北車所

做汽車油氣懸掛技術(shù)創(chuàng)新達人
——記中國北方車輛研究所學科帶頭人陳軼杰

北車所

構(gòu)成車輛底盤的動力傳動和行走系統(tǒng)這兩大關鍵部分直接決定了底盤的操控性和舒適性，如果將動力傳動裝置比作人的心臟，那么行走裝置就是人的兩條腿；腿腳不靈活，即使有再強大的心臟也無法保證一個人快速行走甚至奔跑。而汽車懸掛裝置就是保證車輛行駛平順性、安全性和操控穩(wěn)定性的關鍵。

然而長期以來，我國大部分工程及特種車輛采用的是螺旋或鋼板彈簧的傳統(tǒng)機械式懸掛減振裝置。這種裝置看似牢固耐用，實際使用中卻存在運輸效率低、使用壽命短等缺點。這不僅影響工作效率，還增加了維修成本。能不能將這種裝置進行升級改進呢？隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來業(yè)內(nèi)專家開始關注油氣懸掛技術(shù)這一課題，陳軼杰就是其中頗具成果的佼佼者。

陳軼杰早在北京理工大學機械與車輛工程學院攻讀工學博士期間，就跟隨導師參加了多個重點型號項目懸掛系統(tǒng)的研制，獲得過HORIBA汽車零部件創(chuàng)新獎、優(yōu)秀研究生標兵等榮譽；進入中國兵器工業(yè)集團第201研究所（中國北方車輛研究所）后，便擔任了懸掛系統(tǒng)技術(shù)團隊的學科帶頭人，并成為中國力學學會審稿專家、國家自然科學基金同行評議專家。他帶領的技術(shù)團隊連續(xù)三年被評為所“優(yōu)秀專業(yè)團隊”、“優(yōu)秀青年集體”，多次獲得“軍品科研立項獎”、“民品開發(fā)優(yōu)秀團隊”等榮譽。

從基礎理論著手發(fā)現(xiàn)新問題

在研究油氣懸掛之前，陳軼杰和技術(shù)團隊就已詳細分析了現(xiàn)階段我國大部分工程車輛及特種車輛采用的傳統(tǒng)懸掛形式，了解了因彈簧材質(zhì)不同所導致的差異。

鋼板彈簧目前在我國大噸位運載車輛上應用較為普遍。它結(jié)構(gòu)簡單，單位質(zhì)量儲能小，質(zhì)量較大，不利于實現(xiàn)車輛輕量化。由于要滿足“多拉快跑”的實際需求，車輛的鋼板彈簧通常工作3個月左右就會出現(xiàn)疲勞斷裂等故障，需要維修和更換，在造成大量材料浪費的同時，也增加了車輛行駛的安全隱患以及運輸保養(yǎng)成本。

廣泛應用于小噸位車輛獨立懸掛系統(tǒng)的螺旋彈簧，所需車體縱向空間較小，自身質(zhì)量小，單位儲能比較大，且不忌污泥，但由于應力強度的限制無法在重載車輛上使用。特別是彈性元件只有儲能和緩沖作用，要衰減振動還需附加減振器，程序相對復雜。而橡膠彈簧懸掛則是利用橡膠本身的彈性吸收外界振動能量，單位質(zhì)量儲能比金屬彈簧大，隔音性能好，能承受一定的扭轉(zhuǎn)和壓縮載荷，但壽命較短，易因老化而導致性能變差。

陳軼杰介紹，油氣懸掛是用高壓惰性氣體分子的相互作用力替代傳統(tǒng)的彈簧儲能元件，通過對氣體的壓縮實現(xiàn)輸出力值的非線性增長，讓它具有大儲能比，這樣就可成倍吸收來自外界的振動能量，特別是在附加車體姿態(tài)的自適應調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，可顯著改善車輛綜合行駛性能。

為了更深入地掌握油氣懸掛技術(shù)，陳軼杰帶領項目團隊進行反復實驗，進一步發(fā)現(xiàn)它具有三個不可比擬的優(yōu)勢：一是可呈現(xiàn)出很好的非線性彈性特征，對重型越野以及載貨汽車都具有很好的匹配效果；二是儲能比鋼板、螺旋和橡膠彈簧提升了近千倍，具有更佳的緩沖能力；三是可將大功率減振閥內(nèi)置于油氣懸掛缸內(nèi)部，實現(xiàn)高度集成化和輕量化。

陳軼杰技術(shù)團隊通過技術(shù)攻關，最終把擁有絕對優(yōu)勢的油氣懸掛技術(shù)，推廣運用到了車輛的實際生產(chǎn)和使用中。

唯有創(chuàng)新才能不斷前行

要使油氣懸掛技術(shù)真正落地應用，其過程并非一帆風順。陳軼杰強調(diào)，不要拘泥于過去的模式，要敢于打破常規(guī)的思維方式，真正實現(xiàn)自主研發(fā)與創(chuàng)新。他的團隊制定了油氣懸掛裝置的研究體系和框架，攻克了油氣懸掛系統(tǒng)性能預測設計、機電液聯(lián)合多參數(shù)調(diào)節(jié)等多項技術(shù)難題，全方位地保障了油氣懸掛裝置的使用效果。

