浅谈双极蓄能器油气平衡悬架性能及重量优势

张恩，刘勇，李治宝，范学琼，刘洋，李广耀

（1.三一集团有限公司，湖南 长沙 410100；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

引言

油气弹簧因为有较大的储能比，在重型汽车上应用较多。经典的平衡悬架形式是油气分离式，悬架结构简图如图1 所示。油气弹簧全部充满液压油，液压油作为承载介质，同时弹簧油气弹簧内部设计有阻尼孔及单向阀，集成减振器的功能，蓄能器气体腔充满氮气，通过气体压缩来吸收路面冲击，上下推力杆及横推力杆实现车桥导向。

在悬架设计时，通常以满载状态的轴荷参数作为设计输入，同时兼顾空载状态车身高度等作为边界限定条件。空载状态和满载状态轴荷差异非常大，一般差异可达到5 倍以上，这就导致空满载状态悬架油液压力的差异也较大。以瞬时平衡状态进行研究，此时悬架油液压力与蓄能器气体压力达到瞬时平衡，压力相等。

图1 油气平衡悬架结构简图

单极蓄能器结构简图如图2 所示，路面的冲击使油腔油液压力产生变化，进而活塞移动压缩气室气体，吸收路面冲击。

图2 单极蓄能器结构简图

若油气平衡悬架蓄能器为常规单极蓄能器，由理想气态方程可知：

式（1）中：

P1——满载状态蓄能器气体压力；

V1——满载状态蓄能器气体体积；

P2——空载状态蓄能器气体压力；

V2——空载状态蓄能器气体体积。

假设P1=5P2，则容易得出V2=5V1。例如某款重型汽车设计的满载气体容积为10L，因此空载状态下蓄能器的气体体积需要达到50L。在悬架设计时，因为车轮、上装等的限制，很难进行如此大体积的蓄能器布置。

若蓄能器体积小于空载状态的体积要求，为满足满载状态悬架的承载，必然需要较大的充气压力，导致的结果就是空载状态悬架液体压力小于蓄能器气体压力，不能达到瞬时平衡，此时相当于蓄能器气体不能有效压缩，不能吸收路面的冲击载荷。对悬架系统来说，空载状态相当于缺少弹性减震功能。对于皮囊式蓄能器来说，空载状态也容易击穿皮囊，影响蓄能器的寿命。

因此，一种能同时兼顾满载和空载状态弹性力要求的双级蓄能器，对油气平衡悬架的设计布置优化和性能改善就显得尤为必要。

1 双极蓄能器结构原理

双极蓄能器的结构简图如图3 所示：

图3 双极蓄能器结构简图

双极蓄能器的基本原理比较简单，在单极蓄能器的基础上增加一个气室，两个气室设定不同的气体压力，以满足悬架的空载、满载、极限状态的承载减震需求，克服单极蓄能器不易兼顾两种悬架状态的缺点。

2 双极蓄能器气室压力设定

双极蓄能器高、低压气室压力设定基本原则为：满载状态高压气室起作用，通过压缩高压气室气体来吸收路面冲击；空载状态低压气室起作用，通过压缩高压气室气体来吸收路面冲击。

车辆空载、满载、满载极限冲击状态双极蓄能器活塞位置如图4 所示：

图4 各悬架状态活塞位置

高压气室气体压力为P1，低压气室气体压力为P2，为便于分析，油腔油液压力用P3表示。在空载静平衡状态，两活塞在图4 所示位置，P1＞P2=P3；在满载静平衡状态，两活塞在图4 所示位置，P1=P2=P3；在满载极限冲击状态，两活塞在图4 所示位置，P1=P2＞P3，一般路况下，满载极限冲击载荷设定为2.5 倍的满载载荷。

3 单极、双极蓄能器压力特性比较

图5 是一种重型汽车油气平衡悬架分别匹配单极蓄能器和双极蓄能器时的蓄能器压力曲线。

图5 蓄能器压力特性曲线

图5 中，对双极蓄能器来说，曲线分为两段，满载段以下的曲线为低压气室压力特性曲线，满载及满载以上为高压气室压力特性曲线。

按照图1 所示结构进行悬架设计，蓄能器实际上就是整个悬架系统的弹性元件。以油气悬架左侧整体进行分析，左侧油气弹簧受力F 与油液压力P 有下列关系：

式（2）中：

S——左侧两个油气弹簧活塞杆截面积和；

S 为定值，油液压力与气体压力相等，所以左侧油气弹簧受力与蓄能器气体压力是线性关系。因液体不可压缩，所以油气弹簧活塞位移与蓄能器活塞位移的关系一定是线性的关系。通过上述分析，不难得出左侧油气弹簧承载力与油气弹簧活塞位移的关系曲线与图5 曲线是类似的，纵坐标为油气弹簧承载力，横坐标为油气弹簧活塞位移。因此，悬架刚度就是曲线斜率。

从图5 不难看出，单极蓄能器与双极蓄能器相比较，单极蓄能器悬架满载及以上悬架刚度比较大。

悬架刚度与频率有如下关系：

式（3）中：

n——悬架频率；

C——悬架弹簧刚度；

m——悬上质量。

悬架设计从舒适性角度考虑，需要较小的频率设计，一般货车不超过1.8，越野车不超过2.2。根据式（3），刚度越小频率也越小，所以定性的来讲，双极蓄能器满载及以上悬架刚度较小，对应的悬架频率也较小，有利于从悬架频率角度提升车辆舒适性。

另一方面，单极蓄能器从空载到满载，再到极限，刚度差异非常大，根据式（3），频率也会产生较大变化。车辆在空载状态和满载状态频率差异太大，会使驾驶员不适应这种变化，容易产生晕车的情况，相对来说，双极蓄能器相对来说变化就没有单极蓄能器剧烈，驾驶舒适性也会提升很多。

4 双极蓄能器油气平衡悬架应用前景

常规板簧平衡悬架中，板簧和平衡轴的重量占整个悬架重量一般超过70% ，油气平衡悬架与常规板簧平衡悬架相比较，没有板簧和平衡轴，而由于较大的储能比，油气弹簧和蓄能器重量较小，因此悬架在轻量化方面具有明显优势。例如某款高速运输车辆，相较常规板簧平衡悬架，双极蓄能器油气平衡悬架重量可降低150kg 以上，降重非常可观。

目前，在商用车领域，车辆轻量化设计已经成为趋势。在法规严格控制车货总重的情况下，谁的产品重量轻，意味着可以多拉更多的货物，站在用户的角度，意味着效益更高，站在车辆生产厂家的角度，意味着产品更具竞争力。

综上分析，在商用车领域，双极蓄能器油气平衡悬架具有广阔的应用前景。

5 结语

本文主要研究了单双极蓄能器的简单结构，油气平衡悬架单、双极蓄能器的悬架性能差异，并阐述了双极蓄能器油气平衡悬架的性能优势。经过初步悬架方案设计和分析，双极蓄能器油气平衡悬架具有较大性能和重量优势，具有很好的应用前景。