CN102935793A - 中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，包括：中桥、后桥、车架、平衡轴、平衡摆臂、上拉杆、下拉杆、油气悬缸；平衡轴横穿出车架两侧大梁，固定安装在车架上。两个平衡摆臂分别安装在车架两侧伸出的平衡轴上。每个平衡摆臂可绕平衡轴各自转动。中桥、后桥分别布置在车架平衡轴下方偏前、偏后位置上，与车架间分别通过上拉杆、下拉杆连接，组成空间“八”字悬架杆系结构。每侧平衡摆臂的前/后铰点分别通过一根油气悬缸与中/后桥连接。空间“八”字悬架杆系结构，确定中桥、后桥与车架之间的运动关系、位置约束和力的传递。四根油气悬缸，确定中桥、后桥与车架之间的垂向力学关系。

Description

中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构

技术领域

本发明涉及一种底盘结构，具体地是公开一种中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构。

背景技术

公路重卡是典型的公路载重运输车辆，通常采用6X4钢板弹簧悬架(简称板簧悬架)底盘结构。其产品的技术成熟度、生产的专业化程度，市场销售量、保有量，均达到较高水平，在公路运输中有着非常广泛的应用。

借助于产量、配件和价格的优势，公路重卡在矿山、工地等非公路环境中，也有着大量的使用。由于受原始底盘宽度的限制，公路重卡通常是采取加高货箱的方式，来满足矿山工地更大运输量的需求。但由于矿山工地恶劣的道路条件，使得公路重卡运行的稳定性和安全性成为一个无法回避的矛盾，制约了车辆的进一步应用和发展。

图1所示，为公路重卡常用的中/后桥钢板弹簧悬架结构。为弥补板簧弹性的不足，少数高端产品在钢板弹簧下面又布置了橡胶弹簧。

近几年，公路重卡经过进一步演化变形，又派生出了一种新的产品——宽体矿车。这种车型对底盘尺寸及结构进行了加宽、加强。包括车架的宽度、结构尺寸及强度，前/中/后桥的轮距、数比及强度，板簧的尺寸及数量等都进行了大幅增加及提升。宽体矿车比之前的公路重卡，已经彻底脱离了道路车辆宽度及轴荷等国家标准的规定，整车的承载量及稳定性大幅增加，进而发展成为一种完全应用于矿山市场的土方运输设备。

但是，同公路重卡一样，宽体矿车仍然是采用6X4钢板弹簧悬架结构。板簧悬架是基于公路道路条件下的典型技术架构，对矿山/工地等非公路路面的适应能力很差。

对公路重卡而言，其板簧悬架技术体系所基于的路面条件、车型外廓尺寸、轴荷及质量限值，都有着国家标准的严格规定。因此，在公路运输条件下，板簧的数量以及整体变形能力，都能够满足承载以及路面坡度、不平度的要求。但进入矿山/工地等非公路环境后，一方面，载重量的增加导致板簧数量的进一步增加，而板簧数量的增加又进一步降低了悬架的变形范围和对路面的补偿能力。另一方面，矿山/工地的路面条件，又要求车辆悬架系统，能够提供比公路路面条件下更大的变形范围和补偿能力。这是一对无法解决的矛盾。

目前，宽体矿车的载重量已经达到公路重卡载重量的两倍以上，且板簧数量也同比翻倍。板簧整体的可变形量以及对地面的补偿能力大幅下降，而矿山/工地的道路条件要大大超出公路道路标准，承载与减震的矛盾就更加突出。由于载重的显著提升，悬架系统内整体弹性的不足，以及自身容量的限制，原来与板簧配套使用的液压减震器也无法在系统中应用。整个宽体矿车的板簧悬架系统完全呈现出一种大刚性、无阻尼的不良状态。宽体矿车在矿山工地的整个运行环境中，冲击振动非常剧烈，部件极易受损，故障率高。整车寿命平均2年，最长不超过3年。

图2所示，为宽体矿车采用的中/后桥钢板弹簧悬架结构。从图中可见板簧数量大幅增加。为弥补板簧弹性的不足，有些车型方案在板簧下面也布置了橡胶弹簧，但带来的问题较多，实际很少采用。

从现有状态上看，宽体矿车所采用的板簧技术架构，已经超出了其技术体系的上限。这对于载重量的进一步提升、产品的系列化，降低故障率、提高车辆出勤率及整车使用寿命，成为一个致命性障碍。

