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油气悬架综述甄龙信张文明王国彪(北京科技大学)摘要:阐述了油气悬架的结构形式、工作原理、特点、油气悬架车辆的振动分析方法以及国内在油气悬架研究、设计、制造方面的现状以及存在的问题,初步探索了解决这些问题的途径。关键词:油气悬架结构型式振动分析现状途径车辆的乘坐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架的特性密切相关。油气悬架系统产生于20世纪70年代,它以优越的非线性特性和减振性能满足了多种车辆的要求,使它们的平顺性和操作安全性得到了较大的提高。目前,外国在油气悬架的开发、设计、制造等方面都已经非常成熟,而国内在这些方面和外国还存在着很大差距,并且还有一些问题有待解决。1油气悬架的结构型式、工作原理与特点1.1结构型式油气悬架的结构目前已发展成单气室式、双气室式、两级气室式等多种型式。和Ⅱ腔充满油液,向蓄能器5内充入惰性气体。双气室油气悬架的结构原理如图2所示。主要部件有缸筒4以及活塞杆和活塞组件1以及蓄能器5和6,整个悬架缸内形成三内腔,即Ⅰ腔、Ⅱ腔和Ⅲ腔,活塞杆外壁上设有阻尼孔2和单向阀3,蓄能器5和6分别与Ⅰ腔和Ⅲ腔连通。图3为实际应用中的一种双气室油气悬架的结构简图,导液管5的作用是连通Ⅰ腔和Ⅱ腔的油液。两级气室油气悬架的结构原理如图4所示。两级气室油气悬架和单气室油气悬架相比,又在Ⅰ腔上连接一个蓄能器6,和蓄能器5形成并联关系。图2双气室油气悬架结构原理图1.2工作原理虽然上述几种油气悬架的结构型式不同,但它们的工作原理基本相同。在车重的作用下,油气悬架中的惰性气体都处于压缩状态。车辆在不平路面的激励下,活塞杆和活塞组件1相对于缸筒4作往复运动,被压缩的惰性气体作为悬架系统的弹性元件,来缓解传来的振动和冲击,而油液流过阻尼孔和单向阀产生阻尼作用,来衰减车身的振动。当悬架处于压缩行程时,Ⅰ腔的压力升高,Ⅱ腔的压力降图1单气室油气悬架结构原理图单气室油气悬架的结构原理如图1所示。它主要由缸筒4以及活塞杆和活塞组件1以及蓄能器5组成,整个悬架缸内形成两个腔,即Ⅰ腔和Ⅱ腔,活塞杆壁上设有阻尼孔2和单向阀3。工作时向Ⅰ腔甄龙信在读博士生北京100083第4期甄龙信等:油气悬架综述37低,Ⅰ腔的油液同时通过阻尼孔和单向阀流向Ⅱ腔,产生较小的阻尼力,主要依靠蓄能器内的弹性作用来抑制缸筒和活塞杆的相对运动;当悬架处于伸张行程时,Ⅰ腔的压力降低,Ⅱ腔的压力升高,Ⅱ腔的油液只通过阻尼孔流向Ⅰ腔,产生较大的阻尼力,以便迅速衰减运动。油气悬架的优点:(1)从油气悬架缸的结构和工作原理可以看到:油气悬架以油液传递压力,以惰性气体(通常为氮气)作为弹性介质,悬架缸内部的节流孔、单向阀等代替了通常的减振器元件,使油气悬架集弹性元件和减振器功能于一体,径向尺寸小,对整车的布置有利。(2)油气悬架具有变刚度特性,即刚度随着簧载质量的增加而增加,既能提高车辆在一般路面上的行驶平顺性,又能防止在大起伏路面上行驶时出现悬架被击穿的情形。(3)安装油气悬架的车辆可得到较低的固有振动频率,从而改善驾驶员的劳动条件和提高平均车速。(4)改变悬架缸的充油量和蓄能器内气体的压力可得到不同的变刚度特性,从而可以使油气悬架的主要部件在不同吨位的汽车上通用。(5)装有油气悬架系统的车辆便于实现车身高度的调节。(6)油气悬架的弹性元件与钢板弹簧、螺旋弹簧等其他弹性元件相比较还有结构紧凑、承载能力大、本身重量轻(可比钢板弹簧轻50%,比扭杆弹簧轻20%)、缓冲减震性能好等优点,特别适合于重型车辆。油气悬架的缺点:(1)油、气的密封性能要求高,因而加工、装配要求高。(2)维修、维护比较困难,并需配备一定的专用设备。图3双气室油气悬架结构简图上述3种结构型式油气悬架的不同之处在于:当悬架缸的结构参数确定之后,单气室油气悬架缸内气体的压力只与簧载质量有关,并且在悬架的伸张行程,主要靠阻尼孔的阻尼作用来衰减振动;双气室油气悬架缸内的气体压力除了与簧载质量有关外,还与两个蓄能器内充入的气体压力有关,在悬架的伸张行程,除了阻尼孔的阻尼作用外,还有蓄能器6内气体的弹性作用力来衰减振动;两级气室油气悬架的蓄能器5为主气室,蓄能器6为补偿气室,车辆在轻载时,只有主气室参与工作,当车辆载荷超过某一临界载荷时,补偿气室开始参与工作,弹簧刚度下降,振动频率降低,从而改善车辆的行驶平顺性。油气悬架车辆的振动分析方法图5所示为两自由度油气悬架的物理模型,m2为簧载质量,m1为非簧载质量,q为路面激励,k1为轮胎刚度,x2为簧载质量垂直位移,x1为非簧载质量垂直位移。要求解此物理模型,必须建立其数学模型。目前,基本上有如下两种方法建立其数学模型:(1)传统方法。用达朗勃原理或牛顿第二定律,即用矢量学的方法来求系统的运动微分方程,或引用影响系数的概念,从研究系统在惯性力作用下的变形而求得系