做汽车油气悬挂技术创新达人——记中国北方车辆研究所学科带头人陈轶杰

北车所

做汽车油气悬挂技术创新达人
——记中国北方车辆研究所学科带头人陈轶杰

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构成车辆底盘的动力传动和行走系统这两大关键部分直接决定了底盘的操控性和舒适性，如果将动力传动装置比作人的心脏，那么行走装置就是人的两条腿；腿脚不灵活，即使有再强大的心脏也无法保证一个人快速行走甚至奔跑。而汽车悬挂装置就是保证车辆行驶平顺性、安全性和操控稳定性的关键。

然而长期以来，我国大部分工程及特种车辆采用的是螺旋或钢板弹簧的传统机械式悬挂减振装置。这种装置看似牢固耐用，实际使用中却存在运输效率低、使用寿命短等缺点。这不仅影响工作效率，还增加了维修成本。能不能将这种装置进行升级改进呢？随着科学技术的不断发展，近年来业内专家开始关注油气悬挂技术这一课题，陈轶杰就是其中颇具成果的佼佼者。

陈轶杰早在北京理工大学机械与车辆工程学院攻读工学博士期间，就跟随导师参加了多个重点型号项目悬挂系统的研制，获得过HORIBA汽车零部件创新奖、优秀研究生标兵等荣誉；进入中国兵器工业集团第201研究所（中国北方车辆研究所）后，便担任了悬挂系统技术团队的学科带头人，并成为中国力学学会审稿专家、国家自然科学基金同行评议专家。他带领的技术团队连续三年被评为所“优秀专业团队”、“优秀青年集体”，多次获得“军品科研立项奖”、“民品开发优秀团队”等荣誉。

从基础理论着手发现新问题

在研究油气悬挂之前，陈轶杰和技术团队就已详细分析了现阶段我国大部分工程车辆及特种车辆采用的传统悬挂形式，了解了因弹簧材质不同所导致的差异。

钢板弹簧目前在我国大吨位运载车辆上应用较为普遍。它结构简单，单位质量储能小，质量较大，不利于实现车辆轻量化。由于要满足“多拉快跑”的实际需求，车辆的钢板弹簧通常工作3个月左右就会出现疲劳断裂等故障，需要维修和更换，在造成大量材料浪费的同时，也增加了车辆行驶的安全隐患以及运输保养成本。

广泛应用于小吨位车辆独立悬挂系统的螺旋弹簧，所需车体纵向空间较小，自身质量小，单位储能比较大，且不忌污泥，但由于应力强度的限制无法在重载车辆上使用。特别是弹性元件只有储能和缓冲作用，要衰减振动还需附加减振器，程序相对复杂。而橡胶弹簧悬挂则是利用橡胶本身的弹性吸收外界振动能量，单位质量储能比金属弹簧大，隔音性能好，能承受一定的扭转和压缩载荷，但寿命较短，易因老化而导致性能变差。

陈轶杰介绍，油气悬挂是用高压惰性气体分子的相互作用力替代传统的弹簧储能元件，通过对气体的压缩实现输出力值的非线性增长，让它具有大储能比，这样就可成倍吸收来自外界的振动能量，特别是在附加车体姿态的自适应调节系统后，可显著改善车辆综合行驶性能。

为了更深入地掌握油气悬挂技术，陈轶杰带领项目团队进行反复实验，进一步发现它具有三个不可比拟的优势：一是可呈现出很好的非线性弹性特征，对重型越野以及载货汽车都具有很好的匹配效果；二是储能比钢板、螺旋和橡胶弹簧提升了近千倍，具有更佳的缓冲能力；三是可将大功率减振阀内置于油气悬挂缸内部，实现高度集成化和轻量化。

陈轶杰技术团队通过技术攻关，最终把拥有绝对优势的油气悬挂技术，推广运用到了车辆的实际生产和使用中。

唯有创新才能不断前行

要使油气悬挂技术真正落地应用，其过程并非一帆风顺。陈轶杰强调，不要拘泥于过去的模式，要敢于打破常规的思维方式，真正实现自主研发与创新。他的团队制定了油气悬挂装置的研究体系和框架，攻克了油气悬挂系统性能预测设计、机电液联合多参数调节等多项技术难题，全方位地保障了油气悬挂装置的使用效果。

