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电控空气悬架系统研究现状及发展趋势

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电控空气悬架系统研究现状及发展趋势

摘要：空气悬架系统是以空气弹簧作为弹性元件的悬架总称。随着车辆控制技术的发展，电控空气悬架系统逐步取代了传统空气悬架。介绍电控空气悬架系统的结构组成及其功能特点，概述国内外电控空气悬架的研究现状，简要分析其发展趋势。
关键词：车辆工程；ECAS；悬架；电子控制

空气悬架系统是以空气弹簧作为弹性元件的悬架总称。传统空气悬架通过机械式高度调节阀的开启调节气囊的充放气，从而保持车辆恒定的行驶高度。随着车辆控制技术的发展，电控空气悬架系统逐步取代了传统空气悬架。电控空气悬架系统采用高度传感器和电磁阀来代替机械式高度调节阀，电控单元根据载荷、路况和车辆运行工况等信号，控制气路系统中的电磁阀或步进电机等执行元件，进而对车身高度进行控制，以抑制车辆急加速和制动时产生的俯仰运动和转向时产生的侧倾运动，保持车身姿态平衡，从而提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性［1］。

1电控空气悬架简介及结构组成
1.1电控悬架系统简介
悬架主要影响汽车的垂直振动。传统的汽车悬架是不可调整的，在行车
中车身高度的变化取决于弹簧的变形。因此就自然存在了一种现象，当汽车空载和满载的时候，车身的离地间隙是不一样的。尤其是一些轿车采用比较柔软的螺旋弹簧，满载后弹簧的变形行程会比较大，导致汽车空载和满载的时候离地间隙相差有几十毫米，使汽车的通过性受到影响。汽车不同的行驶状态对悬架有不同的要求。一般行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感，当急转弯及制动时又需要硬一点的悬架以求稳定性，两者之间有矛盾。另外，汽车行驶的不同环境对车身高度的要求也是不一样的。一成不变的悬架无法满足这种矛盾的需求，只能采取折中的方式去解决。在电子技术发展的带动下，工程师设计出一种可以在一定范围内调整的电子控制悬架来满足这种需求，这种悬架称为电控悬架，目前比较常见的是电控空气悬架形式汽车不同的行驶状态对悬架有不同的要求。一般行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感，当急转弯及制动时又需要硬一点的悬架以求稳定性，两者之间有矛盾。另外，汽车行驶的不同环境对车身高度的要求也是不一样的。一成不变的悬架无法满足这种矛盾的需求，只能采取折中的方式去解决。在电子技术发展的带动下，工程师设计出一种可以在一定范围内调整的电子控制悬架来满足这种需求，这种悬架称为电控悬架，目前比较常见的是电控空气悬架形式。以前空气悬架多用于大客车上，停车时悬架下降汽车离地间隙减少，便于乘客上下车，开车时悬架上升便于通行。这种空气悬架系统由空气压缩机、阀门、弹簧、气室（气囊）、减振器所组成。车辆高度直接靠阀门控制气室的空气流进流出来调整。
1.2电控空气悬架（ECAS）
电控空气悬架主要由两大部分组成：第一部分是机械元件；第二部分是气路和控制系统。机械元件包括空气弹簧、导向机构、横向稳定杆等。空气弹簧承受垂直载荷，导向机构承受纵向力、侧向力及其力矩，横向稳定杆可以提高汽车的抗侧倾能力，防止车身发生过大的横向侧倾和横向角振动。电报导和控制系统包括电控单元（ECU）、高度传感器、电磁阀、空气压缩机和储气筒等。电控单元通常安装在驾驶室或者电气盒内，可实现不同高度值的管理和储存，控制包括正常高度在内的多个车辆高度；高度传感器外形与机械式高度阀类似，传感器内部包含线圈和枢轴，当车桥与车身之间的距离发生变化时，高度横摆杆转动并带动相应电枢在线圈中上下运动，从而使线圈感应系数发生变化，电控单元检测此感应系数的变化并将其转换成高度信号。ECAS的基本工作原理是电控单元根据高度传感器测得的车辆高度、车速、供气压力、制动、车门信息等信号，判断当前车辆状态，按照其内部的控制逻辑，激发电磁阀工作，对各个空气气囊的充放气调节，从而实现空气弹簧的刚度调节，进而提高车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。

