國家交通運輸工程研究中心 彭超 賈楠 李紅勛

淺析國外救護車新型半主動懸架
——硅油懸架特點及發(fā)展

國家交通運輸工程研究中心 彭超 賈楠 李紅勛

硅油懸架作為一種新型半主動懸架，具有無需動力源、消耗功率少、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等特點。其在國外已經(jīng)開展研究和應(yīng)用，而國內(nèi)的研究十分匱乏,在這種情況下，分析硅油懸架特點及發(fā)展具有一定的借鑒意義。

傳統(tǒng)的被動懸架由于阻尼剛度固定不變，車輛的舒適性和平順性只能在固定車速和特定路面下才能達到最佳狀態(tài)，因而在舒適性和平順性要求較高的專用車輛上逐漸被阻尼剛度可變的懸架所取代。

半主動懸架和主動懸架都是剛度阻尼可變的懸架。相比于主動懸架，半主動懸架無需動力源、消耗功率較少、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，因而半主動懸架的研究倍受關(guān)注。

對于半主動懸架，美國進行了大量研究。近年來，以硅油為液體介質(zhì)的懸架，即硅油懸架（如圖1），作為一種新型半主動懸架，逐漸開始在美國一些救護車輛上使用（如圖2）。

這種救護車上的硅油懸架采用的是美國LiquidSpring公司于2010年提出的“剛度半主動控制液體彈簧懸架”專利技術(shù)。該專利提出一種可以用于汽車懸架的液體彈簧裝置，即以硅油作為液體介質(zhì)的減振器（如圖3），利用硅油的壓縮性和粘滯阻尼特性，起到彈簧和阻尼的作用。它能夠?qū)崿F(xiàn)剛度調(diào)節(jié)(如圖4)，通過節(jié)流閥等機構(gòu)控制主缸體與外部油缸的通斷，從而達到調(diào)節(jié)剛度的目的。

圖1 硅油懸架結(jié)構(gòu)圖

圖2 硅油懸架應(yīng)用車輛

圖3 硅油彈簧三維結(jié)構(gòu)圖

圖4 硅油彈簧原理示意圖

圖5 國外空氣懸架大客車

硅油懸架硅油性質(zhì)

硅油懸架與一般懸架不同之處在于采用硅油作為減振器的液體介質(zhì)。而硅油的性能是影響硅油懸架剛度阻尼性能的直接影響因素。作為高分子材料，硅油的力學(xué)特性主要取決于其化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境的變化等因素。

1. 粘溫性

由于硅油分子中硅氧原子鍵的撓曲性和硅油鍵的高鍵能，使得硅油相比于一般礦物油具有良好的粘溫性和耐候性。國外道康寧公司對常溫下硅油與石油基液壓油做對比，在-25℃～125℃變化的過程中，石油基液壓油粘度改變了1 060倍，但是硅油只改變了17倍。

2. 壓縮性

硅油的分子結(jié)構(gòu)中“-Si-O-Si-”鍵易撓曲，同時硅油分子鏈在液態(tài)下是一種呈鋸齒狀，、有序排列的線性結(jié)構(gòu)，這使得硅油相比于一般礦物油具有更大的壓縮性。硅油在壓力作用下壓縮率最高可達36%，將硅油作為液體彈簧，相比金屬彈簧，其質(zhì)量更輕、體積更小、溫度適應(yīng)性好。

減振器是變阻尼剛度半主動懸架的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響半主動懸架的性能，各種先進的控制手段最終都要通過減振器實現(xiàn)預(yù)期的懸架振動特性。

硅油利用其可壓縮性能夠起到液體彈簧的作用，而硅油由于其本身的粘度，通過阻尼孔結(jié)構(gòu)能夠在運動中產(chǎn)生阻尼，因而利用硅油可以設(shè)計得到一種可變剛度阻尼的減振器，稱之為硅油彈簧減振器（以下簡稱為硅油彈簧）。

硅油懸架與典型懸架的比較

1.空氣懸架

空氣懸架由空氣彈簧、導(dǎo)向傳力結(jié)構(gòu)、減振阻尼裝置、橫向穩(wěn)定裝置、高度閥、壓氣機、儲能器及管路等組成。

其中空氣彈簧是空氣懸架的主要元件，它是利用空氣的壓縮性和膨脹性起到彈性作用，通過控制，能夠改變空氣彈簧的剛度和阻尼。剛度能夠隨著簧載質(zhì)量變化而變化?？諝鈴椈赡軌蚋鶕?jù)需要選擇不同的氣囊高度，從而獲得理想的固有頻率，達到良好平順性的目的。

雖然空氣彈簧性能優(yōu)異，但是其同樣存在一些缺點：制造工藝復(fù)雜，成本高；尺寸大，導(dǎo)致布置困難；空氣彈簧的密封困難，密封不良易導(dǎo)致漏氣將直接影響懸架的性能。

國外的高級大客車采用空氣懸架較多（如圖5），部分轎車也逐漸安裝空氣懸架，如奔馳的Benz300SE和Benz600，奧迪A6L主動式空氣后懸架。

2.油氣懸架

油氣懸架是以油液作為傳遞壓力，用惰性氣體作為彈性介質(zhì)的懸掛系統(tǒng)。油氣彈簧是油氣懸架的主要部分。

油氣彈簧主要由氣室（構(gòu)成氣體彈簧）和液力缸組成。氣室中有油氣隔膜，將氣室分開（也有無隔膜的），一側(cè)設(shè)有充氣閥，充入高壓工業(yè)氮氣；另一側(cè)與液力缸的內(nèi)腔相通，充滿工作液（減振液）。液力缸主要由缸筒、活塞及阻尼閥等組成，兩端分別與車架和車橋連接。

