半掛牽引車后橋空氣懸架系統(tǒng)單點控制和雙點控制研究

潘 亮，邢紅巖，田 勇，張紅星

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

空氣懸架系統(tǒng)是以空氣彈簧為彈性元件，利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)其彈性作用，與鋼板彈簧懸架相比具有獨特的性能和適應(yīng)性。到目前為止，美國在重型載貨車上空氣懸架的占有率是85%，同時大約82%的拖掛車使用空氣懸架，歐洲大約與之相同?？諝鈶壹茉谖覈膽?yīng)用落后國外幾十年，在重型半掛牽引車上的應(yīng)用目前還處于起步階段。隨著重型半掛牽引車對路面破壞機理的研究及認(rèn)識進(jìn)一步加深，限制超載逐步在國內(nèi)各地受到重視，空氣懸架在重型半掛牽引車上的應(yīng)用將進(jìn)一步擴大。

本文以某4×2半掛牽引車為例，通過理論與實際試驗結(jié)果分析，對后橋電控空氣懸架系統(tǒng)采用單點控制和雙點控制的優(yōu)缺點進(jìn)行了研究。

1 后橋空氣懸架系統(tǒng)的構(gòu)成

半掛牽引車后橋空氣懸架系統(tǒng)按照控制方式分為機械式和電子控制式兩種。電控空氣懸架（ECAS）相比常規(guī)機械控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）減少空氣消耗；

（2）通過自動調(diào)節(jié)可實現(xiàn)車輛保持不同高度，可對兩個高度進(jìn)行編程記憶；

（3）由于使用了大截面的進(jìn)（出）氣口而使所有控制過程變化非常迅速；

（4）通過參數(shù)設(shè)置，ECU可實現(xiàn)多種功能；

（5）通過使用遙控器減少了裝卸操作的危險性。

因此，ECAS系統(tǒng)是目前主流的空氣懸架系統(tǒng)。

ECAS系統(tǒng)一般由空氣彈簧、電子控制器（ECU）、電磁閥、遙控器、導(dǎo)向機構(gòu)、高度傳感器、減振器和橫向穩(wěn)定桿等組成。通過高度傳感器連續(xù)不斷的測量車架與車橋之間相對高度的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號傳遞至ECU，ECU再以此為依據(jù)，對氣囊適時進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。如果ECAS系統(tǒng)是依據(jù)單個高度傳感器的輸入做為判斷依據(jù)，那就是單點控制，如果ECAS系統(tǒng)是依據(jù)兩個高度傳感器的輸入做為判斷依據(jù)，那就是雙點控制。通常，單點控制有三種形式，分別是橋左側(cè)布置、橋右側(cè)布置、橋中間布置（見圖1），雙點控制只有一種形式，橋兩側(cè)布置（見圖 2）。

2 單、雙點控制結(jié)構(gòu)區(qū)別及各自的優(yōu)缺點

ECAS系統(tǒng)單、雙點控制除了在高度傳感器方面的差異外，電磁閥的結(jié)構(gòu)也是略有差異的。以美國威伯科公司的ECAS III型電磁閥為例，單點控制用電磁閥（見圖3）與雙點控制用電磁閥（見圖4）都是一個進(jìn)氣口（11口）與儲氣筒相連，兩個供氣口（22口和23口）各與左、右側(cè)氣囊相連，不論是單橋還是雙橋，同一側(cè)的氣囊都是通過三通互相連通的，氣囊壓力差最大不會超過0.1 bar。在需要給氣囊放氣時，ECU控制電磁閥使22口和23口與排氣口（3口）連通，將多余的氣體排向大氣。從圖中不難看出，兩種電磁閥最大的區(qū)別就是雙點控制時，左、右側(cè)氣囊氣壓是由兩個電磁閥分別控制的，也就是可以獨立的給單側(cè)氣囊供氣和放氣，左、右側(cè)氣囊各自為一個系統(tǒng)，而單點控制時，負(fù)責(zé)調(diào)整左、右側(cè)氣囊氣壓的電磁閥是同時開閉的，兩側(cè)氣囊同時供氣和放氣，且左、右側(cè)氣囊通過節(jié)流閥互相連通，左、右側(cè)氣囊一起構(gòu)成了一個系統(tǒng)。

