一种新型液压式互联悬架结构及工作原理分析

韩君利，陈 双

（1.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110159；2.辽宁工业大学，辽宁锦州 121000）

0 引言

军用车辆由于经常工作于荒郊野外，行驶工况复杂多变，路面的高低不平激励通过轮胎和悬架传递到车身，使得车轮附着性能变差。当车辆转弯时伴随车身侧倾左右车轮承受的垂直载荷也发生变化甚至容易造成侧翻，而车辆急剧加速时，也会伴随车身俯仰姿态的变化甚至导致车辆翻滚，严重影响车辆的安全性。虽然传统悬架系统结构具有抵抗外界干扰、使车辆稳定行驶的作用，但在高速转向、急剧加速等极限工况下，很难满足军用车辆抗侧倾和抗俯仰能力的要求。

与传统悬架相比，互联悬架可以有效提高整车的操纵稳定性能和抗侧倾能力。若以传递介质和连接结构为划分依据，互联悬架一般可分为4种，分别是油气式［1］、机械连杆式［2］、液压式［3］、空气式［4－6］。液压式互联悬架由于结构简单易于实现得到广泛的应用。针对液压式互联悬架，以4个悬架液压管路连接方式不同，可以分为前后互联悬架、左右互联悬架，前后互联可以提高整车的抗俯仰性能［7］，左右互联可以提高整车的抗侧倾性能［8－9］。

本文针对军用车辆特殊的工作环境，提出一种新型液压式互联馈能悬架结构，采用前后反向互联、左右交叉反向互联的管路连接方式，有效提高整车的抗侧倾、抗俯仰能力。同时在悬架液压管路中装备了马达，不仅可以实现悬架阻尼力的主动控制，而且当液压马达的动力输出轴作为直流电机的输入轴，带动电机旋转，还可以将产生的电能通过馈能电磁单元储存到电容中，实现能量回收，供其他车辆电器使用。

1 新型液压式互联悬架结构设计

传统的车辆悬架系统通常包括弹簧和减振器，而液压式互联悬架系统主要采用双向液压缸作为悬架的执行机构，常用的前后互联悬架和左右互联悬架多采用正向互联的方式［10－11］，即前后悬架上下腔的连接是同向的，左右悬架的上下腔连接也是同向的。

本文提出一种新型液压式互联悬架系统结构，如图1所示，主要由4个双向液压缸、蓄能器、液压马达、发电机、整流桥以及馈能电磁单元组成［12］。每个双向液压缸均作为各位置悬架作动器，上端与车架安装位置连接，下端与车轴安装位置连接，起到衰减振动的作用。4个液压缸在油路连接上，采用反向交叉连接的方式，即前轴液压缸下腔与后轴液压缸上腔连接，此连接方式可以提高车身俯仰刚度，左前轴液压缸上腔与右后轴液压缸下腔相连，右前轴液压缸上腔与左后轴液压缸下腔相连，此连接方式可以提高车身侧倾刚度。除此之外，该悬架结构通过建立的液压整流桥、蓄能器、液压马达等馈能部件，还可以实现悬架主动控制和能量回收功能。所有各部件具体功能如下。

图1 新型液压式互联悬架系统结构

（1）液压缸：车辆悬架系统执行机构，起到衰减振动，缓和冲击的作用。

（2）液压管路：油液流动导向装置，系统所有管路设置为相同内径。

（3）蓄能器：稳压装置，用于储存与补充能量。

（4）整流桥：由4个单向阀构成，用于保证高压油液始终从指定位置流入和流出液压马达，从而使液压马达旋转方向一致。

（5）液压马达：能量转换装置，用于将油液动能转化为马达输出轴旋转的机械能。

（6）发电机：能量转换装置，用于将旋转的机械能转化为电磁能。

（7）馈能电磁单元：包含馈能回路和电容，用于回收电能。

2 悬架抗侧倾和抗俯仰工作原理分析

图1所示互联悬架系统不仅具有抗侧倾和抗俯仰能力，还可以实现能量回收，基本工作原理为：当车辆在不平路面行驶，路面激励通过车轮传递给悬架，使悬架系统液压缸活塞上下运动。液压缸通过油液流动阻力产生阻尼力，衰减振动，缓和冲击。与此同时，液压缸活塞上下运动，推动液压管路内高压油液流动，油液流经液压马达，油液动能带动马达旋转，马达输出轴带动发电机转子旋转，将产生的电能储存到电容中。液压缸内油液流动阻力来源包括液压管路沿程损失、单向阀开启压力和液压马达带动电机及负载旋转产生的阻力。