另外，无论是公路重卡还是宽体矿车，采用多片板簧结构的悬架，其压缩与回弹的力学特性有着明显的差别。图4所示，为板簧与轮胎构成的力学模型。其中，M为簧载质量，m为非簧载质量，K为钢板弹簧。板簧压在桥的上面，对桥只提供压力，不提供拉力。图6所示，为中/后桥板簧悬架构成的力学模型。其中弹性元件由一组长短不同的多片钢板弹簧构成，逐级压在桥的上面。悬架理论工作范围处于钢板的压缩范围之内。随着压缩量的增加，上部稍短的板簧逐步开始变形受力，系统呈现出近似的变刚度特性。当车辆设计载重不太大、板簧片数少(主要是长钢板弹簧)或运行在良好路面上时，悬架的振跳范围可以完全控制在板簧的压缩范围内，系统可以确保车辆正常工作。当车辆设计载重加大、板簧数量增加或运行在不良路面时，悬架的振跳范围可能会超出板簧的设计压缩范围。这时会出现：在回弹过程中多片板簧逐个丧失对桥的作用力，直至悬架系统完全丧失弹性——形成被抛空的状态。这对车辆的主要部件会造成严重损坏，并影响车辆的行车安全。

这就是传统的板簧悬架结构比较适用于公路体系路面条件，承载不太大、板簧片数不太多、良好路面(小变形路况)的原因。对于矿山工地等非公路环境，车辆载荷大、板簧片数多、路面条件差，板簧的可供变形范围减小，而悬架的振挑范围显著增加，板簧的这一结构性缺陷就非常明显了。通过增加板簧数量来增加板簧悬架车辆载重量是有一定限度的。板簧悬架并不是一种全路面悬架。

油气悬缸是4X2经典矿车，乃至电动轮矿车核心的悬架部件，技术先进。其内部包含有氮气、液压油和典型的液压结构，并将系统所需的弹性和阻尼结构/功能合二为一，具有承载能力大，以及良好的变刚度/变阻尼特性。油气悬缸的单位储能比为板簧的3500倍。但油气悬缸的结构、算法和应用有一套完整、复杂的体系，对目前钢板弹簧技术体系的厂家有很高的技术壁垒。如图5所示，为油气悬缸与轮胎构成的力学模型。其中，M为簧载质量，m为非簧载质量，K为油气悬缸氮气弹性系数，C为油气悬缸液压阻尼系数。油气悬缸通过内部弹性K和阻尼C的综合作用和叠加，形成以位移及速度为变量的非线性函数，对外部提供拉、压两个方向的作用力。因而，油气悬缸将整个悬架构成一个完整的系统。无论是力学特性、承载能力还是对路面的应用范围和适应能力，都具有显著的提升。

尽管经典矿车及电动轮矿车采用油气悬缸，但其底盘均采用4X2单驱动后桥，A型架+横向稳定拉杆悬架结构，如图8所示。与6X4车型相比，4X2车型附着面积、爬坡能力、牵引能力、越野能力、通过能力相对较弱。而且与带平衡悬架的6X4双桥悬架相比，来自单后桥的冲击、振动幅度要大而集中。经典矿车4X2底盘结构制动器数量少，存在制动能力不足、摩擦片使用周期短等问题。另外，经典矿车的重量利用系数较低，一般为1.0～1.3。

经典矿车通常采用小批量生产方式，整车及零部件价格昂贵，市场销量和保有量都很低。整车及主要零部件价格与批量化、专业化生产的6X4车型相比均高出一倍以上。单就一根后桥的价格，是同等吨位的6X4车型的前/中/后三根桥价格总和的2倍以上。因此，4X2经典矿车由于批量、成本、价格的问题大大制约了其产品的应用和发展。

发明内容

本发明提出了一种中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，在于构建一种全新的底盘悬架结构，扩大车辆对不良路面(尤其是非公路环境)的适用范围，显著增加底盘的承载容量，克服和消除现有技术架构(6X4钢板弹簧悬架、4X2油气悬架)中的结构/技术缺陷，对技术性、经济性进行全面提升。