2电控空气悬架的功能特点
2．1车辆升降功能
ECAS能随时感知车辆的当前高度，在特殊路况和行驶条件下，可通过控制开关调节车辆底盘的高度，以方便车辆通过。ECAS还允许ECU设置车辆速度，通过车速控制整车高度，当车速达到2 km／h时，车辆会自动恢复正常行车高度。
2．2屈膝（Kneeling）功能
该功能是专用于客车的一种特殊功能，根据设置在ECU中的参数，可使客车一个轮子、整个一侧或整车进行升降，以方便乘客上下车。ECAS可以实现对侧倾高度的设定和控制，有单侧侧倾或单轴侧倾等方式可供选择，同时系统通过监视安装在车门下的接触开关来保证降低过程的安全性，如果接触开关在降低过程中有反应，客车将自动恢复到正常高度。
2．3车辆限高功能
ECAS可以设置车辆的最低和最高底盘高度，一旦达到设定的最低和最高位置，ECU将自动结束高度调节。2．4反应迅速
由于采用大截面进（出）气口的电磁阀，因此控制过程非常迅速。
2．5空气消耗减少
以低地板城市客车为例，与机械高度阀控制的传统空气悬架系统相比，ECAS可节省约25％的空气消耗。2．6监控供气压力要实现升降和屈膝功能，必须有足够的供气压力，才能使已降低并满载的车辆恢复到行驶高度。如果ECU监测到供气压力低于某一定值，ECAS将限制屈膝和升降，该功能通过压力开关实现。

3电控空气悬架国内外研究现状
3．1国外研究现状
空气弹簧诞生于9世纪中期，在CharlesGoodyear发明了橡胶技术3a后，JohnLewisgf于847年发明了空气弹簧，早期的空气弹簧用于机械设备的隔振。1901年公布了第一个空气弹簧专利，它被用作有轨电车悬架的减振元件。1908年，GeorgeBancroft申报了第一个汽车悬架上空气弹簧的专利，且于1910年获得授权。1947年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧［2］，此后意大利、英国、法国及日本等国家相继对空气弹簧作了大量的研究工作。1986年，Toyoto公司在Soarer和LEXUSLS400GT［3］车前后悬架上均采用ECAS，并且其刚度可在“软”（soft）和“硬”（hard）之间调节，4个减振器可以在“软”（soft）、“中”（medium）和“硬”（hard）之间调节。1989年，RangeRover成为第一个配置ECAS的四轮驱动车。1999年，MellerT．提出了自激励空气悬架高度控制系统［4］。2001年，GiuseppeQuaglia建立了空气悬架的仿真模型，对带附加气室的空气悬架振动特性进行了计算机模拟研究，分析了空气悬架的主要参数对悬架振动特性的影响［5］。KatsuyaYoyofuku等人通过研究振动频率和弹簧反应之间的关系，分析了管路和气室对弹簧特性变化的影响［6］。JonBunne和RogerJable研究了空气悬架对汽车传动系统振动的影响。Johnwoodrooffe通过试验评价了分别装有空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架的重型载货汽车路面附着性和行驶平顺性。随后，A1fHomeyer等人采用有限元法优化了空气弹簧结构，提出了空气弹簧设计的新思想［7］。2002年，梅赛德斯－奔驰在AdaptiveDampingSystemⅡ基础上研发了自适应阻尼的ECAS系统（AirmaticDCSystem），并应用于新E级轿车上。2006年，新AudiA8L6．0quattro空气悬架的减振器采用无级电子双管气压控制，实现了非智能材料减振器阻尼力的无级调节［8］。目前，空气悬架在国外豪华汽车上已被广泛采用，在高速客车和豪华城市客车上的使用率已达100％，在中、重型货车以及挂车上的使用率也超过80％。同时部分高级轿车上也有选装空气弹簧悬架的，如美国的林肯，德国的Benz300SE和Benz600等。目前空气悬架和空气弹簧生产的厂家主要集中在汽车工业发达国家，如美国的Neway，Ridewell．Fire-stone，Goodyear和德国的SAF．BPW等。
3．2国内研究现状
我国对空气弹簧进行研究始于20世纪50年代。1957年，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作制造出我国第一辆装有空气悬架的载重汽车，而后相继又设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等多种车辆的空气悬架。1958年底，长春汽车研究所和北京交通运输局基本建设处一起设计出我国第一只高度控制阀，这种高度控制阀通过车门的开关信号来控制车身高度。1959年又设计出高级轿车使用的控制举升系统的高度控制阀。这段时期，我国共设计出了10余种空气弹簧气囊和3种高度控制阀。但这个阶段的研究工作存在很多问题没有得到很好的解决，如整个系统的密封性、高度控制阀的可靠性、悬架的稳定性以及空气弹簧的特性理论等问题。20世纪80年代初，长春汽车研究所再次进行空气悬架的研究，并为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等企业设计了空气悬架，使车身自振频率降低到1．1～1．2Hz，平均车速提高了17％，悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了50～60kg。20世纪90年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气悬架及空气悬架底盘，以提高其产品的技术含量，抢占国内高档客车市场。近年来，随着高档客车制造技术的引进，加上国家对客车等级划分标准的实施，空气悬架开始逐步应用起来。目前空气悬架主要集中应用在高级客车上，但是受多方面因素的制约，其配置率仍然很低，基本上还属于“引进”阶段。据统计，国内相对较多的应用主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、金华青年、济南重汽、扬州亚星、一汽客车、东风杭汽等规模较大的客车、载重车及底盘厂家。此外，国内其他一些客车厂家都是以选装国外空气悬架产品为主。说，目前我国还没有整套空气悬架的生产厂家，而且在载重汽车上的应用也还处于起步阶段，自主开发能力还有待于进一步的提高。国内现阶段的研究主要集中在以下方面：悬架系统的建模和分析；控制算法的研究；空气弹簧及减振器的研究。郭微等对空气弹簧进行了非线性有限元分析，对橡胶模型的选取和材料参数的确定、帘线的几何特性在空气弹簧工作过程中力学性能的变化以及气体单元与橡胶气囊壁之间的气固耦合，进行了详细的有限元分析［9］。王家胜，朱思洪对带附加气室的空气弹簧的线性化模型进行了研究［1］。全力，彭桂雪等以飞思卡尔MC9S 8G 6单片机为控制核心，以亚星YB 6891H型客车为试验对象，针对空气悬架系统本身的非线性特性，采用神经I控制算法，设计了一种通过检测车身高度对空气弹簧进行充排气，进而改变弹簧刚度的客车电控空气悬架系统［11］。

