油气悬挂系统在汽车上的应用

程太平 刘成

1.湖北新楚风汽车股份有限公司 湖北随州 441300 2.汉阳专用汽车研究所 湖北武汉 430000

1 油气悬挂系统的概述

悬挂是现代汽车上重要的总成之一，它把车架和车轴弹性地连接起来，其主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩，缓和路面传递给车架的冲击，保证汽车行驶平顺性，使车轮在路面不平和载荷变化时，有理想的运动特性，保证汽车操作稳定性，使汽车获得高速行驶能力。

悬挂一般由弹性元件、导向装置、横向稳定器、减震器和导向机构等构成。按车辆行驶过程中悬挂是否能被控制，可分为被动悬挂、主动悬挂和半主动悬挂三种类型。不需要外部输入力的悬挂叫做被动悬挂；通过外部能量输入实现控制力调节的可控悬挂叫做主动悬挂；输入少量调节阻尼系数的可控阻尼悬挂叫做半主动悬挂。从整体结构看，目前工程车辆上应用的油气悬挂系统主要有独立式和互联式两种类型；从油气弹簧的形式看，则分为单气室油气分离式、双气室油气分离式、多级压力式和油气混合式等。

油气悬挂系统是由油气悬挂油缸、柱塞泵、液压蓄能器等构成，该油气悬挂系统主要是以液油作为传力介质，用惰性气体或氮气作为弹性介质，用弹簧介质阻尼车辆的振动和用蓄能器存储或者释放能量的系统，油气悬挂是集弹性和阻力元件于一身，具有良好的非线性弹性特性和优秀的阻尼性能。

油气悬挂最早出现在飞机的起落架上，用于提升飞机着陆的安全性和平稳性。随着汽车技术的发展，设计师们大胆创新，逐步将油气悬挂应用于汽车，以提高汽车驾驶的舒适性和操作稳定性[1]。油气悬挂是液体和气体的组合，利用油液的流动阻力实现减震功能，利用气体的可被压缩性作为悬挂的弹性元件，同时用油液的不可压缩性实现运动和力的传递。因此，油气悬挂不仅具有良好地阻力特性，同时可以很好地调整控制汽车的运动姿态，如：实现汽车底盘横向找平控制、高度控制和横向控制等。

2 油气悬挂系统在汽车上的应用原理

2.1 油气悬挂结构原理

汽车上油气悬挂原理如图1所示，油气悬挂系统由油气悬挂油缸、柱塞泵、液压蓄能器等构成，其特征是：该系统设有一个单独的油箱，结合图2中油气悬挂油缸结构示意图，在每根车轴的左右两侧与车架之间都装有油气悬挂油缸，油气悬挂油缸的一端与车轴固定，另一端与车架固定，悬挂油缸活塞侧与车轴固定。

柱塞泵输出端通过液压油路、各电磁阀组与悬挂油缸活塞侧和蓄能器活塞侧连通，悬挂油缸活塞杆侧直接或经过电磁阀与油箱连通。柱塞泵与车辆发动机连接并由其驱动。整个油路中根据需要还设置有滤清器和节流阀等器件。

图1 油气悬挂原理图

图2 油气悬挂油缸结构示意图

在图2中，油气悬挂油缸上设置有传感器油缸高度控制开关，这些电子传感器给系统的电控性能带来极大的提高，通过车载控制单元的控制可以实现提升桥、底盘横向找平控制、高度控制和横向稳定控制等多项功能。

2.2 多功能油气悬挂液压油路

在多功能应用中的油路如图3所示，在车架的左右两侧各设有一个液压蓄能器，每一侧的油气悬挂油缸活塞侧都与该侧的蓄能器活塞侧连通，其悬挂油缸活塞杆侧分别相互连通，由图中可见左液压蓄能器与左油气悬挂油缸相连，左侧液压蓄能器的蓄能器活塞侧与左侧油气悬挂油缸的悬挂油缸活塞侧相连通，左侧的悬挂油缸活塞杆侧相互连通后经过电磁换向阀与油箱连通，右液压蓄能器与右油气悬挂油缸相连，右侧的油气悬挂油缸活塞杆侧相互连通后经过电磁换向阀与油箱连通。可见左右两套油气悬挂油缸基本相互独立，在这样的基础上可以实现油气悬挂的多种功能应用。

图3 多功能油气悬挂液压油路图

2.3 液压蓄能器

液压蓄能器由一个中部的活塞分隔为充有液压油的蓄能器活塞侧和充有气体的另一侧。当车桥加载时，油缸活塞侧的液压油将被强制挤出，进入蓄能器活塞侧，这将导致压力增加，然后通过蓄能器的活塞压缩气体，通常是高压氮气。高压氮气作为油气悬挂的弹性介质，相当于传统被动悬架的弹簧。整个管路系统具有良好的减震性能和稳定性。

