淺談雙極蓄能器油氣平衡懸架性能及重量優勢

張恩，劉勇，李治寶，范學瓊，劉洋，李廣耀

（1.三一集團有限公司，湖南 長沙 410100；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

油氣彈簧因為有較大的儲能比，在重型汽車上應用較多。經典的平衡懸架形式是油氣分離式，懸架結構簡圖如圖1 所示。油氣彈簧全部充滿液壓油，液壓油作為承載介質，同時彈簧油氣彈簧內部設計有阻尼孔及單向閥，集成減振器的功能，蓄能器氣體腔充滿氮氣，通過氣體壓縮來吸收路面沖擊，上下推力桿及橫推力桿實現車橋導向。

在懸架設計時，通常以滿載狀態的軸荷參數作為設計輸入，同時兼顧空載狀態車身高度等作為邊界限定條件。空載狀態和滿載狀態軸荷差異非常大，一般差異可達到5 倍以上，這就導致空滿載狀態懸架油液壓力的差異也較大。以瞬時平衡狀態進行研究，此時懸架油液壓力與蓄能器氣體壓力達到瞬時平衡，壓力相等。

圖1 油氣平衡懸架結構簡圖

單極蓄能器結構簡圖如圖2 所示，路面的沖擊使油腔油液壓力產生變化，進而活塞移動壓縮氣室氣體，吸收路面沖擊。

圖2 單極蓄能器結構簡圖

若油氣平衡懸架蓄能器為常規單極蓄能器，由理想氣態方程可知：

式（1）中：

P1——滿載狀態蓄能器氣體壓力；

V1——滿載狀態蓄能器氣體體積；

P2——空載狀態蓄能器氣體壓力；

V2——空載狀態蓄能器氣體體積。

假設P1=5P2，則容易得出V2=5V1。例如某款重型汽車設計的滿載氣體容積為10L，因此空載狀態下蓄能器的氣體體積需要達到50L。在懸架設計時，因為車輪、上裝等的限制，很難進行如此大體積的蓄能器布置。

若蓄能器體積小于空載狀態的體積要求，為滿足滿載狀態懸架的承載，必然需要較大的充氣壓力，導致的結果就是空載狀態懸架液體壓力小于蓄能器氣體壓力，不能達到瞬時平衡，此時相當于蓄能器氣體不能有效壓縮，不能吸收路面的沖擊載荷。對懸架系統來說，空載狀態相當于缺少彈性減震功能。對于皮囊式蓄能器來說，空載狀態也容易擊穿皮囊，影響蓄能器的壽命。

因此，一種能同時兼顧滿載和空載狀態彈性力要求的雙級蓄能器，對油氣平衡懸架的設計布置優化和性能改善就顯得尤為必要。

1 雙極蓄能器結構原理

雙極蓄能器的結構簡圖如圖3 所示：

圖3 雙極蓄能器結構簡圖

雙極蓄能器的基本原理比較簡單，在單極蓄能器的基礎上增加一個氣室，兩個氣室設定不同的氣體壓力，以滿足懸架的空載、滿載、極限狀態的承載減震需求，克服單極蓄能器不易兼顧兩種懸架狀態的缺點。

2 雙極蓄能器氣室壓力設定

雙極蓄能器高、低壓氣室壓力設定基本原則為：滿載狀態高壓氣室起作用，通過壓縮高壓氣室氣體來吸收路面沖擊；空載狀態低壓氣室起作用，通過壓縮高壓氣室氣體來吸收路面沖擊。

車輛空載、滿載、滿載極限沖擊狀態雙極蓄能器活塞位置如圖4 所示：

圖4 各懸架狀態活塞位置

高壓氣室氣體壓力為P1，低壓氣室氣體壓力為P2，為便于分析，油腔油液壓力用P3表示。在空載靜平衡狀態，兩活塞在圖4 所示位置，P1＞P2=P3；在滿載靜平衡狀態，兩活塞在圖4 所示位置，P1=P2=P3；在滿載極限沖擊狀態，兩活塞在圖4 所示位置，P1=P2＞P3，一般路況下，滿載極限沖擊載荷設定為2.5 倍的滿載載荷。

3 單極、雙極蓄能器壓力特性比較

圖5 是一種重型汽車油氣平衡懸架分別匹配單極蓄能器和雙極蓄能器時的蓄能器壓力曲線。

圖5 蓄能器壓力特性曲線

圖5 中，對雙極蓄能器來說，曲線分為兩段，滿載段以下的曲線為低壓氣室壓力特性曲線，滿載及滿載以上為高壓氣室壓力特性曲線。

按照圖1 所示結構進行懸架設計，蓄能器實際上就是整個懸架系統的彈性元件。以油氣懸架左側整體進行分析，左側油氣彈簧受力F 與油液壓力P 有下列關系：

式（2）中：

S——左側兩個油氣彈簧活塞桿截面積和；

S 為定值，油液壓力與氣體壓力相等，所以左側油氣彈簧受力與蓄能器氣體壓力是線性關系。因液體不可壓縮，所以油氣彈簧活塞位移與蓄能器活塞位移的關系一定是線性的關系。通過上述分析，不難得出左側油氣彈簧承載力與油氣彈簧活塞位移的關系曲線與圖5 曲線是類似的，縱坐標為油氣彈簧承載力，橫坐標為油氣彈簧活塞位移。因此，懸架剛度就是曲線斜率。

從圖5 不難看出，單極蓄能器與雙極蓄能器相比較，單極蓄能器懸架滿載及以上懸架剛度比較大。

懸架剛度與頻率有如下關系：

式（3）中：

n——懸架頻率；

C——懸架彈簧剛度；

m——懸上質量。

懸架設計從舒適性角度考慮，需要較小的頻率設計，一般貨車不超過1.8，越野車不超過2.2。根據式（3），剛度越小頻率也越小，所以定性的來講，雙極蓄能器滿載及以上懸架剛度較小，對應的懸架頻率也較小，有利于從懸架頻率角度提升車輛舒適性。

另一方面，單極蓄能器從空載到滿載，再到極限，剛度差異非常大，根據式（3），頻率也會產生較大變化。車輛在空載狀態和滿載狀態頻率差異太大，會使駕駛員不適應這種變化，容易產生暈車的情況，相對來說，雙極蓄能器相對來說變化就沒有單極蓄能器劇烈，駕駛舒適性也會提升很多。

4 雙極蓄能器油氣平衡懸架應用前景

常規板簧平衡懸架中，板簧和平衡軸的重量占整個懸架重量一般超過70% ，油氣平衡懸架與常規板簧平衡懸架相比較，沒有板簧和平衡軸，而由于較大的儲能比，油氣彈簧和蓄能器重量較小，因此懸架在輕量化方面具有明顯優勢。例如某款高速運輸車輛，相較常規板簧平衡懸架，雙極蓄能器油氣平衡懸架重量可降低150kg 以上，降重非常可觀。

目前，在商用車領域，車輛輕量化設計已經成為趨勢。在法規嚴格控制車貨總重的情況下，誰的產品重量輕，意味著可以多拉更多的貨物，站在用戶的角度，意味著效益更高，站在車輛生產廠家的角度，意味著產品更具競爭力。

綜上分析，在商用車領域，雙極蓄能器油氣平衡懸架具有廣闊的應用前景。

5 結語

本文主要研究了單雙極蓄能器的簡單結構，油氣平衡懸架單、雙極蓄能器的懸架性能差異，并闡述了雙極蓄能器油氣平衡懸架的性能優勢。經過初步懸架方案設計和分析，雙極蓄能器油氣平衡懸架具有較大性能和重量優勢，具有很好的應用前景。