當(dāng)載荷增加時，液力缸活塞上移，使內(nèi)腔容積減小，迫使工作液進入氣室一側(cè)，推動油氣隔膜向另一側(cè)移動，壓縮其中的氣體，使壓力升高。此壓力的反作用力又通過工作液傳遞給活塞，使之與懸架承受的載荷相平衡。

車輛運行中，當(dāng)車架與車橋產(chǎn)生相對運動時，活塞在液力缸筒內(nèi)上下滑動，推動工作液在液力缸與氣室之間經(jīng)過阻尼閥流動使振動迅速衰減，從而起減振器的作用。

油氣懸架有結(jié)構(gòu)緊致、易于布置、單位儲能比大等諸多優(yōu)勢，但其加工復(fù)雜、維護麻煩，對油氣和各控制閥密封性要求較高。

3.裝有電流變、磁流變減振器懸架

這些懸架的變阻尼主要依靠減振器，電流變、磁流變減振器能夠通過改變電場或磁場，改變減振器內(nèi)部油液的粘性，從而改變懸架阻尼，達到阻尼控制目的。作為目前研究的熱門領(lǐng)域，較為典型的是美國Lord公司的電流變和磁流變減振器（如圖6）。雖然裝有電流變、磁流變減振器的懸架能夠方便地調(diào)節(jié)阻尼，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，到目前為止，技術(shù)尚不完全成熟。粘性，從而改變懸架阻尼，達到阻尼控制目的。作為目前研究的熱門領(lǐng)域，較為典型的是美國Lord公司的電流變和磁流變減振器（如圖6）。雖然裝有電流變、磁流變減振器的懸架能夠方便地調(diào)節(jié)阻尼，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，到目前為止，技術(shù)尚不完全成熟。

圖6 Lord公司電流變和磁流變減振器

圖7 硅油彈簧減振器三維模型圖

圖8 硅油彈簧變剛度阻尼液壓原理圖

4.硅油懸架的優(yōu)勢

以硅油彈簧為基礎(chǔ)的半主動懸架，相比于空氣彈簧、油氣彈簧，電流變液、磁流變液減振器，具有以下優(yōu)勢：

（1）該裝置僅采用硅油一種介質(zhì)，通過簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計，便能夠?qū)崿F(xiàn)變剛度阻尼的功能。因為硅油的“-Si-OSi-”鍵是高度聚合鏈狀結(jié)構(gòu)，它的易撓曲性導(dǎo)致了硅油具有較高的壓縮性，在壓力作用下最大可達到36%的壓縮率，因而相比于一般的金屬彈簧，在同等體積下，可以得到較大的彈性力，從而可以作為液體彈簧使用。

（2）相比于一般的礦物油，硅油粘溫性好，低溫下具有較好流動性，高溫下也具有相當(dāng)好的氧化穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，加之良好的剪切穩(wěn)定性、化學(xué)惰性，低的蒸汽壓和閃點，使硅油作為阻尼液，能夠應(yīng)用于寬溫度范圍。

圖9 硅油彈簧臺架試驗

硅油懸架國內(nèi)新發(fā)展

近年來，國內(nèi)少有對硅油懸架的研究。為滿足某傷員運輸車平順性與舒適性要求，我國國家應(yīng)急交通運輸工程中心的賈楠博士，借鑒國外專利技術(shù)，對硅油懸架減振器進行了設(shè)計（如圖7、8），并做了相應(yīng)的臺架試驗（如圖9），試驗表明，以硅油為介質(zhì)的懸架，通過其減振器結(jié)構(gòu)改進，增加副油缸和外部節(jié)流閥，能夠有效地實現(xiàn)變剛度阻尼的功能。相比于美國LiquidSpring公司懸架，賈博士設(shè)計的硅油懸架不僅能夠?qū)崿F(xiàn)剛度調(diào)節(jié)，還能實現(xiàn)阻尼調(diào)節(jié)。

設(shè)計的硅油彈簧變剛度阻尼原理如圖8所示。閥1為阻尼調(diào)節(jié)閥，閥2為充油回油閥，閥3為工作狀態(tài)控制閥，閥4為剛度調(diào)節(jié)閥。

根據(jù)裝置閥的位置，系統(tǒng)有不同的工作狀態(tài)：

（1）當(dāng)閥2處于下位，閥3處于上位時，系統(tǒng)充油，減振器加載。

（2）當(dāng)閥2處于上位，閥3處于中位，閥4處于左位和右位，使得系統(tǒng)初始體積增大，從而改變系統(tǒng)剛度，處于左位為中級剛度，處于右位為最小剛度。

（3）當(dāng)閥2處于上位，閥3處于下位，系統(tǒng)初始體積最小，剛度最大。

（4）當(dāng)閥2處于上位，閥3處于下位時，系統(tǒng)回油卸載。

（5）通過控制阻尼調(diào)節(jié)閥，即閥1，可以控制其開度，實現(xiàn)阻尼無級調(diào)節(jié)。

結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可使以硅油作為液體介質(zhì)的懸架實現(xiàn)變剛度阻尼功能，其作為一種新型半主動懸架，相比于其他半主動懸架，有諸多優(yōu)勢。在國外已經(jīng)開展對硅油懸架研究和應(yīng)用的情況下，目前國內(nèi)開始對硅油懸架進行研究，探索硅油懸架對專用車輛平順性與舒適性的影響，具有重要意義。

2017-08-28