文章编号:100320794(2005)0920039203
刘希太，祖炳洁，郑明军
(石家庄铁道学院机械分院，石家庄050043)
摘要：以LIE BHERR 全地面汽车起重机为例，介绍了一种先进的油气悬挂技术。该技术以
其优越的非线性特征和良好的减振性能最大限度地满足了工程车辆的要求。阐明了油气悬挂的工作原理与系统结构形式，分析了悬挂系统的刚度特性和阻尼特性，并对油气悬挂的技术性能进行了分析与研究，为此项产品的国产化提供技术参考。
关键词：油气悬挂；系统特性；结构因素中图号:TH21316
文献标识码:A
1 油气悬挂的工作原理与系统结构形式
油气悬挂的工作过程可以分为压缩行程和复原行程2部分。悬挂缸的结构如图1所示，其工作过程：当车
辆行驶时，路面起伏引起活塞杆在缸筒内上、下运动，在压缩行程(即活塞向下运动)，蓄能器8受油液压缩储存能量，而蓄能器9中氮气膨胀，将
内环形腔6中的油液经单向阀3和阻尼孔4压入外环形腔5；在复原行程(即活塞杆向上运动时)，蓄能器8中氮气膨胀，而外环形腔中的油液受压缩，经阻尼孔进入内环形腔，压缩蓄能器9。两者对比：压缩行程有单向阀3和阻尼孔作为油流通道，而复原行程只有阻尼孔为通道，显然压缩阻尼力小于拉伸阻尼力。所以悬挂缸在压缩行程主要起弹性作用，缓和冲击；在复原行程主要起阻尼作用，衰减振动，从而改善车身运动的平顺性
。
图1 油气悬挂缸原理图
Fig .1 Principle of hydro -pneum atic suspension cylinder
11液压缸 21液压腔 31单向阀 41阻尼孔 51外环形腔 61内
环形腔 71活塞 8、91蓄能器
由上可见，油气悬挂取消减振器，集支承弹簧与减振器为一体，使得连接简单，结构紧凑，同时减轻了非悬挂质量(用于重型车辆比钢板弹簧悬挂轻50%以上)，提高了缓冲能力。
目前工程车辆上应用的油气悬挂有独立式和连通式2种系统结构,LIE BHERR 全地面汽车起重机采用连通式油气悬挂。连通式油气悬挂在车桥两侧
载荷变化相同时，液压缸的油液相互补偿，能更有效
汽车悬挂地衰减振动，使车身很快趋于平稳，因此可以将刚度设计得较低，以降低固有频率，改善平顺性。另外车辆转弯时，由于离心力的作用，两侧车轮载荷发生变化，破坏了两侧液压缸油液相互补偿的平衡，载荷差值作用于载荷较大的油气悬挂上，活塞相对油缸向上位移，使大腔压力升高，同时，压力传到另一侧液压缸小腔，使该缸活塞也向上移动，保持了车桥两端悬挂油缸同方向的行程变化，从而减小了车辆的侧倾角，即提高了车辆的侧倾刚度，保证了车辆复杂路面及较高车速行驶的稳定性。如果桥与桥之间的蓄能器相连通，则可满足纵向行驶平顺性及抗点头的要求。可见，全地面汽车起重机
采用连通式油气悬挂在平顺性和稳定性上都具优势。2 油气悬挂特性分析悬挂的性能是影响整车行驶性能的关键，悬挂的性能优异主要取决于悬挂系统的刚度特性和阻尼特性。刚度特性是指活塞杆上所受的弹性力与活塞相对于液压缸的行程关系，阻尼特性是指活塞杆上所受的阻尼力与活塞相对于液压缸速度的关系。油气悬挂具有非线性变刚度特性与非线性变阻尼特性，分别如图2和图3所示
。
图2 油气悬挂弹性特性曲线
Fig .2 E lasticity ch aracteristic curve of hydro -pneum atic
suspension
・
93・ 2005年第9期 煤 矿 机 械
图3 油气悬挂阻尼特性曲线
Fig .3 Damping ch aracteristic curve of hydro -pneum atic
suspension
在图2的曲线中位移S >0表示压缩行程，位移
S <0表示复原行程。随着车架与车桥相对压缩行
程的增大，弹性力呈非线性增大，而且S 值越大，弹性力上升越快，表明油气悬挂系统的刚度增大得越多，而在平衡位置(S =0)附近，系统的刚度较小，这样的悬挂特性可以实现平坦路面上行驶时，动行程小，油气悬挂刚度小，车身的自由振动频率低，行驶平顺性好；在起伏地面上行驶时，动行程大，悬挂刚度大，能吸收较多的冲击能量，避免刚性撞击。而在复原行程，油气悬挂的弹性力比较小而且变化较缓，说明油气悬挂的变刚度特性主要表现在压缩行程，对拉伸行程表现不明显。