4发展趋势
虽然电子控制空气悬架被认为是汽车的发展趋势之一, 但距离大面积市场推广还有很长的路。毕竟这种高端产品的价格比普通空气悬架高一倍,一种先进产品的推广主要靠政府法规的引导以及市场需求的发展,电子控制空气悬架也不例外。不过公路条件的改善为汽车空气悬架创造了基本的使用条件;重型汽车对路面破坏机理的研究及认识进一步加深,政府对高速公路养护的重视,限制超载逐步在国内各地受到重视等,汽车的设计越来越以人为本的思想,采用电子控制空气悬架系统不仅可提高乘坐舒适性, 而且能够实现整车高度的自动升降, 还具有侧倾功能, 方便行动不便者上下车,大大提高了车辆的舒适性等,都使空气悬架市场的应用也将进一步扩大。
电子控制空气悬架代表了目前汽车空气悬架的发展方向，其必将向更节能、安全和环保的方向发展。未来电控空气悬架的研究将主要集中在无级可调减振器的研制、控制策略及空气悬架与整车匹配技术等方面。同时，随着控制理论和计算机技术的不断发展，将ECAS系统与电子喷射系统、牵引力控制系统、防抱死制动系统、安全气囊控制系统、故障诊断系统和通讯导航系统等进行集成控制将是未来研究的热点。

参考文献
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［3］陈德阳 电子控制空气悬架［J］ 汽车维修，1999（5）：8－1
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［6］K Y Y FUKU Study on dynamic characteristic analysis of air spring with auxiliary chamber［J］JS EReview，1999（2）：349－355
［7］AIFH MEYER采用现代方法设计空气弹簧系统［J］国外铁道车辆，1999（3）：35－38
［8］方应明，田卫奥迪8轿车自适应空气悬架系统结构与维修［J］汽车维护与修理，2 6（6）：1－3
［9］郭微，钱德猛汽车用膜式空气弹簧的非线性有限元分析［J］ 客车技术与研究，2 6（3）：14－16
［10］王家胜，朱思洪带附加气室空气弹簧动刚度的线性化模型研究［J］振动与冲击，2 9，28（2）：72－76
［11］全力，彭桂雪 基于神经网络PI 控制的客车EC S设计与实现［J］ 汽车技术，2 9（11）：8－11
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