他的團隊通過自主編程方式構(gòu)建的油氣懸掛的創(chuàng)新設計平臺，把設計誤差控制在15%以內(nèi)，顯著縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了研發(fā)成本。通過對液壓系統(tǒng)參數(shù)設計和閥組的有效集成，解決了空滿載質(zhì)量差別大、多輪車輛協(xié)調(diào)控制、車體自動調(diào)平等多項關鍵難題，使車輛在不同承載重量時均達到理想的行駛效果。

其團隊開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的油氣懸掛自增壓閉鎖裝置，可滿足車輛短距離搬運重物等特殊作業(yè)時對工作穩(wěn)定性的需求；開發(fā)了內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器的油氣彈簧，能將車體姿態(tài)調(diào)節(jié)精度大幅度提升，顯著延長油氣彈簧使用壽命，提高了系統(tǒng)的可維護性，同時還解決了數(shù)據(jù)線從高壓油缸內(nèi)引出時的密封問題。

此外，通過對高壓組合密封的設計與選型，把油氣彈簧的工作壓力由原來的40MPa提升至60MPa，通過改善密封件的使用環(huán)境提升了彈簧抗泄漏的可靠性，降低了輸出摩擦力值，為油氣彈簧向小巧緊湊型方向發(fā)展奠定了基礎。

目前，陳軼杰的項目團隊正努力改進密封結(jié)構(gòu)形式，以進一步突破油氣彈簧臨界高壓的極限。而阻尼和剛度可調(diào)半主動懸掛技術(shù)，則是電控裝置通過采集加速度傳感器的信息實現(xiàn)對阻尼特性的閉環(huán)控制，使得車輛行駛性能達到最佳理想狀態(tài)。通過實車測試，多軸運載車輛的平均越野速度較傳統(tǒng)懸掛提高了25%以上；通過采集壓力傳感器等信息可實現(xiàn)對車輛上裝重量的監(jiān)測，并自動切換高低壓氣室，實現(xiàn)剛度兩級可調(diào)，確保車輛在空滿載時行駛狀態(tài)的一致性；系統(tǒng)還可以根據(jù)駕駛員的主觀感受通過控制面板進行手動干預，可滿足車輛行駛過程中的使用需求。

作為80后的優(yōu)秀青年科技人員的代表，陳軼杰始終堅持理論與實踐相結(jié)合的技術(shù)發(fā)展路線，先后主持參加了國家自然科學基金、國家重大基礎安全課題973專題、國家科技支撐計劃子課題等國家和省部級重點課題，開展了高機動履帶車輛非線性多體動力學建模和行動系統(tǒng)性能評價體系研究，完成了高性能大功率減振裝置設計方法創(chuàng)新，創(chuàng)建了環(huán)形薄板大小撓曲變形解析計算和等效厚度理論，并推導出環(huán)形縫隙在紊流狀態(tài)下流量與壓差解析算法；首次實現(xiàn)了高速沖擊工況下減振閥預緊開閥狀態(tài)的動態(tài)模擬，解決了無法有效評估開閥阻力值的技術(shù)難題。他以第一作者身份公開發(fā)表學術(shù)論文50余篇，其中26篇被EI檢索；申報發(fā)明專利32項，其中已授權(quán)10項。

在他的帶領下，油氣懸掛系統(tǒng)技術(shù)團隊取得了一系列技術(shù)突破，連續(xù)三年獲得研究所優(yōu)秀團隊稱號。有關領導評價稱：該技術(shù)團隊取得這些成績，跟陳博士的人格魅力與帶隊方式有直接關系。他善于調(diào)動大家的工作熱情，勇于承擔責任，敢于給同伴壓擔子，在團隊中形成良好的互動合作關系。

產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢勢不可擋

陳軼杰團隊通過與企業(yè)合作，共同承擔國家項目，深切體會到“從工業(yè)生產(chǎn)領域延伸出的一些關鍵基礎問題，需要在技術(shù)領域著力去研究，這是非常有吸引力的”。他們的技術(shù)也正是為解決工業(yè)生產(chǎn)中的關鍵問題以及市場期待的新產(chǎn)品奠定了基礎。

自2010年項目實施以來，已逐步形成了單根彈簧承載1噸到30噸的系列化產(chǎn)品，并配備了各種功能的車姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)，向國內(nèi)企業(yè)進行供貨，產(chǎn)生了顯著的品牌效益。團隊先后向有關企業(yè)提供了輪履式特種車輛裝備，為三一重工全路面起重機、航天科工集團剛彈轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、航天科技集團外貿(mào)特種車輛、北京衛(wèi)星制造廠和沈陽自動化研究所的全向智能移動裝備，陜西重汽、長春一汽和中國重汽的多軸重型運載車輛等多個重點項目提供了配套和產(chǎn)品研發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)值2億余元。

陳軼杰帶領項目組積極進行了產(chǎn)業(yè)化推廣，目前項目組綜合開發(fā)能力處于國內(nèi)領先水平，為油氣懸掛在軍民品市場的推廣應用奠定了基礎，已經(jīng)擁有了一系列的專用檢測、試驗、裝配工裝，并形成了較為完善的出入所檢驗規(guī)范，同時具備缸徑為50mm到280mm的系列化產(chǎn)品加工能力和機電液聯(lián)合可調(diào)懸掛關重部件，特別是系統(tǒng)級的性能與耐久壽命試驗檢測能力；梳理出了油氣彈簧、集成閥組、電控裝置、導向機構(gòu)等主要產(chǎn)品的詳細工藝流程，突破了表面鍍鉻與潤滑、大承載力球頭刻線、高壓線密封研磨等關鍵部件的加工技術(shù)。