五轴重型越野汽车油气悬架设计研究

的需求，其它汽车生产厂对油气悬架的研究与应 用也越来越多。 下面首先对单气室油气混合式油气弹簧的 工作原理与工作特性进行分析，然后结合五轴重 型越野汽车的油气悬架系统进行分析研究。 ３．１油气弹簧的结构原理与特性分析 ３．１．１油气弹簧工作原理 油气弹簧工作缸是气体弹簧和液压减震器 的组合体。当车辆在行驶中发生振动时，油液在 缸筒内运动，并通过油液的流动（油液认为是不 可压缩的）来挤压气体，使气体的体积发生变化， 此时高压气体所起的作用就相当于弹簧。当处于 压缩行程时，单向阀打开，油液经过单向阀和阻 尼孔流入活塞缸，并通过油液来挤压气体。当处 于伸张行程时，单向阀关闭，油液只能通过阻尼 孔流囤油缸，油液流经的面积减小，这样由于其 产生的阻尼力便起到了减震器的作用。因此，只 要选择合适的阻尼孔径，就可使油气弹簧具有良 好的减振效果。 ３．１．２油气弹簧特性分析 油气弹簧中的油液只是一种中间介质，不会 对油气弹簧的特性造成影响，在讨论油气弹簧的 特性时，可将油气弹簧视为有效截面积不变的空 气弹簧。 ３．１．２．１变形特性
ｏｒ ａ
ｗｈｉｃｈ
ｃａｎ
ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ
ｈｅａｖｙ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋ
ｈｅａｖｙ—ｄｕｔｙ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｏｆｆ－ｒｏａｄ
ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｐｎｅｕｍａｆｉｃｓ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ
承载的稳定与行驶的－Ⅱ靠性。
马上在所有油气弹簧中传递开来，让串通的几个
桥共同丹＿ＩＪ＿ｌ该桥增加的载荷。凶此，就町阻使所
串通的几个桥的车轮所受载１【＿ｆ基丰保持一致，从 而避免了车辆彳亍驶中某一桥所受载荷严乖超载 的现承， 将年辆的几个车桥加卧串通．也会改善整车 的平顺性。由于路新的不半度是随机变化的，因 此车辆所通过的路而状况也是随机的。在行驶 一ｈ车辆通ｉ＝上Ｈｎ不平路面的时问是很快的。但 是，根据液压知识知道，所串通油气弹簧压力的 传递要比车辆通过Ｈ凸不甲路面的时间快得多。 例如在ｆ辆行驶中，假设第一个车桥首先越过一 个突起，这样该桥油气弹簧的压力就会先升高， 并且迅速传递到与其相串通的其他几个桥，而不 会出现第一桥汕气弹簧内的压力还没有传递到 第二桥，第二桥就已越过突起的现象。因此，可 以认为某一个桥受到冲击后，是几个串通桥的油 气掸黄共同起作用来分担冲击载倚的。从油气弹 簧的内部结构来说，就是将几个串通油气弹簧的 Ｈ值（气体的折算高度）相加来起作用的。油气 弹簧在承受冲击载荷时，由后面将要讲到的油气 弹簧的刚度公式和自振频率公式可以知道，如果 Ｂ值加大．系统的刚度值和频率值就会降低。因 此，在将几个车桥的油气弹簧串通后，整车的平 顺性就会得到改善。
（Ｖ，／ｖ－一１） （６）
，ｌｎ：旦：一１。ｍＳｙＰｉａｇ．：一Ｉ，／照（Ｈｚ ２荔２磊１ｌｆ洲一万、ｆ彳ｕ化
，１０
）（１０）
一（Ｐｏ一１）．Ｓ，
（４） （５）
