淺析國(guó)外救護(hù)車(chē)新型半主動(dòng)懸架
——硅油懸架特點(diǎn)及發(fā)展

國(guó)家交通運(yùn)輸工程研究中心 彭超 賈楠 李紅勛

淺析國(guó)外救護(hù)車(chē)新型半主動(dòng)懸架
——硅油懸架特點(diǎn)及發(fā)展

國(guó)家交通運(yùn)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(dòng)懸架，具有無(wú)需動(dòng)力源、消耗功率少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。其在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展研究和應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)的研究十分匱乏,在這種情況下，分析硅油懸架特點(diǎn)及發(fā)展具有一定的借鑒意義。

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

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

對(duì)于半主動(dòng)懸架，美國(guó)進(jìn)行了大量研究。近年來(lái)，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(dòng)懸架，逐漸開(kāi)始在美國(guó)一些救護(hù)車(chē)輛上使用（如圖2）。

這種救護(hù)車(chē)上的硅油懸架采用的是美國(guó)LiquidSpring公司于2010年提出的“剛度半主動(dòng)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(chē)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(guò)節(jié)流閥等機(jī)構(gòu)控制主缸體與外部油缸的通斷，從而達(dá)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(chē)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(guó)外空氣懸架大客車(chē)

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(guó)外道康寧公司對(duì)常溫下硅油與石油基液壓油做對(duì)比，在-25℃～125℃變化的過(guò)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(shí)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(dá)36%，將硅油作為液體彈簧，相比金屬?gòu)椈?，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(dòng)懸架的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響半主動(dòng)懸架的性能，各種先進(jìn)的控制手段最終都要通過(guò)減振器實(shí)現(xiàn)預(yù)期的懸架振動(dòng)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(guò)阻尼孔結(jié)構(gòu)能夠在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生阻尼，因而利用硅油可以設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jī)、儲(chǔ)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(guò)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(dá)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(diǎn)：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(guó)外的高級(jí)大客車(chē)采用空氣懸架較多（如圖5），部分轎車(chē)也逐漸安裝空氣懸架，如奔馳的Benz300SE和Benz600，奧迪A6L主動(dòng)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(kāi)（也有無(wú)隔膜的），一側(cè)設(shè)有充氣閥，充入高壓工業(yè)氮?dú)?；另一?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(chē)架和車(chē)橋連接。

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

車(chē)輛運(yùn)行中，當(dāng)車(chē)架與車(chē)橋產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞在液力缸筒內(nèi)上下滑動(dòng)，推動(dòng)工作液在液力缸與氣室之間經(jīng)過(guò)阻尼閥流動(dòng)使振動(dòng)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(chǔ)能比大等諸多優(yōu)勢(shì)，但其加工復(fù)雜、維護(hù)麻煩，對(duì)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(guò)改變電場(chǎng)或磁場(chǎng)，改變減振器內(nèi)部油液的粘性，從而改變懸架阻尼，達(dá)到阻尼控制目的。作為目前研究的熱門(mén)領(lǐng)域，較為典型的是美國(guó)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(dá)到阻尼控制目的。作為目前研究的熱門(mén)領(lǐng)域，較為典型的是美國(guó)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(shì)

以硅油彈簧為基礎(chǔ)的半主動(dòng)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(shì)：

（1）該裝置僅采用硅油一種介質(zhì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便能夠?qū)崿F(xiàn)變剛度阻尼的功能。因?yàn)楣栌偷摹?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(dá)到36%的壓縮率，因而相比于一般的金屬?gòu)椈桑谕润w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(dòng)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(diǎn)，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(tái)架試驗(yàn)

硅油懸架?chē)?guó)內(nèi)新發(fā)展

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

設(shè)計(jì)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(shí)，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(jí)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(shí)，系統(tǒng)回油卸載。

（5）通過(guò)控制阻尼調(diào)節(jié)閥，即閥1，可以控制其開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)阻尼無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使以硅油作為液體介質(zhì)的懸架實(shí)現(xiàn)變剛度阻尼功能，其作為一種新型半主動(dòng)懸架，相比于其他半主動(dòng)懸架，有諸多優(yōu)勢(shì)。在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展對(duì)硅油懸架研究和應(yīng)用的情況下，目前國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)硅油懸架進(jìn)行研究，探索硅油懸架對(duì)專用車(chē)輛平順性與舒適性的影響，具有重要意義。

2017-08-28