图3所示，为本发明所示的中/后桥油气悬缸平衡悬架结构示意图。

按照驾驶员的乘坐方向，定义车辆的前后方向，并以此方向描述零件的位置。根据图3，底盘的方向为：左前，右后。

本发明是采用如下方案来实现上述目的：一种中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，包括：中桥、后桥、车架、平衡轴、平衡摆臂、上拉杆、下拉杆、油气悬缸；平衡轴横穿出两侧大梁固定安装在车架上；中桥、后桥分别布置在车架平衡轴下方的偏前、偏后位置上；中桥、后桥与车架分别通过上拉杆、下拉杆连接，组成空间“八”字悬架杆系结构；两个平衡摆臂分别安装在车架两侧伸出的平衡轴上；每个平衡摆臂可绕平衡轴单独转动；每侧平衡摆臂的前铰点通过一根油气悬缸与中桥连接。每侧平衡摆臂的后铰点通过一根油气悬缸与后桥连接。空间“八”字悬架杆系结构，确定中桥、后桥与车架之间的运动关系，承担悬架横向及纵向的位置约束和力的传递。四根油气悬缸，确定中桥、后桥与车架之间的垂向力学关系，体现整个悬架的力学特性。

图7所示，为本发明所示的中/后桥油气悬缸平衡悬架力学模型示意图。

平衡摆臂以及空间“八”字悬架杆系结构组成平衡悬架结构。它的作用是保证车架两侧的中/后桥车轮对地面具有良好的附着和驱动能力。同时，平衡摆臂还可以把来至地面的单次全幅冲击通过中/后桥及对应的悬缸分解成两次半幅冲击，大大降低了路面对车架及中后桥的冲击力。这一点对于4X2悬架结构具有明显的优势。

图8所示，为4X2单后桥油气悬架结构示意图。

图5所示，也是4X2单后桥油气悬架力学模型。

图9、图11所示，分别为4X2单后桥油气悬架车辆簧载质量M载荷示意图和振跳示意图。图中的背景情况是：一满载(35t)4X2车辆，以32Km/h车速，越过一直径100mm柱状障碍物。从图9中可以看出：后桥一侧油气悬缸对簧载质量M的作用力M_Fkc峰值达到520000N。从图11中可以看出：簧载质量M的最大振跳高度接近0.050m。

图10、图12所示，分别为本发明所示的6X4中/后桥油气悬缸平衡悬架车辆簧载质量M载荷示意图和振跳示意图。图中的背景情况是：一满载(35t)6X4车辆，以32Km/h车速，越过一直径100mm柱状障碍物。从图10中可以看出：中/后桥一侧平衡摆臂对平衡轴以上簧载质量的作用力M_Fkc变为两个峰值，第一个峰值为395000N，第二个峰值为352000N。从图12中可以看出：簧载质量M的最大振跳高度也变为两个峰值，第一个峰值为0.022m，第二个峰值为0.027m。

从以上数据可以看出，对于某一特定的路面冲击，4X2单后桥油气悬架结构对簧载质量M的冲击力以及簧载质量M的振跳范围，峰值高、幅度大。而本发明——中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构组成的6X4车辆，其簧载质量的振跳范围及峰值明显缩小，受力情况明显改善，缓冲、减振效果非常显著。

另外，本发明——中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，与传统钢板弹簧悬架相比，油气悬缸高效集成了弹性和阻尼两方面的结构和特性，对外可提供拉、压两个方向的作用力，构成的力学模型科学、完整，属于全路面技术架构。系统具有突出的承载能力，以及非线性刚度及非线性阻尼的良好特性，可为车辆提供良好的力学性能，尤其是对于具有空/满载使用工况的载重运输车辆效果尤为显著。油气悬缸的单位储能比为钢板弹簧的3500倍，这不但有利于减轻悬架的质量和结构尺寸，还为产品的系列化发展及技术性能的提升提供了广阔的应用空间。