他的团队通过自主编程方式构建的油气悬挂的创新设计平台，把设计误差控制在15%以内，显著缩短了产品研制周期，降低了研发成本。通过对液压系统参数设计和阀组的有效集成，解决了空满载质量差别大、多轮车辆协调控制、车体自动调平等多项关键难题，使车辆在不同承载重量时均达到理想的行驶效果。

其团队开发的具有完全自主知识产权的油气悬挂自增压闭锁装置，可满足车辆短距离搬运重物等特殊作业时对工作稳定性的需求；开发了内置磁致伸缩位移传感器的油气弹簧，能将车体姿态调节精度大幅度提升，显著延长油气弹簧使用寿命，提高了系统的可维护性，同时还解决了数据线从高压油缸内引出时的密封问题。

此外，通过对高压组合密封的设计与选型，把油气弹簧的工作压力由原来的40MPa提升至60MPa，通过改善密封件的使用环境提升了弹簧抗泄漏的可靠性，降低了输出摩擦力值，为油气弹簧向小巧紧凑型方向发展奠定了基础。

目前，陈轶杰的项目团队正努力改进密封结构形式，以进一步突破油气弹簧临界高压的极限。而阻尼和刚度可调半主动悬挂技术，则是电控装置通过采集加速度传感器的信息实现对阻尼特性的闭环控制，使得车辆行驶性能达到最佳理想状态。通过实车测试，多轴运载车辆的平均越野速度较传统悬挂提高了25%以上；通过采集压力传感器等信息可实现对车辆上装重量的监测，并自动切换高低压气室，实现刚度两级可调，确保车辆在空满载时行驶状态的一致性；系统还可以根据驾驶员的主观感受通过控制面板进行手动干预，可满足车辆行驶过程中的使用需求。

作为80后的优秀青年科技人员的代表，陈轶杰始终坚持理论与实践相结合的技术发展路线，先后主持参加了国家自然科学基金、国家重大基础安全课题973专题、国家科技支撑计划子课题等国家和省部级重点课题，开展了高机动履带车辆非线性多体动力学建模和行动系统性能评价体系研究，完成了高性能大功率减振装置设计方法创新，创建了环形薄板大小挠曲变形解析计算和等效厚度理论，并推导出环形缝隙在紊流状态下流量与压差解析算法；首次实现了高速冲击工况下减振阀预紧开阀状态的动态模拟，解决了无法有效评估开阀阻力值的技术难题。他以第一作者身份公开发表学术论文50余篇，其中26篇被EI检索；申报发明专利32项，其中已授权10项。

在他的带领下，油气悬挂系统技术团队取得了一系列技术突破，连续三年获得研究所优秀团队称号。有关领导评价称：该技术团队取得这些成绩，跟陈博士的人格魅力与带队方式有直接关系。他善于调动大家的工作热情，勇于承担责任，敢于给同伴压担子，在团队中形成良好的互动合作关系。

产业化发展趋势势不可挡

陈轶杰团队通过与企业合作，共同承担国家项目，深切体会到“从工业生产领域延伸出的一些关键基础问题，需要在技术领域着力去研究，这是非常有吸引力的”。他们的技术也正是为解决工业生产中的关键问题以及市场期待的新产品奠定了基础。

自2010年项目实施以来，已逐步形成了单根弹簧承载1吨到30吨的系列化产品，并配备了各种功能的车姿调节系统，向国内企业进行供货，产生了显著的品牌效益。团队先后向有关企业提供了轮履式特种车辆装备，为三一重工全路面起重机、航天科工集团刚弹转换系统、航天科技集团外贸特种车辆、北京卫星制造厂和沈阳自动化研究所的全向智能移动装备，陕西重汽、长春一汽和中国重汽的多轴重型运载车辆等多个重点项目提供了配套和产品研发，实现产值2亿余元。

陈轶杰带领项目组积极进行了产业化推广，目前项目组综合开发能力处于国内领先水平，为油气悬挂在军民品市场的推广应用奠定了基础，已经拥有了一系列的专用检测、试验、装配工装，并形成了较为完善的出入所检验规范，同时具备缸径为50mm到280mm的系列化产品加工能力和机电液联合可调悬挂关重部件，特别是系统级的性能与耐久寿命试验检测能力；梳理出了油气弹簧、集成阀组、电控装置、导向机构等主要产品的详细工艺流程，突破了表面镀铬与润滑、大承载力球头刻线、高压线密封研磨等关键部件的加工技术。