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CN110203028A - 一种具备防侧倾功能的油气悬架系统及其控制方法 - Google Patents

一种具备防侧倾功能的油气悬架系统及其控制方法 Download PDF

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CN110203028A
CN110203028A CN201910652275.6A CN201910652275A CN110203028A CN 110203028 A CN110203028 A CN 110203028A CN 201910652275 A CN201910652275 A CN 201910652275A CN 110203028 A CN110203028 A CN 110203028A
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suspension
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张骁
田端洋
张志阳
任思佳
靳博豪
郭垠锴
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Jilin University
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Abstract

本发明公开了一种具备防侧倾功能的油气悬架系统，包括：悬架，以及车架，其设置在悬架上方；第一油气弹簧，其一端固连悬架的前端，第一油气弹簧包括第一活塞杆，第一活塞杆一端固连车架的一侧，另一端将第一油气弹簧分为第一上腔和第一下腔；第二油气弹簧，其与第一油气弹簧对称设置，一端固连悬架的前端，第二油气弹簧包括第二活塞杆，第二活塞杆一端固连车架的另一侧，另一端将第二油气弹簧分为第二上腔和第二下腔；第三油气弹簧，其一端固连悬架的后端，第三油气弹簧包括第三活塞杆，第三活塞杆一端固连所述车架，与第一活塞杆同侧设置；第四油气弹簧，其与第三油气弹簧对称设置，其一端固连悬架的后端，第四油气弹簧包括第四活塞杆。

Description

一种具备防侧倾功能的油气悬架系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车行驶领域，尤其涉及一种具备防侧倾功能的油气悬架系统及其控制方法。
背景技术
随着汽车工业的发展，车辆也逐渐应用于更多的领域，人们对于车辆的要求也越来越高，车辆悬架系统作为汽车的重要组成，对车辆的乘坐舒适性和行驶安全性起着至关重要的作用，油气悬架作为一种特殊的悬架形式，利用气压和液压控制技术改变和调节悬架的刚度以及阻尼特性，进行合理的参数设置后，油气悬架系统可以实现在载荷变化时保证车辆的固有频率基本保持不变；可以利用电液控制技术改变悬架的阻尼特性，使不同载荷工况下的悬架阻尼处于最优，改善汽车平顺性；可以通过液压控制技术，控制油气缸的伸缩，改变车辆的高度提高车辆的越野性能；通过液压控制系统控制油气缸的伸缩，可以实现对车身姿态的调整；油气悬架具有良好的非线性阻尼特性，结构简单，性能可靠等性能优势，近年来有更多的厂家关注并应用该类型的悬架。
目前已经一些载重车辆、工程车辆及一些军用车辆已经装备了油气悬架系统，但是对于油气悬架系统在车辆防侧倾等方面的研究不足，没有明确的解决方案，本专利很好的解决了该问题。
发明内容
本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种具备防侧倾功能的油气悬架系统，通过油气悬架液压管路的调整实现驻车和行驶过程中保持车身高度不变。