３．１．２．４液压特性 在油气弹簧中，液压油可以产生衰减振动的 阻尼力，为了使车辆在行驶中产生的振动迅速衰 减而又不传递大的冲击力，通常把弹性元件处于 压缩行程的阻尼系数和处于伸张行程的阻尼系 数取不同的数值。在弹性元件处于压缩行程时， 为了减小减振器所传递的路面冲击力，常选择较
它与气体的折算高度Ｈ成反比。 取ｍ＝ｌ，则静刚度公式为：
Ｃ；＝Ｓ，Ｐｏ。ｉ＾／Ｈ
３．１．２．３频率特性 车辆在行驶时，油气弹簧会上下振动。将悬 架系统看成单自由度的有阻尼自振系统，则可建 立如下簧载质量的有阻尼自由振动微分方程式：
充分交换，这个过程称为多交过程。此时有：
Ｐ。Ｖｏ’＝ＰＶ＂
垒ｊ｝＋ｃ莺＋Ｃａ工：０
的现状
油气悬架系统主要有油气弹簧、纵向推力秆 和横向推力杆的导向机构、减振器以及油、气控
制装置与油管、气管等附属装置组成。根据实际 需要采用油气弹簧兼减振作用，可不装专门的减 振器。 油气弹簧的结构形式多种多样，如单气室 式、双气室式、两级压力式、油气混合式和油气 分隔式等。由于单气室油气混合式油气弹簧的结
（３）军用车辆如轮式装甲车、轮式输送车、轮 式坦克与俄罗斯的导弹运输车等。 在国内，湖北万山特种车厂、三江航天特种 车公司、汉阳专用汽车等是国内较早使用油气悬 架的单位，随着汽车行业的技术进步与特种行业
Ｐｏ．——初始状态时气体绝对压力
Ｐ～任意时刻气体绝对压力
Ｖｏ一一初始状态时气体体积
ｙ～与Ｐ相对应的气体体积
——４１１——
中国汽车工程学会越野车技术分会２００８年学术年会论文集
构简单、易于生产制造，所以得到了广泛应用。 使用空气悬架和油气悬架时，不论载荷大 小，车身都可以保持在同一高度；在许多情况下， 车身的高度可以按驾驶员的意愿而改变。通过高 度阀控制增加或减少悬架元件的空气或液压油 的数量，而实现高度的调节。控制方式可以采用 机械的控制元件或电子高度调节系统。 随着汽车电子技术的发展，电子高度调节系 统在轿车与商用车辆上的应用越来越多。轿车电 子高度调节系统可以根据车速控制汽车的倾斜 度和车身高度以降低油耗；当通过不平路面时， 增加车身的高度；通过对空气弹簧／油气弹簧完 全的横向断流改善转向稳定性；当制动、加速和 转向时切断调节系统以降低悬架系统对能量的 需求。在商用车辆方面，电子高度调节系统可以 通过对一个车桥上空气弹簧／油气弹簧的完全横 向断流来改善转向稳定性；用可互换开式车厢和 集装箱时能自动限制行程；自动将地板的高度调 节到与装贷站台等高；可以控制提升桥的升降。 随着对空气悬架／油气悬架的高度调节系统 研究深入，系统的控制方式越来越多样化，同时 也更加可靠。根据对汽车使用高度的要求或者对 悬架特性的要求，采用电子控制实现油气悬架高 度的调节方式将更加普遍。
动输出给＿｜吾二桥，即采川了河曲桥、后＝桥排列
中遇到障碍而载荷增加时，由于泼桥和其它桥的 汕气弹簧是串通的，油缸内｜；ｌｆ之增加的压力就会
的布置方式。油’Ｌ弹簧的结构设计中，要求拉伸 时提供液压缓冲．桥Ｆ跳时月Ｅ冒了接触限｛奇块， 控制每根桥在一定的行程内上作。在设计中采川 轴荷甲衡技术与悬柴扦Ｅ力杆导向挫术，保证｛｝桥
ａｓｗｅｌｌ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
ｈｙｄｒｏｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ／ｈｙｄｒｏｐｎｅｕｍａｔｉｃ
ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ／ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ
ｏｆｆ－ｒｏａｄ ｖｅｈｉｃｌｅ
１前言
理论上讲，气体悬架应包括纯气体悬架和油 气悬架。但通常我们又将纯气体悬架称作空气悬 架，而油气悬架则作为空气悬架的一种特殊形 式。由于油气弹簧特性与空气弹簧特性有很多共 同点，所以研究人员常把它们放在一起研究。油 气悬架与空气悬架都以气体作为弹性介质、弹性 元件，根据载荷大小得到压缩，形成具有变刚度 特性的悬架机构，能通过高度的调节使车身保持 同一高度，从而改善转向稳定性、行驶平顺性。
３．２．１油气息架载荷１Ｐ衡方案的确定 多轴乍辆行驶时，特别在越野路面由十道路 小平整，各侨、备车轮所受的载荷不均等，容易 集中在某一１：桥、某车轮上，从而造成了车轮
在客车、轿车、商用车辆上都得到应用。
油气弹簧是一种带有液力阻尼的气体弹簧， 是以油液传递压力，一定量的密封气体（通常用 氮气）作为弹性介质的弹性元件。它与汽车常用 的钢板弹簧、扭杆弹簧相比，具有结构紧凑、高 度可调、变刚度特性以及动行程大等特点，已经 越来越广泛应用于汽车的悬架系统中。 油气弹簧的悬架系统较常规的汽车悬架系
中国汽车工程学会越野车技术分会２００８年学术年会论文集
五轴重型越野汽车油气悬架设计研究
龚跃年，刘国强
（中国重型汽车集团公司技术中心２５０００２） 摘要：油气悬架能有效提高车辆在非公路路面上的行驶平顺性，在重型工矿自卸车和重型军用越野汽车 上应用广泛。本文介绍了油气悬架的特点、国内外的应用状况，重点介绍了五轴重型越野汽车的油气悬架 及其数学模型和研究方法，并对遇到的一些问题进行了分析。 关键词・油气弹簧：油气悬架；重型越野汽车
统具有明显的优点，尤其对于高性能的重型越野 汽车更是如此。越野车对悬架系统除了要求有效
隔振，提供良好的行驶平顺性和操纵稳定性外，
还要求提高车辆的越野通过性，此外，还要求具 有车身高度调节功能，油气悬架正好满足了这些 要求，因此，研究重型越野车油气弹簧的结构与
特性具有十分重要的意义。
２油气悬架组成和国内外技术发展
对（６）式进行微分就可得出油气弹簧的动 刚度Ｃ。，
Ｃ：—ｄＡ—Ｑ＝—ｄＳ，ｅｏ（Ｗ—／ｖ＂－１）
“
小的相对阻尼系数：而在伸张行程时，为了使振
动迅速衰减，常选择较大的相对阻尼系数。在后 续章节结合五轴重型越野汽车油气悬架，进行了 有关阻尼系数的计算。
（７）
出
出
整理后得到，动刚度公式为：
ｑ
２
ｍ．Ｓｙ．Ｐ．ｉＪＨ
理想气体，若气体温度保持不变，则其压力就与 体积成反比。即：
ＰＶ＝Ｃ
（Ｃ为常数）
（１）
当外载荷发生变化时，油液就会产生运动， 由于此时的运动速度较慢，故可认为该运动过程 为等温过程。所以有ＰＯＶ。＝ＰＶ， 因为
Ｖｏ：Ｈ。Ｓ。， Ｖ＝ＨＳ。
所以ＰｏＨｏ＝ＰＨ 其中：
ＤＳｌ—１９、奔驰公司的部分高级轿车等；
３油气悬架的技术研究
油气悬架在国内外重型汽车上应用较多。 在国外，主要应用在工程车辆、高级轿车及 军用车辆等方面。比如： （１）工程车辆如德国利勃海尔、克虏伯的起重 机与美国卡特彼勒的大型矿用自卸车以及日本 的十轮式挖掘机等： （２）高级轿车如法国雪铁龙公司的
Ｃｉｔｒｏｅｎ
根据波义耳一马略特定律，对于一定质量的
３．２五轴重型越野汽车油气悬架方案
在五轴重型越野汽车的总体布置中，五种驱 动桥均采用单气室油气弹簧非独立式悬架；分动
由（７）式知，动刚度Ｃｄ随缸内气体压力的 增加而增加，也就是随载荷的增加而增加，并且