非公路自卸车油气悬架应用的一种算法

马国安，马国辉

（徐州徐工汽车制造有限公司，江苏 徐州 221000）

非公路自卸车油气悬架应用的一种算法

马国安，马国辉

（徐州徐工汽车制造有限公司，江苏 徐州 221000）

油气悬架承载能力大，非线性刚度特性和阻尼特性良好，文章基于非公路自卸车和油气悬架的特点，选取系统中油缸、蓄能器和阻尼阀的性能和结构参数，为油气悬架系统应用于自卸车提供了一种算法。

油气悬架；自卸车；结构参数；一种算法

CLC NO.:U469.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-139-03

前言

随着我国煤炭工业和钢铁工业的复苏，非公路自卸车需求量急剧攀升，其生产设计水平以及满载装载质量都在不断的提高[1]。非公路自卸车工作环境复杂、承载质量大、载荷冲击变化大，传统悬架无法同时满足使用要求，全主动悬架可以满足上述要求，但造价昂贵产品成本代价大，批量应用可行性小。油气悬架系统不仅承载能力大，非线性刚度特性和阻尼特性优异，适用于复杂工况，而且造价远低于全主动悬架，因此油气悬架在工程车辆上具有良好的应用前景。

1、油气悬架特点及应用现状

油气悬架是以油液传递压力，利用惰性气体（氮气/氦气）作为弹性介质，由蓄能器和悬架缸构成的一种悬架系统。比起传统的悬架系统，油气悬架具有以下优点[2]：

（1）具有非线性刚度、单位储能比大、改善车辆运动性能等优点；

（2）可实现车身高度和姿态的自由调节、刚性闭锁、水平调整等优点；

（3）当油气悬架用于转向轴固定在车轴主销上时，可增大转向轮转角，减小转弯半径。

随着油气悬架技术在国内外受到重视，应用也越来越广泛，目前在军用车辆、大吨位工程车以及挖掘铲运车辆等应用比较广泛。但在商用车和工程车领域，油气悬架仍处于试水阶段，应用普及率极低，国外如GINAF、卡特彼勒等实现了油气悬架在工程自卸车上的应用；国内仅有如徐工、中联、中船、三一等在电动轮自卸车上有所应用，且均没有形成大批量的市场化销售。油气悬架在传统商务车制造企业眼中仍然属于新鲜事物，目前尚处于边探索和边研究阶段，尚未形成可大批量销售的成熟产品。

基于上述背景，现介绍一种油气悬架系统在自卸车上的应用，作为一种发展方向，它可以与自卸车的举升系统或者转向系统共用液压供油部件和相关附件。同时在油气悬架车辆上，承载系统与整车的参数的匹配也将成为各个厂家重点研究的方向。

2、承载系统与整车参数的匹配

由于油气悬架在自卸车上取代了钢板弹簧和减震器，所以弹簧的刚度、承载能力和减震器的阻尼要在油气悬架系统的蓄能器、油缸和阻尼阀中有相应替代体现。所以在设计时必须确定液压油缸的缸径D和额定压力Pe、蓄能器的容积V0和充气压力P0、以及阻尼阀的压缩阻尼Fy和复原阻尼力等参数Fs。

下面以6X4自卸车为例介绍一中油气悬架自卸车，其液压原理图如下图1所示。

图1 6X4工程自卸车油气悬架液压原理图

2.1 液压油缸参数计算

油缸采用单作用差动连接，根据自卸车的使用工况，货车的动挠度fd一般在60～100mm，所以油缸的行程一般取2fd。根据油气悬架自卸车越野工况下的试验数据，悬架的的冲击力为1.8～2.3倍的载荷，可根据油缸厂家的最大供货压力计算出车辆在静平衡状态下液压油缸的承载压力。油缸缸径表示为D，油缸的活塞杆径表示为d，可按照式2-1计算。

式中n为一组悬架油缸的数量；g为重力加速度（m/s2）；m为悬架的承载质量（kg）

s为车辆冲击系数，根据试验数据，车速在50 km/h以下，s取1.5～2.3，前桥的冲击较大；Pmax为油缸允许的最大冲击压力（Pa）。

按照油缸标准，配置相应的缸径D。由此可依据式2-2计算出车辆在静置平衡时的油缸的承载压力Ps：

2.2 蓄能器参数计算

首先根据车身固有频率：n1（前悬），n2（后悬）选取车辆前、后悬的偏频大小，对于工程类自卸车，一般根据人的舒适度前悬取1.5～2.1Hz，后悬取1.7～2.2，但对于越野车辆后悬刚度可取至2.8。根据式2-3可计算出前悬刚度c1和后悬刚度c2的匹配值。

式中n为悬架处车身固有频率（Hz）；m为悬架的承载质量（kg）；c为悬架的刚度（N/m）。

根据油缸受力平衡方程：

式中F为单根油缸的载荷（N），Pa为大气压力(Pa)。

设蓄能器初始充气压力为P0（单位Pa），初始体积为V0（单位m3），工作时的气体压力和体积分别为P（单位Pa）和V（单位m3），静置平衡时的体积为Vs（单位m3）。由于器壁与油液与气体的热交换，并且气体体积相对小，我们认为蓄能器在等温下工作，则根据气体状态方程：