本发明还可以对前桥高度和后桥高度单独进行高度调节，使得车辆能够自动调平车身，提高车辆的通过性和越野性。
本发明还提供了一种具备防侧倾功能的油气悬架系统的控制方法，能够根据前后桥的高度差来调节油气弹簧的进油量，使前后桥高度平稳达到一致。
本发明提供的技术方案为：一种具备防侧倾功能的油气悬架系统，包括：
悬架，以及
车架，其设置在所述悬架上方；
第一油气弹簧，其一端固连所述悬架的前端，所述第一油气弹簧包括第一活塞杆，所述第一活塞杆一端固连所述车架的一侧，另一端将所述第一油气弹簧分为第一上腔和第一下腔；
第二油气弹簧，其与所述第一油气弹簧对称设置，一端固连所述悬架的前端，所述第二油气弹簧包括第二活塞杆，所述第二活塞杆一端固连所述车架的另一侧，另一端将所述第二油气弹簧分为第二上腔和第二下腔；
第三油气弹簧，其一端固连所述悬架的后端，所述第三油气弹簧包括第三活塞杆，所述第三活塞杆一端固连所述车架，与所述第一活塞杆同侧设置；
第四油气弹簧，其与所述第三油气弹簧对称设置，其一端固连所述悬架的后端，所述第四油气弹簧包括第四活塞杆，与所述第二活塞杆同侧设置；
第一管道，其两端分别连通所述第一上腔和所述第二下腔；
第二管道，其两端分别连通所述第二上腔和所述第一下腔；
第三管道，其两端分别连通所述第三油气弹簧和所述第四油气弹簧；
第一前桥液压控制阀，其连通所述第二管道；
第二前桥液压控制阀，其分别连通所述第一管道和所述第一前桥液压控制阀；
后桥液压控制阀，其连通第三管道；
油箱，其出油口分别连通所述第一前桥液压控制阀、所述第二前桥液压控制阀和所述后桥液压控制阀；
液压泵，其进油口分别连通所述第一前桥液压控制阀、所述第二前桥液压控制阀和所述后桥液压控制阀；
控制器，其分别连接并控制所述第一前桥液压控制阀、所述第二前桥液压控制阀和所述后桥液压控制阀。
优选的是，还包括：
第一液控单向阀，其设置在所述第二管道和所述第一前桥液压控制阀之间；
第二液控单向阀，其设置在所述第一管道和所述第二前桥液压控制阀之间；
第三液控单向阀，其设置在所述第三管道和所述后桥液压控制阀之间。
优选的是，还包括：
增减压控制阀，其设置在所述液压泵的进油口处。
优选的是，
所述第一前桥液压控制阀、所述第二前桥液压控制阀和所述后桥液压控制阀均为三位四通电磁换向阀。
优选的是，还包括：
悬架连接板，其设置在所述悬架上；
四个车身高度传感器，其分别设置在车体四个角处，其一端连接所述车架，另一端连接所述悬架连接板。
优选的是，还包括：
所述增减压控制阀为二位三通电磁换向阀，其一端与所述油箱的出油口、所述液压泵的进油口连通，另一端连通所述液压控制阀。
优选的是，还包括：
溢流阀，其一端连通所述油箱的出油口，另一端连通所述增减压控制阀，且与所述液压控制阀连通。
优选的是，
所述车架包括两个纵梁和两个横梁；
其中，所述横梁与所述纵梁垂直设置；
所述油气弹簧与所述纵梁固连。
一种具备防侧倾功能的油气悬架系统的控制方法，包括：
当车身高度传感器检测到前后桥的高度不一致时，调节低高度车桥对应处的液压控制阀和对应的油气弹簧进油流量满足：
其中，λ1为第一校正系数，h为目标高度，Δh为前后桥的高度差的绝对值，v为调整时的车速，V为油气弹簧的容积，a为对应的油气弹簧内的油液高度，S为车架与车桥的距离，Q0为液压泵的额定出油流量。
本发明所述的有益效果：本发明通过安装一种具备防侧倾功能的油气悬架系统，可以实现对车辆的侧倾工况进行自主调节，通过油气悬架液压管路的自动调整，使安装于四个车轮上方的四个油气弹簧的伸长高度相等,实现驻车和行驶过程中，特别是转向等车辆发生较大轴荷转移工况下保持车身高度不变，保证车辆在这种工况下不发生车身倾斜，提高车辆在转向、制动等工况的操纵稳定性；同时前桥高度和后桥高度可以单独进行高度调节，系统具有自动调平车身、提高车辆的通过性和越野性、根据用途实现某些特定的动作的能力。本发明还提供了一种具备防侧倾功能的油气悬架系统的控制方法，能够根据前后桥的高度差来调节对应油气弹簧的进油量(即调节液压泵的泵出油量)，使前后桥高度平稳达到一致。
