弹簧工作腔中气体的容积;d.油气弹簧中的充气压力;e.油气弹簧中减震器的有关参数。3.7 油气弹簧与车身高度调节器的设计计算,主要内容包括:a.恢复车身位置的功的计算;b.在不同结构形式的调节器中,作用在柱塞上的力的变化与无杆区的关系;c.各种不同工作过程中,调节器中油液流量的计算(包括移动车身位置时的流量、当处于平衡位置时的平均流量、装载后为恢复车高而需注入液体体积及车身升高时的液体流量);d.对有液力延迟器的调节器,还包括动作延迟时间的计算;e.调节102000 1专用汽车Special Purpose V ehicle器及其具体结构尺寸的确定、强度校核等。4 一些特殊问题车辆油气悬架系统设计时,难点是高度调节和平衡调节。高度调节有静态车高调节和动态车高调节两种。前者主要用于停车时调整车辆的姿态,而后者不仅能够手动设定车身的高度,而且系统能自动检测车身的高度并维持在设定高度上。由于高度调节机构相当复杂,它需要通过电磁换向阀来控制向油气弹簧不同油缸中充(放)油,使车体产生前俯、后仰、左倾、右倾的姿态。如,美国AAV7A1两栖战车可以通过手动控制电磁阀来调整车高;法国雪铁龙的小卧车和日本 KATO的 200t六轴汽车吊不仅能手动设定车身的高度,而且能自动维持在设定高度上。至于平衡悬架技术,可以在油气平衡悬架中采用简易的复合平衡措施,即将同侧的油气弹簧的气室串接起来,利用帕斯卡原理使同侧油气弹簧承载值保持一致。这种方法对于车身较长,抗横向摆动能力要求较高而纵向刚度要求较低的车辆是一种行之有效的方法。因为当气室串起来后,其纵向刚度相当于弹簧串联起来后的总刚度,其横向刚度则相当于弹簧并联后的总刚度。也可以用类似 KATO的 200t六轴汽车吊中的方法,将 1轴与 2轴、3轴与 4轴、5轴与 6轴的油气弹簧分成三组。每组中纵向相邻的两个油气弹簧的气室连通,并可以通过一个开关阀的控制与另一侧的两个油气弹簧的气室连通。还可以通过检测各油气弹簧的压力来控制各油气弹簧的运动,从而达到平衡负载的效果。参考文献1余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,1989.2张民.电子控制悬架在单厢式车上的应用.电子技术应用,1991(4):65 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