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越野车油气悬架系统及其密封的设计1第一章绪论1.1课题研究的目的和意义越野车辆是指可在非人工铺设道路上行驶的移动机械，其越野性能是越野车辆机动性的一个重要指标，是指车辆在公路之外条件下继续行驶的能力，即车辆在复杂路面上的通过性。当今，世界上针对复杂奇异地形环境下的各类越野车辆层出不穷，以美国、俄罗斯、法国和日本为首的各科技大国己经研制出许多种适应于复杂奇异三维地形的行驶机构，有的已经实际应用在军用方面。但是，在以往的研究中，考虑具有结构化的运动环境和地形相对平坦的情形较多，地形因素对越野车辆通过性能的影响相对较小，研究者关注的重点在于如何改善越野车辆本身性能因素。随着越野车辆应用领域的扩展，比如安全与搜救车野外作业车、轻型装甲车、轻型越野车、无人驾驶侦察车、导弹发射车、高机动战术车、全地形越野车等，其所处的环境可能是一个未知或不完全可知的危险环境，既有岩石，又有坑洼，而且也可能是松软地形、崎岖不平地形，地质条件复杂。在这种非结构化环境下移动时，环境地形的复杂性给越野车辆的通过性能带来很大影响，致使其可能发生滑移、倾翻等状况，甚至无法正常通过，贻误战机。悬架系统作为汽车的重要组成部分，在设计、使用时有着非常重要的作用。悬架系统应具有承受车身重量;承受并缓和车辆必要的离地间隙等功能。传统汽车上使用的是由弹簧和阻尼组成的被动悬架。由于其结构简单、性能可靠，成本低且不需附加能量，因此使用广泛。但被动悬架的系统特性如弹簧刚度、阻尼系数都是不可调的，不能适应各种道路;而且其只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能来适应不同的使用要求，不能同时获得较好的乘坐舒适性和操纵稳定性，特别是对于需要经常在野外作业的特种车辆，被动悬架的有限行程及被动适应地面的能力在一定程度上限制了车辆的通过性，影响了车辆的越野性能。因此，世界各国从上世纪50年代开始了主动、半主动悬架的研究。其中主动悬架最早由美国通用汽车公司Federspiel-Labrose教授在1955年提出的。直到20世纪50年代，世界各大著名的汽车公司和生产厂家才竞相研制开发这种悬架系统。TOYOTA、LOTUS、VOVOL、Benz等在汽车上均进行了较为成功的试验。结果表明，装有主动悬架的汽车，即使在崎岖不平的路面高速行驶时，车身同样非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水平，乘坐非常舒服[70]。随着液压技术的发展，特别是其在工程车辆底盘上的成功应用，油气或液压主动悬架正逐渐受到各国研究人员的重视。1955年，法国Citroen汽车公司就研制出一种液压空气悬架系统，可以使汽车具有良好的行驶平顺性，但由于其制造工艺复杂，未能普及。1982年，美国LOTUS汽车公司研制出有源液压主动悬架系统，瑞典VOVOL汽车公司对LOTUS主动悬架系统进行了实验。1989年，TOYOTA在Cehca车型上装置了准主动油气悬架系统。1990年，日本NISSAN汽车公司在InfiniteQ45轿车上也装备了液压主动悬架。采用液压主动悬架系统的最显著特点是:减震效果明显;根据路面变化，自动调整车身:根据不同需要升高或降低车架高度，以增强车辆的通过能力和行驶性能。进入90年代，随着电液比例控制技术的发展及各种主动控制算法的不断出现等，世界各国相继研制出了各种液压主动悬架。1993年，英国LOTUS公司对HMMWV越野车悬架系统进行了改装。该主动悬架系统采用的是液压作动器。同时加利福尼亚大学在HMMWV越野车上也试验了采用预测控制方式的液压式主动悬架。1995年，加拿大防务研发院(DRDC-suffield)应加拿大军方要求为ILTIS越野车研越野车油气悬架系统及其密封的设计2制了计算机控制的全液压主动悬架系统，样车评价试验由皇家军事学院完成。该主动悬架使用了4个MOOG-LOTUS伺服控制液压作动器替代原车辆的减振器，其越障速度明显提高。