附图说明
图1为本发明的所述具备防侧倾功能的油气悬架系统总体布置图。
图2为本发明的所述油气弹簧及所述车身高度传感器在车架上安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-2所示，本发明的一种具备防侧倾功能的油气悬架系统，包括：悬架，以及车架110设置在悬架的上方，包括两个纵梁111和两个横梁112，纵梁111和横梁112垂直设置。在悬架上设置有悬架连接板114，车身高度传感器113安装于车架110与悬架连接板114之间，并且设置有四个车身高度传感器，分别设置在车架的四个角处，分别测量前后桥的高度。油气弹簧上端连接在车架110上，下端通过销轴115与悬架连接板114相连。同样，油气弹簧也设置有4个，对称分布在纵梁前后。
如图1所示，油气弹簧包括第一油气弹簧120，其一端固连所述悬架的前端，所述第一油气弹120包括第一活塞杆123，所述第一活塞杆123一端固连所述车架110的一侧(左侧纵梁111的前端)，另一端将所述第一油气弹簧120分为第一上腔121和第一下腔122。
第二油气弹簧130与所述第一油气弹簧120对称设置，一端固连所述悬架的前端，所述第二油气弹簧130包括第二活塞杆133，所述第二活塞杆133的一端固连所述车架的另一侧(右侧纵梁111的前端)，另一端将所述第二油气弹簧130分为第二上腔131和第二下腔132。
第三油气弹簧140一端固连所述悬架的后端，所述第三油气弹簧140包括第三活塞杆143，所述第三活塞杆143一端固连所述车架(左侧纵梁111的后端)，与所述第一活塞杆123同侧设置，所述第三活塞杆143将第三油气弹簧140分为第三上腔142和第三下腔141。
第四油气弹簧150与所述第三油气弹簧140对称设置，其一端固连所述悬架的后端，所述第四油气弹簧150包括第四活塞杆153，与所述第二活塞杆133同侧设置，所述第四活塞杆153将第四油气弹簧150分为第四上腔152和第四下腔151。
第一管道191两端分别连通所述第一上腔121和所述第二下腔132；第二管道192两端分别连通所述第二上腔131和所述第一下腔122；第三管道193两端分别连通所述第三油气弹簧140(第三下腔141)和所述第四油气弹簧150(第四下腔151)。第一前桥液压控制阀164连通所述第二管道192；第二前桥液压控制阀165分别连通所述第一管道191和所述第一前桥液压控制阀164；后桥液压控制阀166连通第三管道193；
油箱171出油口(T口)分别连通所述第一前桥液压控制阀164、所述第二前桥液压控制阀165和所述后桥液压控制阀166；液压泵172进油口(P口)分别连通所述第一前桥液压控制阀164、所述第二前桥液压控制阀165和所述后桥液压控制阀166；控制器180分别连接并控制所述第一前桥液压控制阀164、所述第二前桥液压控制阀165和所述后桥液压控制阀166。
第一液控单向阀161设置在所述第二管道192和所述第一前桥液压控制阀164之间；第二液控单向阀162设置在所述第一管道191和所述第二前桥液压控制阀165之间；第三液控单向阀166设置在所述第三管道193和所述后桥液压控制阀166之间。液控单向阀是一种具有一个控制端口，用于控制油液单向流动的阀体，当控制口不通高压油液时此液控单向阀只能单向流通油液反向则截至，而当控制端口接通高压油液时液控单向阀相当于一段管路连接，液控单向阀正反向均可以导通。
增减压控制阀167设置在所述液压泵172的进油口处，且电连所示控制器。