目前半掛牽引車ECAS系統(tǒng)中，單點控制和雙點控制都在被采用，兩者都有優(yōu)缺點。單點控制的最大優(yōu)勢就是成本優(yōu)勢，比雙點控制少了一個高度傳感器，也少了安裝第二個高度傳感器的工序，成本上降低了200塊左右。在工況相同的情況下，氣囊的工作氣壓往往會對氣囊的壽命造成很大的影響。以德國康迪泰克4183N型氣囊為例，氣囊正常工作的最大氣壓為9 bar，如果氣囊長期工作在9 bar以上，氣囊的壽命會受到很大的影響。單點控制時因為左、右側(cè)氣囊通過節(jié)流閥互通，所有氣囊的工作氣壓幾乎相同，不存在雙點控制左、右側(cè)氣囊氣壓有差異的情況，承載能力更強。雙點控制的優(yōu)勢是由于左、右側(cè)高度傳感器分別控制，懸架在遇到側(cè)傾時能夠自我修正，使車架保持水平，消除或者減輕車架和后橫向穩(wěn)定桿受到的扭力，而這恰好是單點控制的缺點。

3 半掛牽引車單、雙點控制方式的選擇

單點控制和雙點控制在理論上講都各有優(yōu)缺點，在實際使用中，ECAS系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會根據(jù)車輛的使用工況在控制邏輯上進(jìn)行優(yōu)化和取舍，那么還需要根據(jù)ECAS系統(tǒng)在實際使用工況下的表現(xiàn)來判斷單、雙點控制方式的優(yōu)劣。

不難理解，同樣的情況下，后雙橋6×4半掛牽引車比4×2半掛牽引車的抗側(cè)傾能力更強，因此選取4×2半掛牽引車進(jìn)行分析是具有代表性的。某4×2半掛牽引車前懸架為少片簧懸架，后懸架為空氣懸架，空氣懸架結(jié)構(gòu)為左、右側(cè)各一個氣囊和一個減振器，單點控制時為橋左側(cè)布置結(jié)構(gòu)，雙點控制時為橋兩側(cè)布置結(jié)構(gòu)，空氣懸架電控系統(tǒng)采用威伯科在商用車領(lǐng)域最先進(jìn)的ECAS III電磁閥及配套ECU。在標(biāo)定ECAS系統(tǒng)時，ECU默認(rèn)當(dāng)高度傳感器的高度變化持續(xù)超出容差帶后60秒才會觸發(fā)氣囊充放氣，經(jīng)過反復(fù)試驗驗證，高度傳感器的容差帶在±12 mm左右是最理想的。

本文通過三種試驗方案，分別從實際道路行駛工況、動態(tài)抗側(cè)傾能力和靜態(tài)抗側(cè)傾能力等方面分析評價單、雙點控制。這三種方案分別是：

（1）典型道路行駛工況試驗，平原一般公路和山區(qū)一般公路進(jìn)行單點控制和雙點控制實際道路工況采樣，選取同一路段行駛100 km左右，采集氣囊氣壓、氣囊高度、空氣懸架耗氣量等參數(shù)分析單、雙點控制在實際使用中的區(qū)別；

（2）固定圓抗側(cè)傾試驗，獲取不同側(cè)向加速度時，空氣懸架的側(cè)傾角，并據(jù)此來分析動態(tài)時單、雙點控制在整車抗側(cè)傾能力方面的區(qū)別。

（3）靜態(tài)輪荷偏置試驗，通過靜態(tài)測量后橋左、右車輪的輪荷和空氣懸架側(cè)傾角，分析靜態(tài)時整車單、雙點控制在整車后懸架姿態(tài)方面的區(qū)別。