2000年，英国防务评估研究机构和Horstman公司共同研制了一套实用的可控液压主动悬架系统。2002年，普利托利亚大学设计了一种具有2级阻尼和2级弹簧的液压气动元件，并改装了一台LandRove:防卫者越野车等。由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。在液压主动悬架的研究方面起步较晚，与国外的差距大。进入21世纪后，一些高校才正式对液压主动悬架陆续展开研究工作。液压悬架之所以越来越受到重视，主要是由于电液控制系统中的液压元件具有比功率大，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单元;液压控制系统的负载刚性大，精度高;系统可以安全并快速地实现频繁的带负载起动和制动，进行正、反向直线或回转运动和动力控制;且由于使用不可压缩的油液，故其响应的灵敏度较吉林大学博士学位论文高等优点。并且随着时代的发展，人类对探知野外自然环境的渴求及对高机动化作战部队的要求越来越高，液压主动悬架必然会成为悬架系统的发展趋势。有液压的悬架，就存在密封的问题，液压主动悬架的发展，必然存在其密封技术的相应发展。密封技术的发展，也推动液压主动悬架的发展。所以本项目有广泛的应用前景。1.2油气悬架概述1.2.1油气悬架的分类油气悬架有多种形式。按单缸蓄能器形式，分为成单气室、双气室、两级气压式等；按车桥各悬架缸是否相连可分为独立式和连通式；按车辆行驶过程中悬架控制是否需要外部能量输人分为被动油气悬架、半主动悬架和主动悬架。按整体结构型式，工程车辆上采用的油气悬架系统主要有独立式和互联式两种，如图1所示。互联式油气悬架各悬架缸的油液通过液压软管相连，气腔气体压强基本不变，能够自动平衡各车桥的轴荷，这种形式油气悬架系统常用于汽车起重机，而自卸汽车则较多采用独立式油气悬架。按油气是否分隔，油气悬架分为油气分隔式和油气不分隔式（或称之油气混合式），而油气分隔式又分为活塞隔离式和气囊隔离式。由于隔离式蓄能器具有防止油液乳化、便于充气、易于控制充气压力等特点，得到较为广泛的应用。同时，活塞式蓄能器一般与悬架缸固定连接在一起，存在结构复杂、体积大、安装空间较大等缺点：而皮囊式蓄能器既可做成与悬架缸固定连接的方式，也可使用液压软管或钢管分开连接，具有较大的灵活性，使用更为广泛。a)独立式油气悬架b)互联式油气悬架图1.1油气悬架的结构形式越野车油气悬架系统及其密封的设计3另外,按油气悬架气室的数目,可分为单气室、双气室、两级压力室等类型。单气室和双气室蓄能器油气悬架都是通过气体压缩起缓冲作用（类似减振弹簧），通过液体从阻尼孔流动产生的阻尼力有效衰减振动（类似减振器）。1.2.2油气弹簧的基本结构和原理图2为单气室悬架液压缸的结构，在活塞杆的内部有一个空腔，该腔通过数个阻尼孔和单向阀将液压缸的大、小腔（A、B腔）沟通，蓄能器通过管路与液压缸的大腔相通。当车辆受到不平路面激励时，活塞及活塞杆组件会相对于缸筒作往复运动，若活塞及活塞杆相对缸筒收缩，则A腔的油液受到压缩而向两个方向移动：一是进一步压缩蓄能器内部的气体而进入蓄能器；二是通过阻尼孔和单向阀而进入B腔。若活塞及活塞杆相对缸筒伸张，则B腔的油液受到压缩，迫使B腔的油液通过阻尼孔向!腔流动（此时单向阀处于关闭状态），同时因!腔增大的体积大于B腔缩小的体积，结果会导致蓄能器的部分油液在气体压力作用下进入A腔。图1.2单气室悬架液压缸的结构在前一种情形下，因单向阀开启，活塞及活塞杆组件相对缸筒运动时受到的阻尼力较小，这相当于传统悬架中的弹簧作用；在后一种情形下，因单向阀关闭，活塞及活塞杆组件相对缸筒运动时受到的阻尼力较大，这相当于传统悬架中的减振器作用。图3所示的油气悬架缸结构是双气室结构，液压缸的内部有A、B、C三个油腔，C腔一方面通过数个阻尼孔和单向阀与B腔相通，另一方面还通过管路与左蓄能器相通，A腔通过管路仅与右蓄能器相通。