在车辆行驶过程中，随着活塞杆相对缸筒的上下运动，蓄能器中的气体处于连续的膨胀和压缩状态。在研究油气悬挂时，一般将气体看作是理想气体，建立数学表达式时采用气体状态方程来描述。理想气体状态方程是一个多变过程，其表达式为：

式中，P0为理想气体的初始压强，Pa；V0为理想气体的初始体积，m3；P为理想气体的压强，Pa；V为理想气体的体积，m3；γ为气体多变指数。

当油气悬挂处于压缩状态或拉伸状态时，液压蓄能器内压强和温度是连续变化的，同时，在油气悬挂工作过程中，液压蓄能器内气体与外界空气也有热量交换，因此，液压蓄能器内气体的温度变化是比较复杂的。气体多变指数γ的理论范围为1～1.4，但是实际上气体多变指数是个与气体状态相关的变量，大小受到很多因数的影响，比如气体的温度、外界激励的速度频率等，很难确定其具体值。文献对油气悬挂气体多变指数随温度的变化关系进行了理论和试验研究，液压蓄能器内气体多变指数最高甚至可达到1.6～1.8，这跟理论的气体多变指数有较大的差距。本文对单气室油气悬架建模时采用理想的气体状态方程，这对于研究油气悬架的非线性特性及油气悬架车辆的性能研究已经足够。如果需要对油气悬架的结构进行精确设计，则需要结合油气悬挂的实际工况充分考虑气体温度的影响，采用实际气体状态方程。对于公式(1)，在定气体多变指数前提下，只能求出液压蓄能器某一时刻气体体积[2]：式中，A1为液压蓄能器活塞无杆腔侧截面积；A3为液压蓄能器活塞有杆腔侧截面积；x为活塞杆相对于缸筒运动速度。

即可求出此时蓄能器内气体压力Pγ[2]：

2.4 油气悬挂输出力

油气悬挂活塞杆和缸筒之间产生相对运动时，油气悬挂输出力主要包括来自蓄能器高压氮气的弹性力、油液流经节流阀及节流孔产生的阻尼力及活塞与缸筒之间相对运动的摩擦力三部分。

假设缸筒固定不动，活塞杆相对缸筒上下运动，根据牛顿第一定律，可以建立油气悬挂的输出力方程为[2]：

式中， F为 油气悬挂的输出力，压缩为负，复原为正；P1为无杆腔压力；P3为有杆腔压力；Pair为 大气压力；A1为液压蓄能器活塞无杆腔侧截面积；A3为液压蓄能器活塞有杆腔侧截面积；Ff为活塞杆与缸筒之间的摩擦力。

3 油气悬挂的主要特点

3.1 高度控制

汽车在崎岖不平的公路上行驶时，油气悬挂系统可以不管汽车载荷的大小，当车辆一侧陷入坑中发生倾斜时，通过传感器感应，能主动提升高度，使车架保持水平，货物也就处于水平状态，不会因车辆一侧轮胎陷入坑中导致质心降低而发生侧翻，因此，油气悬挂系统具有极高的行驶稳定性。

3.2 横向找平控制

每一辆油气悬挂系统车型都配有自动横向水平调节器，也称为自卸稳定器，这就确保了当车辆在低于3 km/h的速度行驶时，悬挂气缸处于封锁状态，从而增加了横向稳定性，当汽车需要向一侧倾卸时，该系统进入手动模式。

3.3 非线性阻尼

车架与车轴相对速度主要与油气悬挂的阻尼有关，改变减震器阻尼振动，可减轻对车辆的冲击，防止汽车急转弯时横向倾斜，防止紧急刹车时车头下降，防止汽车起步或加速时汽车下沉，提高行驶稳定性和操作平顺性，具有良好的减振性。

3.4 非线性刚度

传统车辆采用的钢板弹簧悬挂，刚度特性固定不变，油气悬挂系统的弹性介质采用惰性气体或氮气，其刚度特性不是固定不变的，可以随着外部的变化而变化。

4 结语

油气悬挂是当今汽车发展中核心技术之一，直接影响汽车的操作性和驾驶平顺性，拥有深远的研究意义和广阔的应用前景，舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬挂有关。采用油气悬挂可大幅度提高车辆行驶过程中的操作稳定性、平顺性和舒适性，因此对油气悬挂系统性能的研究对于改善整车的性能具有重要意义。

[1]孙建民.工程车辆油气悬挂系统的研究现状及发展趋势[J].建筑机械,2017(03): 90-93.

[2]杨业海.高机动性越野车油气悬挂系统设计和开发[D].长春：吉林大学，2012.