重型挂车油气弹簧平衡悬架系统设计

魏振鲁 修霞 庄新颖

摘要：车辆油气悬架系统是决定车辆行驶过程中平顺性，在车辆的行驶过程中提供操作稳定性。油气弹簧是汽车油气悬架的不可缺少的一部分，在对油气弹簧进行系统分析时，对于提高自主研发油气弹簧的能力并且改善油弹簧的质量具有重要意义。本设计对油气弹簧平衡悬架的特点，油气弹簧及平衡悬架的结构和设计研究方法进行阐述。

Abstract： The vehicle hydro pneumatic suspension system determines the ride comfort of the vehicle and provides operational stability during the driving process of the vehicle. Hydro pneumatic spring is an indispensable part of automotive hydro pneumatic suspension. The systematic analysis of hydro pneumatic spring is of great significance to improve the ability of independent research and development of hydro pneumatic spring and improve the quality of hydro pneumatic spring. This design expounds the characteristics of hydro pneumatic spring balanced suspension， the structure and design research method of hydro pneumatic spring and balanced suspension.

關键词：油气弹簧;车辆悬架;结构设计

Key words： hydro pneumatic spring;vehicle suspension;structural design

中图分类号：U463.331                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0001-02

0  引言

汽车是我们出行必不可少的工具，给我们的生活带来了很多的方便。随着科学技术的进步发展，我国的汽车制造业也在稳步的发展中，汽车厂家生产的汽车性能不断提高，汽车的行驶质量在很大程度上与行驶中的汽车的平顺性有关，但是行驶中的汽车本身的平顺性也与汽车自身油气悬架的工作特性密切相关。

悬架的作用主要与车架和车桥有关，车辆悬架技术主要将液压技术与车辆悬架技术相结合，最终形成了广泛用于现代车辆的油气悬架减振技术。油气悬架的锁定在起重的过程中起着巨大的作用，大大提高了工程车辆在工作时的稳定性。油气弹簧是属于空气弹簧的一种。油气弹簧产生弹性主要通过改变密封在气室中的惰性气体的体积。另外，油弹簧的刚性主要取决于气室的气体状态。另一方面，除了作为动力传递物质的气体以外，油液填充气缸内部的空间。重型挂车油气弹簧平衡悬架对于汽车行驶中的平顺性以及包括减震这样的功能起到很重要的作用，目前国内类似的设计产品还都不算完善。本课题旨在对油气弹簧平衡悬架进行总体设计，从而提高车辆的平顺性，零件之间的磨损尽可能降低。

1  油气弹簧国内外研究现状

1.1 国外研究现状

在20世纪中叶，WABCO在美国首次提出了油气弹簧技术。许多国家也开始陆续使用油气弹簧技术，并且将该技术应用于各种类型的车辆。1970年后，美国和前苏联采用了油气悬架，依靠油气悬架来提升战场上坦克等车辆行驶的平顺性和稳定性。特别是在某些专用车辆中，油气弹簧在这些方面得到了更广泛的应用，德国和日本是最早在大型车辆中运用油气弹簧平衡悬架系统的国家。后来，该技术逐渐成熟并应用于军事车辆和其他类型的车辆。在国外，对油气悬架系统进行了定性和定量分析，特别是油气弹簧的结构参数设计和结构参数的变化如何影响油气悬架性能，对此进行了全面的研究。虽有一定研究结果，但是所有这些重要信息都属于油气弹簧的结构设计，因为这些都是与油弹簧的结构设计有关的关键问题。由于企业属于机密性质，因此公众很难获得有关此主题的材料。关于参数理论是否是该数学模型的重要形式，关于国外理论的许多研究都是如何精确地为油弹簧建立数学模。

1.2 国内研究现状

我国学者对于油气弹簧的研究晚于国外的研究。1970年之后，中国在工程汽车上使用了油气弹簧。但是，当时的油气弹簧相对于中国经济来说生产成本太高，我们加工的零件质量不能满足需求，导致当时油气弹簧没有形成产品。这项技术在1980年左右开始吸引我们的研究人员，但与油气弹簧相关的性能还是没有办法来满足使用要求。20世纪末，中国的几家大公司开始进口带有油气弹簧的汽车，中国科研人员展开了系统的研究油气弹簧，我们拉开了系统学习的序幕。

在此之后，国内各个汽车厂商开始对油气悬架进行了不同程度的尝试大大加快了油气悬架技术在国内的发展，此后国内便形成了油气悬架技术研究地高潮。不过就总的来说，国内学者对油气悬架的研究仍多在仿真阶段，通过对国外产品的理论和结构分析，台架试验得出的结果对油气悬架进行理论上的完善和原理样机的研制。而目前仍未有可以有效地去指导油气悬架的设计和研发的方法。

2  平衡悬架结构设计

对于多轴悬架系统，确保车辆行驶过程中尽可能多的使车轮接触地面，特别是在比较困难的行驶条件下，因此，需要开发出尽可能均匀分配垂直载荷的平衡悬架技术来满足这一要求。如果弹簧是油气弹簧，则其结构大大简化，不需要平衡杆结构，只需要把油气弹簧的气缸或者油缸相互连通。这同样最大程度上保证了每个油气弹簧的承载力分布均匀，并且每个轴的负载质量近似相同，从而实现了平衡效果。可以采用平衡连接方式，例如左侧和右侧的同侧油气弹簧连接或左侧和右侧的分组油气弹簧连接。悬挂系统根据连接方法具有不同的刚度特性。本设计的双横臂悬架结构的示意图。双臂式独立悬架的上下臂长度不同。如果车辆配备的上、下臂长相同的双横臂悬架，则在上、下轮运动时，车轮表面始终保持平行。即，主销轴的中心轴线的空间布置角度不变，并且主销轴的倾斜角度不变。但是，汽车轮胎的水平距离会发生很大变化。这将增加车轮侧面的打滑并增加轮胎磨损。因此，这种悬架的应用并不广泛。当上下臂长度不同时，车轮表面与主销轴之间的角度会发生变化，但如果两侧的长度合理匹配，则应将此变化控制在允许范围内。轮距的较大变化被轮胎的弹性变形所覆盖，这防止了轮胎的侧滑，从而确保了车辆的平稳行驶。