附图说明

图1公路重卡_中/后桥钢板弹簧悬架结构示意图

图2宽体矿车_中/后桥钢板弹簧悬架结构示意图

图3本发明_中/后桥油气悬缸平衡悬架结构示意图

图4板簧与轮胎构成的力学模型示意图

图5油气悬缸与轮胎构成的力学模型示意图

图6中/后桥板簧悬架构成的力学模型示意图

图7本发明_中/后桥油气悬缸平衡悬架力学模型示意图

图84X2单后桥油气悬架结构示意图

图94X2单后桥油气悬架簧载质量M载荷示意图

图106X4中/后桥油气悬缸平衡悬架簧载质量M载荷示意图

图114X2单后桥油气悬架簧载质量M振跳示意图

图126X4中/后桥油气悬缸平衡悬架簧载质量M振跳示意图

具体实施方式

按照驾驶员的乘坐方向，定义车辆的前后方向，并以此方向描述零件的位置。根据图3，底盘的方向为：左前，右后。

根据图3，本发明包括：中桥1、后桥2、车架3、平衡轴4、平衡摆臂5、上拉杆6、下拉杆7、油气悬缸8；

所述平衡轴4横穿出车架3大梁两侧固定安装在车架3上；所述中桥1、后桥2分别布置在车架3的平衡轴4下方的偏前、偏后位置上。所述中桥1、后桥2与车架3分别通过两个上拉杆6、两个下拉杆7连接，组成空间“八”字悬架杆系结构。所述平衡摆臂5上设置前/中/后三个铰点。所述两个平衡摆臂5以中铰点分别安装在车架3两侧伸出的平衡轴4上。所述两个平衡摆臂5可分别绕车架3两侧的平衡轴4各自转动。每侧平衡摆臂5的前铰点通过一根油气悬缸8与中桥1连接。每侧平衡摆臂5的后铰点通过一根油气悬缸8与后桥2连接。

四个上拉杆6及四个下拉杆7，组成空间“八”字悬架杆系结构，确定中桥1、后桥2与车架3之间的运动关系，承担悬架横向及纵向位置约束和力的传递。四根油气悬缸8，确定中桥1、后桥2与车架3之间的垂向力学关系，体现整个悬架的力学特性。

平衡摆臂5以及空间“八”字悬架杆系结构组成平衡悬架结构。

参见图3、图7，当遇到路面上高度为h障碍物，中桥1跃上障碍物的过程中，中桥1上的轮胎进一步压缩，中桥1上安装的油气悬缸8进一步压缩，并压迫平衡摆臂5产生摆动(平动+转动)，迫使后桥2上安装的油气悬缸8进一步压缩，导致后桥2上的轮胎进一步压缩。中桥1跃过障碍物后，各种变形逐步释放。随后，后桥2跃过障碍物重复中桥1的过程，平衡摆臂5产生二次摆动。

平衡摆臂5的平动，通过平衡轴4，将来至地面的冲击，部分传递给车架3以及货厢等簧载质量部分。

平衡摆臂5的转动，通过平衡摆臂5两端的油气悬缸8及中桥1/后桥2上轮胎，在系统内部消化吸收。

由于平衡摆臂5的两次摆动，对于整车簧载质量来说，相当于将来至地面高度为h的单个障碍物分解为两个高度为h/2的障碍物。参见图9、图10、图11、图12。因此，路面对车辆影响的幅度、力度均显著下降。这就是本发明结构优于传统4X2结构的原因。

本发明——中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，结构和力学模型有别于原有的中/后桥钢板弹簧悬架结构及4X2单后桥油气悬架结构。而且本发明的结构和力学模型科学、准确、完整，系统承载容量大，可提供各种车辆所需的行程、弹性系数和阻尼系数，适应于各种路面、各种载荷，尤其是不良路面环境的高承载运输，为一种全路面技术架构。本发明的结构和力学模型的优势使车辆的缓冲、减震性能得到了极大的提升。

Claims (4)

1.一种中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，包括：中桥、后桥、车架、平衡轴、平衡摆臂、上拉杆、下拉杆、油气悬缸；其特征在于平衡摆臂和油气悬缸。

2.根据权利要求1所述的中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，其特征在于，所述平衡轴横穿出车架大梁两侧固定安装在车架上；所述平衡摆臂分别安装在车架两侧的平衡轴悬臂端上，可绕平衡轴各自转动。

3.根据权利要求1所述的中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，其特征在于，所述油气悬缸分别将车架两侧安装的平衡摆臂的前/后铰点与中桥/后桥连接起来，承担弹性元件和阻尼元件的作用。

4.根据权利要求1所述的中/后桥油气悬缸平衡悬架底盘结构，其特征在于，所述上拉杆/下拉杆分别将车架和中桥/后桥连接起来，组成空间“八”字悬架杆系结构。 

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