1.国外研究现状

国外学者在对油气弹簧系统进行开发的过程中，对其结构型式及性能进行了大量的理论分析和试验研究，取得了很多成果。目前已经发展到主动悬架的初步应用阶段，开发了一些采用主动油气弹簧控制的产品，应用范围也大为拓宽。当前对油气弹簧的研究主要集中在以下几个方面：

（1）建立新型合理的油气弹簧的数学模型 主要的研究思路是把具有非线性特性的弹性元件（如悬架油缸）和对非线性的影响因素（如油液、高压空气的压缩膨胀、非线性阻尼、刚度特性）纳入到数学模型中，使得理论悬架系统符合实际，成为非线性系统。

目前建立数学模型的方式可以分为参数化和非参数化。由于参数化建模方法建立的模型能比较精确地描述其内部工作状态，每个参数都有明确的物理意义，适合于油气弹簧液压缸自身特性的研究，故参数化的设计方式较非参数化设计具有一定的优势。20世纪90年代开始，Kwangjin Lee和Concordia大学的研究人员先后建立了单筒单气室油气弹簧缸的参数化计算模型和油气弹簧缸的非线性模型，采用基于能量的频率相关等效线性化技术，建立了油气弹簧缸的等效线性参数化模型，利用参数化分析技术确定了影响油气弹簧系统性能的主要因素，并通过参数的优化设计来改进系统的性能。MDI公司开发的专业机械动力学软件AD⁃AMS，为非线性和参数化设计提供了一个很好的平台，使数学模型的建立更加方便和可靠。

但是由于非线性系统结构十分复杂，各种分析方法和识别方法有各自的特点和局限性，国外学者建议把参数化和非参数化建模方法结合起来对油气弹簧液压缸进行准参数化建模研究，如可以用实测的阀孔孔口压差流量关系来描述油气弹簧液压缸内部孔口出流系数，而其他部分是基于有关物理定律建立的参数化模型，这样就大大简化了建模的复杂性，减少了非线性模型计算的误差。

（2）新型结构形式的油气弹簧的开发和主动控制策略的研究 新型结构形式的油气弹簧的开发，主要是对半主动和主动油气弹簧的开发应用。利用油气弹簧的阻尼相对刚度易调的优势，调节阻尼实现悬架的半主动控制和主动控制。图11⁃1所示为半主动控制的原理图，控制单元对各类传感器采集来的信号进行处理，再通过调节阻尼阀口大小，改变油缸和蓄能器之间的阻尼力，实现悬架输出力半主动控制。主动悬架则需要另加动力元件如液压油泵等，油液通过伺服阀再进入液压缸，实时控制悬架输出力。

图11⁃1 半主动控制原理图

在主动控制策略研究方面，主要有最优控制理论方法、自适应控制方法、基于神经网络的控制方法和模糊控制方法等。但是基于这些控制策略而设计的主动悬架，普遍成本高，可靠性差，目前仅用于高档轿车、赛车及重要的载重车辆上。因此，当前的研究重点是如何降低成本，减少能量消耗和附加重量，设计成本合理的元件和控制系统，从而提高安全性及可靠性。

2.国内研究现状

国内研究人员从20世纪80年代开始对油气弹簧进行关注。20世纪90年代我国一些企业引进了具有油气弹簧系统的工程车辆，此后形成了油气弹簧技术研究的高潮，国内一些高校亦开始研究油气弹簧技术。例如，北京理工大学和山东理工大学一直对油气弹簧系统进行理论分析、设计和性能试验方面的研究工作。国内基于油气弹簧的研究主要集中在以下几个方面：

（1）油气弹簧设计基本理论的研究 目前，山东理工大学对制约油气弹簧设计的关键基本理论进行了研究。

1）对油气弹簧最佳阻尼匹配的研究。根据车辆的类型、车辆参数和油气弹簧杠杆比，对油气弹簧最佳阻尼匹配及油气弹簧阻尼特性进行了研究，建立了基于车辆参数的油气弹簧最佳阻尼匹配数学模型。

2）对油气弹簧储能器的初始充气压力及压力随油气弹簧位置或速度的变化规律进行探讨，建立了根据车辆最大载荷确定油气弹簧储能器初始充气压力数学模型，给出了油气弹簧储能器压力随油气弹簧位置或速度变化的变化规律。

3）对油气弹簧节流阀片变形和应力进行了研究，建立了油气弹簧节流阀片在均布压力或非均布压力下的变形和应力解析计算式，为油气弹簧节流阀片厚度设计奠定了理论基础。

4）对油气弹簧多片节流阀片叠加等效厚度进行了分析，建立了油气弹簧多片节流阀片等效厚度解析计算公式。

5）对油气弹簧原单片节流阀片厚度如何等效拆分为多片叠加节流阀片进行了研究，建立了原单片节流阀片等效拆分为多片叠加阀片的设计原则和方法。

6）对油气弹簧节流阀片环形节流缝隙随油气弹簧速度的变化进行分析，建立了油气弹簧环形节流缝隙随速度变化数学模型。(www.daowen.com)

