车辆智能油气悬挂技术研发及应用

CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYACHIEVEMENTS\第04期\2015年\中国科技成果成果推广59DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2015.04.023车辆底盘通常由动力传动和行走系统构成，如果将动力传动装置比喻成人的心脏，则行走装置可以看作是人的两条腿，如果腿脚不灵活，即使有再强大的心脏也无法实现快速行走甚至奔跑。悬挂，是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间一切传力连接装置的总称，主要用于缓和车辆行驶过程中来自地面的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，减轻或消除车身动载荷，保证车辆良好的行驶平顺性和操纵稳定性，同时还承担着使车轮按一定轨迹相对车架或车身跳动的任务，它也是行走系统中的核心装置，直接决定了车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性及安全性。近些年，随着科学技术的不断发展，人们开始更多地关注油气悬挂，其原理是用高压惰性气体分子间的相互作用力替代了传统的弹簧储能元件，通过对气体的压缩实现了输出力值的非线性增长，具有大储能比的特点，能够成倍吸收来自外界的振动能量，特别是在附加车体姿态的自适应调节系统后，更能显著改善车辆综合行驶性能，从而成为了车辆悬挂系统的重要发展方向。中国北方车辆研究所开展智能油气悬挂系统已有三十余年的历史，重点解决了多轴重载车辆小半径转弯侧翻、空满载姿态变化、特殊作业时底盘平台失稳、静不定轮荷分配、以及行驶过程中的平顺性及操稳性能问题，主要包含内置位移传感器油气弹簧减振装置、紧凑型液压调节系统和集成式多通道控制单元等三个模块，兼具了刚度和阻尼可调、整车升降、侧倾、俯仰、交叉互联和平衡悬架、以及车体自动调高等多项功能，突破了机电液联合多参数协同控制、高压组合密封、抗大侧向力导向、自增压悬架闭锁、大功率减振、非接触式位移传感器高压内置、以及半主动悬架等关键技术，获得发明专利11项（ZL200810039636.1；ZL200710118959.5等），公开发表学术论文四十余篇，其复杂程度和技术先进性均达到国际先进水平，在实际使用过程中系统表现出工作稳定可靠和功能完备的特点，与国外同类产品相比具有性能优越、成本低廉、维护保养方便和供货周期短等优势，并逐步形成了核心竞争力。1项目背景现阶段，我国大部分工程车辆及特种车辆还是采用了传统的弹簧+减振器的悬挂形式。其中钢板弹簧在汽车悬挂中应用较为广泛，该悬挂系统结构简单，但单位车辆智能油气悬挂技术研发及应用主要完成单位：中国北方车辆研究所主要完成人：陈轶杰郑冠慧张亚峰侯茂新鞠海洁韩小玲张旭宁丹冯栋梁郭建娟E-mail:[e-mail]\李小莹\编辑CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYACHIEVEMENTS中国科技成果\2015年\第04期\成果推广60质量储能比较小，不利于实现车辆的轻量化，对合金钢材来说也是一种浪费，这种悬挂在我国大吨位的运载车辆上应用较为普遍，通常工作3个月左右就会出现疲劳断裂的故障现象，需要进行维修和更换，在造成大量材料浪费的同时，也显著增加了车辆行驶过程中的安全隐患以及运输保养成本，并广为客户所诟病。螺旋弹簧广泛地应用于小吨位车辆的独立悬挂系统中，与钢板弹簧相比，具有不忌污泥，所需车体纵向空间较小，本身质量小的特点，单位质量储能比略大，约为178～280N·m/kg，但由于自身许用应力强度的限制无法在重载车辆上使用，另外弹性元件自身只具有储能和缓冲作用，要达到衰减振动的目的还需要附加筒式减振器。橡胶弹簧悬挂是利用橡胶本身的弹性吸收外界振动能量，单位质量储能比约为508～1016N·m/kg，比金属弹簧大，且隔音性能好，能够承受一定的扭转和压缩载荷，但寿命较短，易于老化从而导致性能变差。