2.1 抗侧倾原理

车辆转向行驶时，车身会发生侧倾姿态变化。假设车辆向右行驶，车身向左倾斜，整车左侧液压缸1和4的活塞同时向下运行。油液流动情况如图2所示。此时液压缸1上腔油压降低，从而抽动液压缸3下腔油液经液压整流桥、液压马达和液压管路流向液压缸1上腔，致使液压缸3活塞向下运行；液压缸4下腔油压升高，推动油液经液压整流桥、液压马达和液压管路流向液压缸2上腔，致使液压缸2活塞向下运行。与此同时，液压缸1下腔油压升高，油液从液压缸1下腔流向液压缸4上腔，弥补液压缸4活塞下行产生的油液损失，液压缸2下腔油液流向液压缸3上腔，弥补液压缸3上腔油液损失。

图2 抗侧倾原理

综合上述，当车身出现侧倾姿态变化时，该悬架系统能够使左右侧液压缸活塞同向运行，具有抗侧倾作用。

2.2 抗俯仰原理

车辆起步、加速、制动时，车身会产生俯仰姿态变化，出现抬头或点头现象。假设整车前轴液压缸1和2的活塞同时向上运行，油液流动情况如图3所示。此时液压缸1上腔油压升高，从而推动油液经液压整流桥、液压马达和液压管路流向液压缸3下腔，致使液压缸3活塞向上运行；液压缸2下腔油压升高，推动油液经液压整流桥、液压马达和液压管路流向液压缸4下腔，致使液压缸4活塞向上运行。与此同时，液压缸1下腔油压降低，油液从液压缸4上腔流向液压缸1下腔，弥补液压缸1活塞上行产生的油液损失，液压缸3上腔油液流向液压缸2下腔，弥补液压缸2下腔油液损失。

图3 抗俯仰原理

综合上述，当车身出现俯仰姿态变化时，该悬架系统能够使前后轴液压缸活塞同向运行，具有抗俯仰作用。

3 悬架主动控制和能量回收原理分析

除了抗侧倾和抗俯仰外，本文提出的新型液压式互联悬架还可以实现悬架阻尼主动控制和能量回收。

3.1 悬架阻尼主动控制

上述图1所示的互联悬架整体结构中，由于液压马达与直流电机共轴连接，直流电机的反电动势大小会影响到液压马达的转矩，从而影响液压马达进、出口油液压力差，导致液压缸上下腔油液压力变化，进而实现了悬架阻尼力的调节。

根据液压马达转矩平衡方程有：

式中：TM为液压马达输出力矩；PM为液压马达进口和出口压力差；ηm为液压马达容积效率。

直流电机的转矩分别分配给转子和负载，转矩公式表示为：

式中：Te为直流发电机输入转矩；J为发电机转子转动惯量；ω为发电机转子转速；kt为发电机力矩常数；i为馈能电路电流。

因液压马达输出转矩与直流发电机输入转矩相等，可以得出：

由式（3）可知，改变馈能电路中的电流i大小，就可以间接改变液压马达进口和出口压力差，进而改变悬架的阻尼力，实现悬架主动控制。

3.2 能量回收

上述图1所示互联悬架工作时，液压马达的动力输出轴是发电机的输入轴，可以完成动力传输。当汽车受到路面高低不平激励作用时，液压缸内活塞上下往复运行，悬架系统振动能量转化为油液动能推动液压马达旋转。液压马达传递力与力矩，带动直流发电机旋转，将机械能转化为电能，进而通过馈能回路和超级电容完成能量储存。

当路面激励较大时，会造成电容瞬时功率过高，电路中的电子元件可能会被击穿。为了保护馈能电磁单元中的电子元件，设计了恒电流馈能回路，如图4所示。该回路由直流发电机、电表、电阻R1和滑动电阻R2组成。恒电流馈能回路通过改变滑动电阻值来实现对电路的恒电流控制。电容并联在馈能回路中，用于回收电能。

图4 馈能电磁单元

4 结束语

本文提出一种适用于军用车辆的新型液压式互联悬架。介绍了该悬架结构及主要零部件的作用，对整个系统的抗侧倾原理、抗俯仰原理、悬架阻尼主动控制原理、能量回收原理进行了详细地分析。分析结果表明提出的新型液压式互联悬架不仅具有较好的抗侧倾、抗俯仰能力，能提高车辆的行驶安全性，还可以实现悬架阻尼的主动调节和电能储存。

上述车身侧倾和俯仰工况均假设整车同侧或者同轴液压缸活塞运动方向和运动行程相同。如果整车同侧或者同轴液压缸活塞非同上同下运行，或者整车同侧或者同轴液压缸活塞同上同下运行但行程不同，则该悬架系统前后互联的两条油路间的通路便会协调液压缸1、2下腔和液压缸3、4上腔的油压，起到稳定系统压力，保护系统的作用。