在图3的曲线中速度v >0时表示复原行程，速度v <0时表示压缩行程。随着车架与车桥复原行程相对拉伸速度的增大，阻尼力呈非线性增大,v 值越大，阻尼力上升越剧烈，表明油气悬挂对地面的高频激振显示出极大的衰减率，而对低频信号衰减作用不大，说明油气悬挂适用于起重车辆在不平坦路面上高速行驶。而在压缩行程，油气悬挂的阻尼力小而且变化平缓，说明油气悬挂的变阻尼特性主要表现在拉伸行程，对压缩行程表现不明显。
油气悬挂在压缩行程和复原行程表现出不同的变刚度特性和不同的变阻尼特性。利用变刚度特性，降低油气悬挂刚度，从而获得较低的自由振动频率，使得车辆平坦路面行驶平顺性好；利用变阻尼特性对地面高频激振的极大衰减，使得车辆在不平坦路面上也可以高速行驶。可见两者配合能够显著地缓和冲击，减少颠簸，最大限度地满足车辆在各种路面行驶的要求，从而改善驾驶员的劳动条件、提高平均车速，使行驶平顺性和操纵安全性得到提高。
3 油气悬挂结构参数的选择
(1)蓄能器初始充气压力和体积是油气悬挂优
化设计的重要参数，直接影响到车辆的刚度特性，进而影响到车辆的固有频率和行驶平顺性。
工程计算为简化起见，常取活塞位于平衡位置
处(s =0)的刚度作为油气悬挂系统的线性化刚度
K e =K (M g )2
/(p 0V 0)(1)式中
p 0———蓄能器的初始充气压力;V 0———蓄能器的初始容积;K ———气体多变指数;
M g ———油气悬挂单缸承受的重量。
从式(1)中可以看出，载荷增大，刚度增加；蓄能
器充气压力和容积增大，其刚度减小。对油气悬挂系统加上悬挂质量，可看作单自由度的振动系统，则系统的固有频率
f =1
2
π
K e M =12
πK M 2
g
P 0V 0
(2)
式(2)表明频率随着载荷的增加而增大，同时蓄
能器的充气压力和容积增加时，频率减小。
LIE BHERR 全地面汽车起重机的悬挂缸缸径均为110mm ，活塞杆直径为90mm ，对于不同桥荷的车辆，为了获得理想的频率特性和刚度，只要通过合理选择蓄能器的容积和充气压力即可实现。如LIE B 2HERR 公司的LT M1025和LT M1032全地面汽车起重机桥负荷不同，而悬挂缸和蓄能器除预充气压力随着桥负荷增大而增加外，其它参数均相同。
(2)影响油气悬挂阻尼特性的因素主要有单向阀直径和阻尼孔口径。对油气悬挂建立数学模型，利用数字仿真方法，在给定的路面激励条件下，求解其振动响应。结果表明增大单向阀开口量，可使压缩阻尼小于拉伸阻尼，使路面冲击传递给车身的位移响应下降，即衰减了振幅；减小阻尼孔径，增大系统的阻尼，能使振动频率衰减，使车身很快趋于平稳。若改变蓄能器参数，对比研究振动响应，结果表明增大蓄能器充气压力和初始体积，使路面冲击传递给车身的位移响应、频率响应均有明显下降，可见减小系统刚度，可有效地衰减振动。
综上所述，对悬挂系统的结构参数进行调整与优化，可使车辆的振动响应达到较为理想的状态。除了根据桥荷不同，改变蓄能器的容积和充气压力以降低系统的固有频率外，根据油气悬挂变刚度、变阻尼的特点，可以将单向阀、阻尼阀设在悬挂缸外部，实现悬挂的半主动控制。根据路面不平度可以随
时调整阻尼孔的大小，使车辆的平顺性、操纵安全性同时得到提高，性能匹配最佳。
4 油气悬挂的特殊功能
油气悬挂除了能够保障工程车辆良好的行驶平顺性及操纵安全性外，还能最大限度地满足工程车
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04・ 全面地汽车起重机油气悬挂的性能研究———刘希太，等 2005年第9期
文章编号:100320794(2005)0920041204
导管-气室水力共振系统提高脉冲水射流强度的研究3
高松竹，蒲家宁，雍歧卫
(后勤工程学院，重庆400016)
摘要：采用波动法对导管-气室水力共振系统进行了研究，表明水力共振系统在合适的系统结构参数和流体参数情况下，可以使导管出口处的压力高于入口处的压力。初步实验研究证明，利用水力共振提高脉冲水射流的强度是可行的。理论和初步的实验研究为下一步高压条件下的实验提供了指导。
关键词：波动法；气室；水力共振；脉冲水射流
中图号:T D43文献标识码:A