3  零件选择

3.1 密封件选取

油气弹簧在其性能上确实有很多优点，相对的也就会有一些缺点。缺点就会有像密封件失效或者油液气体发生泄漏等，这些情况一旦发生，将会严重影响到油气弹簧的工作，影响汽车的行驶进而可能会导致非常严重的交通事故。因此，我们在选取密封结构上，选用合理的密封结构与密封性能比较好的密封件，可以有效地减少这种情况的发生。选取合理的密封结构，不但可以有效地减少油气弹簧失效的情况，还可以避免油液泄漏带来的一系列问题，对于油气弹簧的寿命也大大增加。

在常用的液压设备中，我们常见的就是斯特密封圈，斯特密封圈是由O型密封圈和梯形密封圈所组成的。其工作原理为：当受力时，O型密封圈受力发生形变，同时会给内侧的梯形圆环一个力，导致梯形环发生缩紧现象，从而满足我们要达到的密封要求。

F——端盖所受载荷（）;

Pmax——油气弹簧所能承受最大压力;

A——端盖承压面积;

n——螺钉个数（n=4）;

d——螺钉直径;

[？滓]——螺钉许用强度（）;

带入参数可得合格。

3.2 车身调节

油气弹簧平衡悬架系统的特殊结构对于车身高度的调节上来说会方便一些。 另一方面，还可以保证车身高度并不会因为负载的变化而发生变化。调节车身高度并将其保持在一定位置可以提高汽车行驶平顺性。另一方面，通过保持油气弹簧气室中气体量的恒定，在不同的负载下几乎可以获得相同的振动频率，从而提高了汽车行驶的平顺性。而且，调节车身的高度可以改善车辆的通过性。

油气弹簧平衡悬架系统可以通过调节油液压力和气体压力来进行车身高度控制。由于油气弹簧的刚度C与气体压力P和气体高度H有关，已知刚度C表达式如下：

当气柱的高度改变时，油气弹簧平衡悬架系统的振动频率也会改变。调节气压时必须进行其他调节，以保持车辆的平坦性和稳定性。但是，使用液压调节可以使调节前后的系统刚度几乎保持恒定，从而简化了过程。通过液压方法进行调节时，通过加油进行压力调节的组合为：①齿轮泵具有自动拆卸装置;②柱塞泵具有自动卸载装置;③可变柱塞泵;④不可调节的柱塞泵带有优质阀。选择时必须进行分析和比较。

4  特殊问题

4.1 平衡调节

平衡悬架技术对油气弹簧平衡悬架采取简单的复杂平衡措施，即在同一侧使用油气弹簧的气室连接，并利用帕斯卡原理（同侧油气弹簧气室联通）使其同侧油气弹簧负载值相同。由于该方法需要汽车具有较长的车身，因此是要求車辆具有较高的侧向阻力和较低的垂直刚度，也是有效方法。气室串联后，其垂直刚度对应于连接弹簧后的整体刚度，其横向刚度对应于弹簧平行后的整体刚度。也可以通过悬挂200吨六轴车辆（例如K ATO）的方法将1轴和2轴，3轴和4轴，5轴和6轴油气弹簧分为三组。通过彼此垂直相邻的两个油气弹簧的气室，可以通过控制一个开/关阀将其连接到其他两个油弹簧的气室。通过检测每个油弹簧的压力，可以控制每个油弹簧的运动，并且可以获得平衡负载的效果。

4.2 高度调节

高度调整有两种类型：静态高度调整和动态高度调整。静态高度调整主要用于在停车时对车辆自身进行调节，而动态高度调整不仅可以手动设置车身高度，而且系统还可以自动检测车身高度并设置高度。

由于高度调节机构非常复杂，因此必须通过电磁换向阀对不同油气弹簧的油缸中的油量进行控制，以使车身向前，向后，向左或向右倾斜。例如，美国AAV 7 A 1两栖坦克可以手动控制其电磁阀来调整其高度。法国雪铁龙的小型横向车和日本K ATO的200t6轴起重机不仅可以手动设置车身高度，还可以自动保持设置的高度。

本文基于目前油气弹簧平衡悬架系统的发展现状，对油气弹簧的三种类型进行了分析，以及对单气室油气弹簧的工作原理进行了分析。根据初始参数设计出了单气室油气弹簧的结构，对油气弹簧的主要部分进行了结构上的设计计算。并且基于参数，对油气弹簧的刚度特性和阻尼特性的影响以及油气弹簧的固有频率进行了分析。对于密封件的选取进行了简单的分析。剖析了平衡悬架系统，对平衡悬架系统的两种联通方式进行了分析。

参考文献：

[1]庞晟，郑小艳，高刚刚.重型载重车平衡悬架系统技术提升[J].汽车实用技术，2020（02）：106-108.

[2]王颖.基于矿用车平顺性的油气弹簧的分析及优化[D].内蒙古科技大学，2019.

[3]王家宝.油气弹簧结构参数及减振性能研究[D].太原科技大学，2016.