当活塞及活塞杆相对缸筒收缩时，A腔的油液会受到压缩而进入右蓄能器，C腔的油液因B腔容积增大而受到左蓄能器气体压缩进而通过阻尼孔和单向阀进入B腔；相反地当活塞及活塞杆相对缸筒伸张时，B腔的油液因受到压缩而通过阻尼孔进入左蓄能器，右蓄能器的油液因A腔容积增大而受到右蓄能器气体压缩进而进入A腔。与单气室悬架液压缸情形类似，在前一种情形下，因单向阀开启，活塞及活塞杆组件相对缸筒运动时受到的阻尼力较小；在后一种情形下，因单向阀关闭，活塞及活塞杆组件相对缸筒越野车油气悬架系统及其密封的设计4运动时受到的阻尼力较大。图1.3双气室悬架液压缸的结构越野车油气悬架系统及其密封的设计5第二章文献综述2.1国内外对于油气悬架的研究现状2.1.1国外研究现状国内外学者在对油气悬架系统进行开发的过程中，对其结构型式及性能进行了大量的理论分析和试验研究，取得了很多成果。目前已经发展到主动悬架的初步应用阶段，开发了一些采用主动油气悬架控制的产品，应用范围也大为拓宽。当前对油气悬架的研究主要集中在2个方面：(1)建立新型合理的油气悬架的数学模型。主要的研究思路是把具有非线性特性的弹性元件如悬架油缸和对非线性的影响因素如油液、高压空气的压缩膨胀、非线性阻尼、刚度特性纳入到数学模型中，使得理论悬架系统符合实际，成为非线性系统。目前建立数学模型的方式可以分为参数化和非参数化。由于参数化建模方法建立的模型能比较精确地用于描述其内部工作状态，每个参数都有明确的物理意义，适合于油气悬架缸自身特性的研究，故参数化的设计方式较非参数化设计具有一定的优势。上世纪90年代开始，KwangjinLee和Concordia大学的研究人员先后建立了单筒单气室油气悬架缸的参数化计算模型和油气悬架缸的非线性模型，采用基于能量的频率相关等效线性化技术，建立了油气悬架缸的等效线性参数化模型，利用参数化分析技术确定了影响油气悬架系统性能的主要因素，并通过参数的优化设计来改进系统的性能。MDI公司开发的专业机械动力学软件ADAMS，为非线性和参数化设计提供了一个很好的平台，使数学模型的建立更加方便和可靠但是由于非线性系统结构十分复杂，各种分析方法和识别方法有各自的特点和局限性，国外学者建议把参数化和非参数化建模方法结合起来对油气悬架缸进行准参数化建模研究，如可以用实测的阀孔孔口压差流量关系来描述油气悬架缸内部孔口出流系数，而其它部分是基于有关物理定律建立的参数化模型，这样就大大简化了建模的复杂性，减少了非线性模型计算的误差。（2)新型结构形式的油气悬架的开发和主动控制策略的研究。新型结构形式的油气悬架的开发，主要是对半主动和主动油气悬架的开发应用。利用油气悬架的阻尼相对刚度易调的优势，调节阻尼实现悬架的半主动控制和主动控制。如图3是半主动控制的原理图，控制单元对各类传感器采集来的信号进行处理，再通过调节阻尼阀口大小，改变油缸和蓄能器之间的阻尼力，实现悬架输出力半主动控制。主动悬架则需要另加动力元件如液压油泵等，油液通过伺服阀再进入液压缸，实时控制悬架输出力。图2.1半主动控制原理图越野车油气悬架系统及其密封的设计6在主动控制策略研究方面，主要有最优控制理论方法、自适应控制方法、基于神经网络的控制方法和模糊控制方法等。但是基于这些控制策略而设计的主动悬架，普遍成本高、可靠性差，目前仅用于高档轿车、赛车及重要的载重车辆上。因此，当前的研究重点是如何降低成本，减少能量消耗和附加重量，设计成本合理的元件和控制系统，从而提高安全性及可靠性。2.1.2国内研究现状国内研究人员从20世纪80年代开始对油气悬架进行关注。1984年上海重型汽车厂测绘了国外的单气室油气悬架，并应用于上海重型汽车厂生产的SH380、SH382矿用自卸车上，但因其密封性和可靠性等原因没能得到广泛应用。20世纪90年代我国一些企业引进了具有油气悬架系统的工程车辆，此后形成了油气悬架技术研究的高潮，国内一些高校亦开始研究油气悬架技术。同时，徐重、中联浦沅、上海重汽集团等企业也正在对油气悬架系统进行不同方面的理论分析和试验研究设计。国内基于油气悬架的研究主要集中在以下几个方面：(1)油气悬架的刚度及阻尼特性的仿真研究。国内学者对这方面研究得最多，主要是油气悬架的刚度和阻尼的非线性特性的仿真建模定性分析及对整车行驶平顺性能的评价指标分