1 引言
众所周知，如果在充满液体的导管内有空气腔，导管内的液体压力和流速常会发生振荡现象。本文提出了应用导管-气室系统，在导管入口处调制液流压力，产生系统的主动水力扰动，使气室引发水力共振，从而提高脉冲射流功效的设想。
2 导管-气室水力共振系统分析
3国家自然科学基金资助项目(50175108)2.1 基本方程
本研究的水力过程可用经典的阿列维偏微分方程组描述。因为导管不长，管内的水力摩阻可忽略不计，可采用该方程组变化后的简化形式—波动方程
52p
5t2-c2
52p
5x2=0
52q
5t2-c2
52
q
5x2=0
(1)
它的一般解是
辆的特殊要求。比如，它可以方便地实现功能转换,
从弹性悬挂变为刚性悬挂，这对轮式起重机的作业
稳定是非常重要的。悬挂油缸的锁紧如图4所示,
通过控制电磁阀，切断液压缸与蓄能器及其它液压
元件的连接油路(相当于悬挂缸的大小油腔皆被堵
塞)，利用油液压缩性较小的特点，可使油气悬挂处
于刚性状态，在这种条件下车辆可承受较大载荷并
图4 刚性闭锁示意图
Fig.4 P lot of rigid block
能缓慢移动，实现起重机上车的吊重行驶功能。
此外，油气悬挂通过对悬挂缸补油或排油可以
实现车身高度的自动调整，从而改善车辆的通过性;
若将各油气弹簧的油腔连在一起，根据帕斯卡原理,
还可以起到自动平衡负载、均衡多桥载荷的作用等。
参考文献:
[1]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社,1981.
[2]赵春明，屈福政，高艳明.油气悬挂系统特性分析及其动态仿真
研究[J].机床与液压,1998,(2).
[3]封士彩.工程车辆油气悬挂技术的开发和研制[J].机床与液压,
2002,(3).
作者简介：刘希太(1975-)，河北石家庄人,2003年毕业于昆明
理工大学，专业方向为机电一体化.E-mail:freedman-lxt@163.
收稿日期:2005203218 Study on the Characteristics of All-terrain T ruck Crane
with H ydro-pneum atic Suspension
LIU Xi-tai,ZU Bing-jie,ZHENG Ming-jun
(Department of Mechanical Engineering Shijiazhuang Railway Institute,Shijiazhuang050043,China)
Abstract:A kind of advanced hydro-pneumatic suspension technique is used in LIE BHERR all-terrain truck crane, its advantage in nonlinear and g ood vibration abs orption performance satis fy the people’s needs furthest in engineering ve2 hicle.The w orking principle,the structure,the characteristic in rigidity and dam ping were illuminated s o as to provide technical data in producing hydro-pneumatic suspension for our country.
K ey w ords:hydro-pneumatic suspension;system characteristics;structure factors
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1
4
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2005年第9期 煤 矿 机 械
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