设进入/流出蓄能器的油液的体积为Vδ，油缸由平衡位置至工作位置的行程为s，则有如下方程：

将式（2-7）和式（2-8）同时带入式（2-6）可得：

又将式（2-9）带入式（2-5）可得：

对F关于s求导，同时带入式（2-4）可得悬架的刚度c：

在悬架静置平衡位置处s=0，由此可得出Vs：

取sm为悬架油缸的极限行程，可得到蓄能器中气体的最小极限容积Vmin和最大极限压力Pmax。

设车辆的静置空载的蓄能器的气体体积为Vk，空载压力为Pk；蓄能器的容积和压力分别为V0和P0。为了保证系统压力为Pk时，蓄能器仍具有释放压力油的能力，通常取P0= （0.7～0.9）Pk，有利于提高其寿命。

有上述可求得，蓄能器的容积V0：

由此可按照上述推导得到蓄能器的容积、初始充气压力和最大耐压要求。

2.3 阻尼阀参数计算

2.3.1 油气悬架的平均阻尼系数δ

按照单自由度振动模型考虑，选择最佳阻尼系数则：

式中：ξ-悬架系统的相对阻尼系数，对于工程自卸车取ξ=0.25；n-车辆的固有频率，对于工程自卸车满载前悬取1.5，满载后悬取1.8；m-单根油缸的簧载质量kg。

2.3.2 压缩阻尼力Fy与复原阻尼力Fs计算

对于工程自卸车，取δy=0.25δs，δy=0.4δ，δs=1.6δ，则：

设油气悬架油缸的活塞运动的最大速度为υs，达到该速度时阻尼阀片开启。根据油气悬架阻尼力与阻尼系数和速度的关系，得悬架的压缩和复原的最大阻尼力：

2.3.3 阻尼阀的压力差

根据油缸承压面积和所承受的压力，可求得阻尼阀两端的压力差Δpy，Δps：

式中：AR—承压面积（m2）；D—油缸缸径（m）；d—活塞杆直径（m）。

2.3.4 阻尼阀的使用形式

对于车辆上使用的阻尼阀通常有两种，一种是带有溢流作用的阀片式，另一种是采用细长阻尼孔的定量式。通常前者在行驶速度较快的越野工程车辆或者军用车辆上使用，如公路自卸车、半挂车、装甲运兵车等；后者多用在工况较好或者低速行驶的工程车辆，如轮胎汽车起重机，宽体自卸车等。

3、油气悬架自卸车的试验与分析

采用相同的试验条件，通过随机路面对相同吨位板簧悬架的工程自卸车和油气悬架的工程自卸车进行空载试验，分别采集驾驶室中的驾驶员座椅、靠背和驾驶室底板的加速度情况，如图2、图3所示：

图2 板簧式工程自卸车脉冲加速度响应与车速关系特性曲线

图3 油气悬架工程自卸车脉冲加速度响应与车速关系特性曲线

从试验数据图中我们可以看到，油气悬架对驾驶室的减震起到了明显的作用，驾驶座椅和靠背的加速度明显降低，驾驶室地板加速度改善程度一般。由此我们可以看出按照上述的计算方法，使用油气悬架系统来取代板簧承载的方法是正确的，但在具体参数的选择方面需要经过计算和试验进行详细优化。

4、结论

利用车辆的板簧悬架的刚度、频率，计算和选择油气悬架的油缸、蓄能器和阻尼阀的相应行程、体积和充气压力、阻尼力大小等关键参数，可以匹配出一套完整的油气悬架系统。通过按照上述方法计算匹配出来的油气悬架工程车与普通板簧悬架工程车的对比试验，可以看出上述方法是实际可行的。油气悬架明显改善车辆空载的驾驶舒适性，可以提高车辆空载返程的速度和降低驾驶员的疲劳，对于工程车辆具有重大的经济意义。

[1] 许福玲,陈尧明.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 周长城，顾亮，陈轶杰.油气弹簧节流阀片设计与研究[A].

[3] 吉林大学，王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4] 周长城，顾亮.油气弹簧阀系设计及特性试验[A].

[5] 中华人民共和国标准GB/T 4970-1996.汽车平顺性随机输入行驶试验方法.国家技术监督局1996-04-10批准，1996-11-01实施.

Off-highway dump truck guo-an ma application of hydro-pneumatic suspension is a kind of algorithm

Ma Guoan, Ma Guohui
( Xuzhou xugong automobile manufacturing co., LTD., Jiangsu Xuzhou 221000 )

The hydro-pneumatic suspension has the characteristics of large bearing capacity, nonlinear stiffness charac -teristics and excellent damping. Based on the characteristics of highway dump truck and hydro-pneumatic suspension, the performance and structural parameters of the cylinder, accumulator and damping valve are selected, which provides an algorithm for the hydro-pneumatic suspension system.

Hydro-pneumatic suspension; Dumper; structural parameter; An algorithm

U469.4

A

1671-7988 (2017)08-139-03

马国安，助理工程师，本科，就职于徐州徐工汽车制造有限公司，从事非公路自卸车研发。马国辉，工程师，硕士，就职于徐州徐工汽车制造有限公司，从事工程车辆产品设计研发。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.048