7）对油气弹簧油液非线性节流损失进行了分析，建立了油气弹簧油液非线性节流损失解析计算数学模型。

（2）油气弹簧阀系参数解析优化设计及CAD软件开发研究 油气弹簧的特性主要是由油气弹簧的节流阀参数所决定的，即油气弹簧节流阀参数决定和影响油气弹簧的非线性阻尼特性，影响车辆的减振效果。目前，山东理工大学利用所建立的油气弹簧设计基本理论，根据油气弹簧所要求的最佳阻尼特性，利用油气弹簧开阀速度点以及油气弹簧速度、液压油液流量、节流压力和阀片变形之间关系，建立了油气弹簧节流阀参数设计数学模型和黄金分割优化设计方法，实现了油气弹簧节流阀参数解析设计。在此基础上，根据所建立油气弹簧节流阀参数设计数学模型和黄金分割优化设计方法，利用AutoCAD开发系统平台和VC++编程工具软件，开发了油气弹簧节流阀参数CAD软件，实现了油气弹簧现代化CAD设计。

（3）油气弹簧特性仿真建模及仿真软件开发研究 国内学者对这方面研究得最多，主要是油气弹簧的刚度和阻尼的非线性特性的仿真建模定性分析及对整车行驶平顺性能的评价指标分析。主要的软件工具是MATLAB中的SIMULINK模块，如设计平衡悬架来达到整车刚度可变，实现改善车身倾侧性能。但是多数研究缺乏对悬架系统特性的定性和定量的分析，并缺乏试验对模型进行修正。山东理工大学已经对油气弹簧特性仿真建模及仿真软件开发进行了研究，根据油气弹簧节流阀片厚度、节流阀的阀口高度，利用油气弹簧的运动速度、油液流量、节流压力和阀片变形之间关系，以及油气弹簧储能器压力与位移和速度之间的关系，建立了油气弹簧开发速度点，建立了油气弹簧节流缝隙与速度之间的关系方程，建立了油气弹簧阻力特性分段函数数学模型，并利用VC++编程工具软件，开发了油气弹簧特性仿真软件。

（4）特定车型的油气弹簧系统的仿真及特性分析 国内部分高校也开始采用ADAMS软件建立参数化油气弹簧机械模型，并将液压系统纳入模型，通过有限元分析软件建立油气弹簧的柔性力学模型和振动模型，进行了一些静力学和动力学分析，同时对悬架结构进行了初步的优化设计，但应用较少，还处于研究阶段。

（5）新型结构形式油气弹簧的开发与研究 该项研究目前多集中于科研院所。图11⁃2所示是某种车用可控刚度油气弹簧设计模型。它采用了主、副两个储气室，副储气室的预充气压力高于主储气室且高于静平衡位置时的油气弹簧工作压力，ECU通过传感器采集油气弹簧工作压力等信号，根据车辆行驶状态的判断来确定开关阀打开与否，控制悬架的刚度随着车身状态而相应改变，同时控制悬架输出力。

目前，国内的油气弹簧技术在产品上的应用种类还比较少，主要集中在少数工程特种车辆上。产品性能（如可靠性、可操作性、行驶平顺性等）和国外同类型产品相比，还存在较大的差距。而且采用半主动、主动控制的产品较少，目前只出现于重型越野车上。

图11⁃2 某种车用可控刚度油气弹簧设计模型

（6）基于特性试验的油气弹簧阀系参数反求工程的研究 利用油气弹簧试验所测得的油气弹簧阻力特性试验数据，即所测得的油气弹簧阻力、位移试验数据，根据油气弹簧液压油缸的直径和活塞杆直径，通过对试验数据的分析和处理，得到油气弹簧的开阀速度点和油气弹簧的初始充气压力。在此基础上，利用油气弹簧的位移与气室压力、速度、油液流量、节流缝隙、节流阀片变形、节流压力以及油气弹簧阻力之间关系，反求得到油气弹簧节流阀片参数，即油气弹簧的阀片厚度和环形节流阀缝隙大小。

（7）国内亟待解决的问题 对比国内外的发展现状可以看出，国外处于应用阶段，国内还处于理论研究阶段，差距明显，需在以下方面努力：

1）系统性、基础性研究。这需要研究、设计、生产单位增加开发费用，引进和设计试验设备。高校可以借用企业的试验台进行参数研究，既要进行油气弹簧理论、仿真方面的研究，又要重视油气弹簧具体结构设计方面的研究，开发独立自主的油气弹簧产品。

2）加强结构设计和优化设计方面的研究，如刚度特性、阻尼特性、频率特性的定性定量说明，悬架减振效果的定性定量说明等。

3）油气弹簧的优化设计。不单纯是油气弹簧参数的优化，还应该包括不同的油气弹簧结构性能差异的对比以及对车辆各种性能的影响，并在设计油气弹簧时将优化结果纳入其中，从而大幅度提高车辆性能。

4）制定通用的研究设计规则。随着油气弹簧系统性、基础性研究的加强，理论研究和实际设计的结合以及优化研究的不断深入，需要建立一套通用的油气弹簧的研究设计规则，使油气弹簧的研究设计逐渐规范化、系列化。

5）通过对整车、多桥油气弹簧系统虚拟样机的研制，实现参数化、可视化设计，并开发专门的油气弹簧的计算机仿真软件。

6）从被动悬架技术向半主动悬架、主动悬架技术发展，其中微处理器的应用是一个必然的选择，采用电脑控制，最终形成主动自适应智能控制系统。

油气弹簧系统是一种新型悬架系统，而现代机械制造技术为油气弹簧系统在车辆底盘中的使用提供了技术保证。随着国内生产建设需求的增大，油气弹簧系统在车辆上的应用前景非常广阔。