所述增减压控制阀167为二位三通电磁换向阀，其一侧具有两个连接口分别与所述回油口和进油口连通，另一端的一个连接口与前、后桥的液压控制阀相连通，非工作状态下增减压控制阀167关闭，系统不能对前后桥的高度进行调节，当控制单元判断出系统需要对前桥或后桥高度进行调节时增减压控制阀167的电磁线圈通电，增减压控制阀167打开，高压油液进入系统中，前后桥进行上升动作时，相应的前后桥液压控制阀会控制高压油液进入前后桥中，提高前桥或后桥的高度，如果系统此时执行的是下降动作，相应的前后桥液压控制阀会控制高压油液进入液控单向阀的控制口，此时液控单向阀反向连通，前后桥中的高压油液通过回油管路经过增减压控制阀167流到回油口，完成泄压降低前后桥高度的目的。
溢流阀168一端连通所述油箱171的出口，另一端连通所述增减压控制阀167，溢流阀用于控制整个系统内的液压油液的压力，当从增减压控制阀167进入的油液压力高于溢流阀设定的阈值时，高压油液会促使溢流阀168打开，此时从增减压控制阀167进入的高压油液会通过溢流阀168，从连通油箱的端口流回油箱，从而可以保证如论何种情况下系统内的高压油液不会高于设定的阈值，保证系统内各部件的安全和正常的使用寿命。
所述第一前桥液压控制阀164、所述第二前桥液压控制阀165和所述后桥液压控制阀166均为三位四通电磁换向阀。以第二前桥液压控制阀165的结构为例，其有两个工作位置和一个中间静态位置，阀体左端和右端各有一个弹簧各一个电磁线圈，其中第一电磁铁(DT1)得电、第二电磁铁(DT2)失电，电磁阀向右换向，此时对应第一工作位置，第一电磁铁(DT1)失电、第二电磁铁(DT2)得电，电磁阀向左换向，此时对应第二工作位置，控制单元(ECU)可以控制电磁阀上的第一电磁铁(DT1)和第二电磁铁(DT2)的得电与失电，当第一电磁铁(DT1)和第二电磁铁(DT2)均失电，阀体在两侧弹簧的作用下处于中间静态位置，此时高压油从P口进入不能通过控制阀而被截止，液控单向阀的控制端口与低压回油端口T相连，此时液控单向阀单项流通，此时前、后桥内的液压油无法流出各自形成一个封闭的空间；当控制单元(ECU)控制第一电磁铁(DT1)得电，第二电磁铁(DT2)失电，此时第一电磁铁(DT1)克服弹簧力向右推动电磁阀，所述第一工作位置导通，此时液控单向阀的控制口与低压回油口T相通，液控单向阀正向导通反向截止，高压油从P口进入控制阀后可以正向通过液控单向阀进入到前、后桥液压系统中，抬高前、后桥的高度；当控制单元(ECU)控制第一电磁铁(DT1)失电，第二电磁铁(DT2)得电，此时第一电磁铁(DT1)克服弹簧力向左推动电磁阀，所述第二工作位置导通，此时高压油从P口进入控制阀后与液控单向阀的控制相通，液控单向阀正反向均可导通，前、后桥液压系统中的高压油液可以反向通过液控单向阀，从T口流回油箱，从而达到降低前、后桥的高度的目的。
本油气悬架系统具有防侧倾功能，一般车辆行驶在坡道上或者进行转向工况时，此时车辆发生侧向轴荷转移，一侧的悬架受到更大的压缩而另一侧因为载荷变小悬架压缩反而减小，这造成车身发生一定程度的侧倾，汽车处于危险工况，而安装有本系统的车辆当发生轴荷转移的时候由于前桥的左右两侧的油气弹簧相互连通的布置形式，其中左侧油气弹簧的下腔与右侧油气弹簧的上腔相连，左侧油气弹簧的上腔与右侧油气弹簧的下腔相连，由此可以保证油气弹簧左下腔与右上腔的油压以及并油气弹簧左上腔与右下腔的油压始终保持相同，且此时两个液控单向阀处于关闭状态，这个前桥的液压系统是封闭的，因为油气弹簧中的活塞是可以上下自由移动的，由此系统平衡时油气弹簧的上下腔的有油压相同，因而由此因为左右两个油气弹簧的特殊连接，左右两油气弹簧的四个腔室的油压均相同，保证了活塞杆的伸出长度始终相同即车架横梁左右高度相同，又车架和固连在车架上的车身都是刚体，从而可以保证当发生侧向轴荷转移时即通过车架横梁、活塞杆传递到前桥左右侧油气弹簧上的压力不同时车身左右高度始终相同而达到防侧倾的目的，提高车辆的行驶安全性。