针对这种情况，中国北方车辆研究所深入开展了油气悬挂装置的研究工作，如图1所示，一般是以高压惰性气体（氮）作为弹性介质，以油液作为传力介质，中间通过浮动活塞将油气介质隔离，呈现出很好的非线性弹性特性，对重型越野车辆以及载货汽车都具有很好的匹配效果，同时储能比很大，约为330000N·m/kg（以6MPa氮气充气压力为例），也就是说具有更好的缓冲能力，还可以将大功率减振阀内置于油气悬挂缸内部，与钢板和螺旋弹簧相比能够实现高度集成化和轻量化，由此可见油气悬挂独特的技术优势。2项目创新点2.1油气悬挂系统性能预测设计技术以可视化设计软件为基础，以特性曲线资料库为参照，通过自主编程的方式构建了油气悬挂的创新设计平台，能够实现车辆行驶性能、悬挂弹性及阻尼特性的参数预测与评估，并制定了评价指标体系，通过试验数据验证，设计误差能够控制在15%以内，显著缩短了产品研制周期并降低了研发成本。2.2机电液联合多参数调节技术通过对液压系统的参数设计和阀组的有效集成，如图2所示，能够实现车体升降，前后俯仰和左右倾斜等多种姿态的调节。在对液压系统进行合理优化后，解决了空满载质量差别大、多轮车辆协调控制、车体自动调平等多项关键技术，能够使车辆在不同承载重量时均达到理想的行驶效果，各轮悬挂动态受力均衡，不至于出现单轮冲击载荷过大损坏悬挂机构和路面的现象，同时当车辆在不平路面行驶时可始终保持车体的水平状态，如图3所示，避免了图4中车体侧翻的危险工况。2.3悬挂闭锁技术开发了具有完全自主知识产权的油气悬挂自增压闭锁装置，将其集成在油气悬挂油缸和蓄能器之间的支撑体中。闭锁前油液在油缸和蓄能器之间可以顺畅地往复流动，以实现蓄能器中惰性气体的伸张与压缩，即非线性弹性特性，宏观上则表现出良好的缓冲效果；闭锁后阀芯将油缸和蓄能器的过油通道彻底切断，使油液无法进入蓄能器压缩图1油气弹簧产品图片图2车姿可调液压系统布置CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYACHIEVEMENTS\第04期\2015年\中国科技成果成果推广61高压气体，此时油缸中的油液无处流动，只能独自支撑起车体的重量，通常可视油液为不可压缩介质，也就形成了底盘的刚性平台，能够满足车辆短距离搬运重物等特殊作业时对工作稳定性的使用需求。2.4内置传感器高压油缸技术项目组创新性开发了内置磁致伸缩位移传感器的油气弹簧，如图5所示，主要通过磁场强度感应实现位移参量的非接触式测量，具有高精度、高稳定性和免维护的特点，能够将车体姿态调节精度由原来的±40mm提升到±5mm以内，在满足用户正常使用要求的同时，显著提高了油气弹簧寿命和系统的可维护性。特别是通过大量的调研和试制解决了数据线从高压油缸内引出时的密封问题。2.5高压组合密封技术通过对高压组合密封的设计与选型，突破性地将油气弹簧的工作压力由原来的40MPa提升至60MPa，显著减小了油气弹簧的外形尺寸，方便整车布置，同时通过改善密封件的使用环境提升了弹簧抗泄漏的可靠性，并有效降低了输出摩擦力值，为油气弹簧向小巧紧凑型方向发展奠定了基础，目前项目团队正努力改进密封结构形式，以进一步突破油气弹簧临界高压的极限。2.6阻尼和刚度可调半主动悬挂技术本项目创新性开发了阻尼和刚度可调的半主动悬挂技术。当车辆在不同路况和车速下行驶时，电控装置通过采集加速度传感器的信息可实现对阻尼特性的闭环控制，使得车辆行驶性能达到最佳理想状态，通过实车测试，多轴运载车辆的平均越野速度较传统悬挂提高了25%以上；另外通过采集压力传感器等信息可实现对车辆上装重量的监测，并自动切换高低压气室，实现刚度两级可调，确保车辆在空满载时行驶状态的一致性。同时系统还可以根据驾驶员的主管感受通过控制面板进行手动干预，以满足车辆行驶过程中的使用需求。3项目取得的成果中国北方车辆研究所在项目研究过程中取得了多项创新性成果，在悬挂系统方面的综合开发能力处于国内领先水平，研制的不同型号可调悬挂装置产品复杂程度和技术先进性均达到国际先进水平，填补了国内在该技术领域的多项空白，且通过合理的参数匹配显著改善了车辆行驶平顺性及操稳性能，在实际使用过程中系统表现出工作稳定可靠和功能完备的特点，与国外同类产品相比具有性能优越、成本低廉、维护保养方便和供货周期短等优势，逐步形成了核心竞争力，并在实际应用过程中产生了巨大的效应。