客車油氣懸架系統的特性研究

□ 徐夢巖□ 馬文倫□ 萬義強□ 聶 維

1.中國北方車輛研究所 北京100072

2.一汽解放事業本部商用車開發院JC開發部 長春130011

目前，我國客車懸架通常采用的是空氣懸架系統，這類懸架系統工作壓力低，剛度小，車輛轉彎時車身側傾角偏大，在盤山路行駛時存在安全隱患?？烧{油氣懸架系統作為一種新型懸架，具有良好的非線性剛度和阻尼特性，因此能夠最大限度地滿足車輛行駛過程中對平順性及操作穩定性的要求。油氣懸架系統是以惰性氣體作為彈性介質，以液壓油作為阻尼介質，集彈性元件與阻尼元件于一體的新型懸架裝置［1-3］。市場調研表明，可調油氣懸架即將替代空氣懸架，具有廣闊的應用前景。

1 單筒式油氣彈簧的結構

單筒式油氣彈簧主要由缸筒、活塞桿和活塞組件、單向閥等部件組成。整個懸架缸內形成兩個腔，即主油腔（C腔）和環形腔（D腔），如圖1所示。在車輛的自重載荷下，油氣懸架由于受到壓力作用而使氮氣處在壓縮狀態。當車輛受到路面激勵使油氣懸架工作時，活塞桿和活塞組件相對于缸筒作往復運動。當油氣懸架被壓縮時，氮氣起到減振作用，用于緩解地面傳來的振動和沖擊；當油氣懸架拉伸與壓縮時，液壓油經過阻尼孔和單向閥由主油腔流入環形腔，從而起到衰減車身振蕩的作用［4-5］。

▲圖1 單筒式油氣彈簧簡圖

2 互聯式油氣懸架的原理

同軸兩側連通式油氣懸架系統是由前后兩軸同軸的單筒式油氣彈簧通過高壓軟管相互連通而成，如圖2所示，蓄能器1和蓄能器2通過蓄能器二位三通閥連接，進油閥塊一端和蓄能器1（2）連接，另一端與油氣彈簧左（右）懸架缸的C（E）腔連接。左懸架缸中的C腔和右懸架缸中的F腔連通，左懸架缸中的D腔和右懸架缸中的E腔連通。左、右懸架缸中的C（E）腔和D（F）腔通過單向閥和阻尼孔連通。蓄能器中充入高壓氮氣，氮氣和油液之間通過氣囊分開，防止在高溫高壓下氣體溶解到油液中。懸架在壓縮過程中，單向閥和阻尼孔同時打開；在拉伸過程中，單向閥關閉，只有阻尼孔開啟。懸架在壓縮或拉伸過程中，油液從C（E）腔和D（F）腔流入或流出蓄能器1（2），使氣囊體積發生改變，從而增大或者減小蓄能器內油液的壓力，同時改變懸架系統的輸出力。

▲圖2 互聯式油氣懸架原理圖

3 油氣彈簧特性分析

3.1 彈簧力值計算

油氣彈簧在外部的激勵下，活塞桿和活塞與缸筒產生相對運動，其作用力包括氣體壓縮的彈性力、油液過孔的阻尼力。公式為：

式中：F為油氣彈簧輸出力；Fk為氣體彈性力；FC為油液阻尼力。

對于氣體彈性力、油液阻尼力的計算方法［6-7］，其氣體彈性力計算公式為：

式中：p為工作腔氣體壓力；γ為氣體多變指數，取常溫狀態，γ=1.15；A3為活塞桿面積；M為懸掛承載質量；V0為靜平衡位置氣體體積；x為活塞和缸筒相對位移。

油液阻尼力計算方法，可以利用計算薄壁孔口阻尼力方法進行計算［8-11］：

式中：Cz、Az為阻尼孔流量因數、過流面積；Cd、Ad為單向閥的流量因數、過流面積；ρ為油液密度；A1為主活塞面積；n為修正因數，一般取1～1.2；sign（）為符號函數，根據輸入信號的速度方向取正負值，壓縮時取1，拉伸時取-1。

3.2 仿真分析

根據油氣彈簧力值、剛度的計算公式，編寫MATLAB程序進行仿真計算［12-14］，仿真結果中，油氣彈簧力曲線如圖3所示，油氣彈簧剛度曲線如圖4所示。

▲圖3 油氣彈簧力特性曲線

4 液壓懸掛系統仿真分析

建立油氣懸架動力學模型，施加0.4g的橫向加速度，得到裝配互聯式油氣懸架的車身側傾角與時間關系，為了進行對比，建立空氣懸架動力學模型，進行仿真分析，如圖5和 圖6所示。經過比較可以發現油氣懸架較空氣懸架相比，側傾角度減小了一個量級，達到穩定的時間更短，體現了油氣懸架的優越性。

在動力模型中設定車輛行駛速度為40 km/h，建立隨機路譜，得到油氣懸架和空氣懸架在相同速度、相同路面下駕駛員座椅振動加速度，如圖7和圖8所示。顯然，采用了互聯式油氣懸架的車輛，其平順性要好于空氣懸架。

▲圖5 油氣懸架車身側傾角

▲圖6 空氣懸架車身側傾角

▲圖7 互聯式油氣懸架駕駛員位置振動加速度

▲圖8 空氣懸架駕駛員位置振動加速度

5 結論

在油氣懸架發展現狀和應用的基礎上，建立了客車連通式油氣懸架的數學模型，對連通式油氣懸架系統的剛度特性和阻尼特性進行了仿真計算，同時與傳統的空氣懸架進行比較，研究表明油氣懸架在平順性以及抗側傾性能方面遠遠優越于空氣懸架。