本系统可以实现自由调节车身高度的功能，在车辆静止或者低速行驶的状态下可以通过本系统进行车身自动调平、整体上升、整体下降或者单独对前桥、后桥进行高度调节以实现对车身的姿态控制，该功能可以配合安装在车身上的其他装置共同实现某些功能，油气悬架控制策略输入信号为车身高度传感器信号、位于驾驶室控制台的按钮，输出量为油气悬架的进油流量及液压阀开关。
为了满足驾驶员调节车身高度的自由度，油气悬架工作模式分为两种，即自动模式和手动模式，启动车辆时，车辆默认进入自动模式，即以某一驾驶员预设的高度为目标进行车身高度调节，手动模式下，驾驶员可以通过“整体提高车身”、“整体下降车身”、“前桥下降”、“前桥上升”、“后桥下降”、“后桥上升”按钮调节车身高度，底盘控制器通过总线接收按键信号，并按照驾驶员需求控制液压阀和液压泵以实现标定好的一个固定速度调节四个车轮的悬架高度。驾驶员必须持续按下按钮才能实现高度调节，一旦手离开按钮，悬架将停止在当前位置。底盘控制器会检测高度传感器的实时值，当悬架已经运动到极限位置时，控制器将切断液压泵和阀开关。当运行于手动模式时，驾驶员可以在任意当前位置按下设为标定值按钮，则控制器将当前高度位置设定为新的默认车身高度值。
自动模式下采用PID控制在悬架极限范围内始终保持前桥和后桥的高度相同，在本设计中前桥两侧高度始终保持相同，后桥两侧高度也始终保持相同，因而调平策略为先检测出较低的一侧，将其提高到与较高一侧相同的高度，然后把车身高度整体调成预设值。
在实现车身高度调节时，四个车身高度传感器113先采集到四个车身告诉信号发送给电子控制单元180进行处理，控制相应的阀体以实现车身调平、前后轴单独升降以及整体升降等功能，下面详细说明前后桥升高和下降的过程，上述各种车身高度调节都有基于此而实现的。
前桥高度上升过程：
电子控制单元(ECU)180控制增减压控制阀167开启、前桥液压控制阀的第一电磁铁(DT1)得电，第二电磁铁(DT2)失电，此时第一电磁铁(DT1)克服弹簧力向右推动电磁阀，所述第一工作位置导通，此时第一液控单向阀161和第二液控单向阀162的控制口与低压回油口T相通，液控单向阀正向导通反向截止，液压泵172把高压液压油泵入系统中，高压油从P口进入流经增减压控制阀后，进入第一前桥液压控制阀164和第二前桥液压控制阀165后正向通过第一液控单向阀161和第二液控单向阀162进入到前桥液压系统中，抬高前桥的高度，根据上面对前桥左右油气弹簧特殊连接形式的阐述，前桥左右车身会同步上升并始终保持高度相等；
前桥高度下降过程：电子控制单元180控制增减压控制阀167开启、前桥液压控制阀第一电磁铁(DT1)失电，第二电磁铁(DT2)得电，此时第一电磁铁(DT1)克服弹簧力向左推动电磁阀，所述第二工作位置导通，液压泵172把高压液压油泵入系统中，高压油从P口进入流经增减压控制阀后，进入前桥液压控制阀后与液控单向阀的控制相通，此时液控单向阀正反向均可导通，前桥液压系统中的高压油液反向通过液控单向阀，从T口流回油箱，从而达到降低前、后桥的高度的目的。
后桥采用的是与前桥相同得的液压控制阀和液控单向阀，且其左右两侧也为同时升降的连接结构，因而后桥高度上升过程、前桥高度下降过程与前桥高度的上升下降过程基本相同，只是控制单元控制的是安装在后桥上的后桥液压控制阀以及后桥上的液控单向阀，其他都与前桥的工作过程相同。
当车身高度传感器检测到前后桥的高度不一致时，调节低高度车桥对应处的液压控制阀和对应的油气弹簧进油流量满足：
其中，λ1为第一校正系数，h为目标高度(即较高高度车桥对应的高度)，单位cm；Δh为前后桥的高度差的绝对值，单位cm；v为调整时的车速，单位km/h；V为油气弹簧的容积，单位L；a为对应的油气弹簧内的油液高度，单位cm；S为车架与车桥的距离，单位cm；Q0为液压泵的额定出油流量,单位L/s；油气弹簧的进油流量是通过调节对应的电磁阀和液压泵来调节的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种具备防侧倾功能的油气悬架系统，其特征在于，包括：