其中在军品研发方面，技术团队突破了悬挂系统安全释压、大功率减振、模块化悬挂闭锁、零渗漏液控锁止、机械式车体高度调节、重载球支承及润滑脂自动补给等多项关键技术，已成熟应用于多个重点型号项目，并运用自身技术优势解决了某自行高炮及指挥车、某自行火箭炮及装填车在定型试验过程中混合悬挂的轮荷分配技术难题。在民品开发方面，针对单轴承载5吨至12吨的工程车辆及特种车辆装备，研制了具有车辆姿态及特性调节功能的机电液联合多参数可调油气悬架系统，包含内置位移传感器油气弹簧、多参数可调控制系统和半主动悬架等执行机构。该系统兼具了悬架阻尼和刚度可调、整车升降、侧倾、俯仰、交叉互联和平衡悬架、以及车体高度自动调节等多项关键技术，已成功应用于三一重工全路面起重机、陕西重汽10×10多轴运载车、航天三院舰载刚弹转换系统、航天二院6×6特种车辆等多个型号上；另外还与长春一汽、中科院沈阳自动化研究所、中国重汽、山东临沃重机、徐工集团等国内知名企业签订了开发特种车辆高性能悬挂系统的技术协议，已逐步形成了品牌优势，为汽车行业相关领域的发展做出了贡献。4项目的应用范围及效益自2010年项目实施以来，已逐步形成了单根弹簧承载1～30吨的系列化产品，并配备了各种功能的车姿图6全路面起重机可调油气悬挂图7宽体自卸车油气悬挂系统图8全向智能移动平台可调油气悬挂CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYACHIEVEMENTS中国科技成果\2015年\第04期\成果推广62调节系统，开始向国内企业进行供货，产生了显著的品牌效益，先后为国营第六一七厂、国营第六二七厂和国营第六七四厂的轮履式特种车辆装备、三一重工全路面起重机、航天科工集团刚弹转换系统、航天科技集团外贸特种车辆、北京卫星制造厂和沈阳自动化研究所的全向智能移动装备，陕西重汽、长春一汽和中国重汽的多轴重型运载车辆，工程机械领域的临沃重机、徐工集团和潍柴动力的宽体自卸车等多个重点项目实现了配套和产品研发，有力地推动了本专业技术领域的发展，累计实现产值2亿余元。产品研发成功后项目组积极进行了产业化推广，通过多年积累，已拥有了一系列的专用检测、试验、装配工装，并形成了较为完善的出入所检验规范，同时具备缸径为50mm到280mm的系列化产品加工能力；具备了机电液联合可调悬挂关重部件、特别是系统级的性能与耐久寿命试验检测能力，梳理出了油气弹簧、集成阀主要完成人简介：第一完成人：陈轶杰（1980年～），男，汉族，中共党员，工学博士，高级工程师。目前就职于中国兵器工业集团第二O一研究所（又名中国北方车辆研究所），担任悬挂系统技术团队学科带头人，并兼任中国力学学会审稿专家、国家自然科学基金同行评议专家。2009年，陈轶杰入选“北京市丰台区科技新星计划”，2010年获得中国产学研合作创新奖、中国北方车辆研究所劳动模范，并入选“北京市科技新星计划（2010B090）”，2011年入选了“北京市优秀人才培养计划（2011D008004000001）”，被评为“中国兵器工业集团公司直属党委优秀共产党员”，2012年入选中国北方车辆研究所“十佳青年”，以及中国兵器工业集团青年科技骨干培训班，担任班长职务，2013年入选了集团公司“青年英才计划”，并成为兵器首批清华大学访问学者，担任学习委员，获得了第二届“中央企业青年五四奖章”，当选了“丰台区青联委员”，被评为“丰台区优秀青年人才”，2014年被评为“北京市优秀青年人才”，作为嘉宾代表集团公司参加了中央企业团工委“奋斗的青春最美丽”的访谈活动；所带领的技术团队于2010～2012年连续三年获得所级“优秀专业团队”荣誉称号（评选比例3%～5%），本人连续三年获得所级“先进工作者”荣誉称号。以第一作者在国内外重点刊物发表学术论文五十余篇，其中26篇被EI检索；先后主持了国家科技支撑计划、国家自然科学基金、北京市科技计划、国家安全重大基础课题973专题、国防军用技术转化专项等国家和省部级重点课题的研究工作，并作为