悬架，以及
车架，其设置在所述悬架上方；
第一油气弹簧，其一端固连所述悬架的前端，所述第一油气弹簧包括第一活塞杆，所述第一活塞杆一端固连所述车架的一侧，另一端将所述第一油气弹簧分为第一上腔和第一下腔；
第二油气弹簧，其与所述第一油气弹簧对称设置，一端固连所述悬架的前端，所述第二油气弹簧包括第二活塞杆，所述第二活塞杆一端固连所述车架的另一侧，另一端将所述第二油气弹簧分为第二上腔和第二下腔；
第三油气弹簧，其一端固连所述悬架的后端，所述第三油气弹簧包括第三活塞杆，所述第三活塞杆一端固连所述车架，与所述第一活塞杆同侧设置；
第四油气弹簧，其与所述第三油气弹簧对称设置，其一端固连所述悬架的后端，所述第四油气弹簧包括第四活塞杆，与所述第二活塞杆同侧设置；
第一管道，其两端分别连通所述第一上腔和所述第二下腔；
第二管道，其两端分别连通所述第二上腔和所述第一下腔；
第三管道，其两端分别连通所述第三油气弹簧和所述第四油气弹簧；
第一前桥液压控制阀，其连通所述第二管道；
第二前桥液压控制阀，其分别连通所述第一管道和所述第一前桥液压控制阀；
后桥液压控制阀，其连通第三管道；
油箱，其出油口分别连通所述第一前桥液压控制阀、所述第二前桥液压控制阀和所述后桥液压控制阀；
液压泵，其进油口分别连通所述第一前桥液压控制阀、所述第二前桥液压控制阀和所述后桥液压控制阀；
控制器，其分别连接并控制所述第一前桥液压控制阀、所述第二前桥液压控制阀和所述后桥液压控制阀。
2.根据权利要求1所述的具备防侧倾功能的油气悬架系统，其特征在于，还包括：
第一液控单向阀，其设置在所述第二管道和所述第一前桥液压控制阀之间；
第二液控单向阀，其设置在所述第一管道和所述第二前桥液压控制阀之间；
第三液控单向阀，其设置在所述第三管道和所述后桥液压控制阀之间。
3.根据权利要求2所述的具备防侧倾功能的油气悬架系统，其特征在于，还包括：
增减压控制阀，其设置在所述液压泵的进油口处。
4.根据权利要求3所述的具备防侧倾功能的油气悬架系统，其特征在于，
所述第一前桥液压控制阀、所述第二前桥液压控制阀和所述后桥液压控制阀均为三位四通电磁换向阀。
5.根据权利要求4所述的具备防侧倾功能的油气悬架系统，其特征在于，还包括：
悬架连接板，其设置在所述悬架上；
四个车身高度传感器，其分别设置在车体四个角处，其一端连接所述车架，另一端连接所述悬架连接板。
6.根据权利要求5所述的具备防侧倾功能的油气悬架系统，其特征在于，
所述增减压控制阀为二位三通电磁换向阀，其一端与所述油箱的出油口、所述液压泵的进油口连通，另一端连通所述液压控制阀。
7.根据权利要求6所述的具备防侧倾功能的油气悬架系统，其特征在于，还包括：
溢流阀，其一端连通所述油箱的出油口，另一端连通所述增减压控制阀，且与所述液压控制阀连通。
8.根据权利要求1所述的具备防侧倾功能的油气悬架系统，其特征在于，
所述车架包括两个纵梁和两个横梁；
其中，所述横梁与所述纵梁垂直设置；
所述油气弹簧与所述纵梁固连。
9.一种具备防侧倾功能的油气悬架系统的控制方法，其特征在于，包括：
当车身高度传感器检测到前后桥的高度不一致时，调节低高度车桥对应处的液压控制阀和对应的油气弹簧进油流量满足：
其中，λ1为第一校正系数，h为目标高度，Δh为前后桥的高度差的绝对值，v为调整时的车速，V为油气弹簧的容积，a为对应的油气弹簧内的油液高度，S为车架与车桥的距离，Q0为液压泵的额定出油流量。
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