3.1 典型道路行駛工況分析

在平原一般公路行駛工況中，選取車流量較大的時間點進(jìn)行試驗，分析在頻繁制動和加速時空氣懸架的工作情況，而在山區(qū)一般公路行駛工況中，選取車流量較小的時間點進(jìn)行試驗，分析在大側(cè)向加速度過彎時，空氣懸架的工作情況。如表1所示，該半掛牽引車在山區(qū)一般公路路況行駛時，雙點控制下，左氣囊的平均氣壓為9.8 bar，右氣囊的平均氣壓為8.3 bar，兩側(cè)氣囊壓差1.5 bar，左氣囊的平均氣壓高出氣囊正常工作時最高氣壓9 bar的限值，在單點控制下，左、右側(cè)的氣囊氣壓保持一致，均為8.9 bar，都恰好在氣囊正常工作的限值內(nèi)，氣囊的壽命不會受到影響。單、雙點控制下，左、右側(cè)氣囊高度變化標(biāo)準(zhǔn)差基本相同，空氣懸架耗氣量也基本一致，屬于微補氣狀態(tài)。這表明空氣懸架的工作狀態(tài)是相同的，雙點控制左、右側(cè)氣囊氣壓存在的1.5 bar的壓差并沒有對空氣懸架的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。該半掛牽引車在平原一般公路工況行駛時，氣囊高度變化的標(biāo)準(zhǔn)差要比山區(qū)一般公路工況要小得多，同時單、雙點控制下，空氣懸架都沒有充放氣的情況。由于單點控制時平均車速較高，綜合考慮認(rèn)為，在此工況下，單、雙點控制時空氣懸架的工作狀態(tài)是相同的。

表1 工況行駛試驗

同時在試驗中，八名經(jīng)驗豐富的駕駛員進(jìn)行了主觀評價。一致認(rèn)為，車輛分別采用單點控制法和雙點控制法，在平原一般公路和山區(qū)一般公路行駛時，在過彎時的抗側(cè)傾能力、方向的可控性、整車行駛舒適性、制動時的穩(wěn)定性等方面，兩種控制法都沒有讓他們感受到明顯的區(qū)別。

3.2 固定圓抗側(cè)傾能力分析

因為ECAS的ECU在氣囊高度持續(xù)超出容差值60秒后才會調(diào)整氣囊高度，但在實際使用中，氣囊高度持續(xù)超出容差值60秒的情況非常有限，所以空氣懸架抗側(cè)傾能力試驗就需要分為ECU調(diào)整氣囊之前整車抗側(cè)傾能力試驗和ECU調(diào)整氣囊之后整車抗側(cè)傾能力試驗。

ECU調(diào)整氣囊之前整車抗側(cè)傾能力試驗中，單點控制和雙點控制主要區(qū)別就是節(jié)流閥的作用。理論上講，單點控制時，通過節(jié)流閥的連通作用，氣壓高的一側(cè)的氣囊氣體會補充至氣壓低的一側(cè)氣囊里，這樣的話，會加劇側(cè)傾現(xiàn)象，而雙點控制時，由于左、右氣囊相對獨立，抗側(cè)傾能力就會好些。然而實際試驗中，如表2所示，單、雙點控制時的抗側(cè)傾能力幾乎一樣，無區(qū)別。

表2 單、雙點控制時ECU調(diào)整前的空氣懸架工作情況

ECU調(diào)整氣囊之后整車抗側(cè)傾能力試驗中，首先繞著固定半徑的圓，以穩(wěn)定的大側(cè)向加速度行駛，使空氣懸架達(dá)到一定的側(cè)傾角，并超過60秒，觸發(fā)ECU對懸架進(jìn)行調(diào)整，然后再維持90秒，確認(rèn)ECU再無調(diào)整動作，在整個試驗過程中，始終保持側(cè)向加速度為定值。

在空氣懸架為雙點控制時（見圖5），調(diào)整前的前車架與前橋相對側(cè)傾角平均值為2.8°，后車架與后橋相對側(cè)傾角為2.0°，調(diào)整時左氣囊放氣，減小剛度，右氣囊充氣，增加剛度，調(diào)整完成后前車架與前橋相對側(cè)傾角平均值為2.0°，后車架與后橋相對側(cè)傾角為0.9°，側(cè)傾得到了明顯修正。

空氣懸架單點控制時（見圖6），調(diào)整前的前車架與前橋相對側(cè)傾角平均值為2.7°，后車架與后橋相對側(cè)傾角為2.1°，調(diào)整時，左、右側(cè)氣囊同時放氣，調(diào)整完成后前車架與前橋相對側(cè)傾角平均值為2.9°，后車架與后橋相對側(cè)傾角為2.3°，側(cè)傾略有加劇，且因為氣囊放氣，剛度減小，懸架波動加劇。

經(jīng)反復(fù)試驗，該車在側(cè)向加速度超過1.4 m/s2，車架與后橋相對側(cè)傾角超過0.9°后，就會觸發(fā)ECU對懸架進(jìn)行調(diào)整，但是因為ECU需要等待持續(xù)超出限值60秒后才會發(fā)出指令。在典型山區(qū)行駛實際道路行駛過程中車輛側(cè)向加速度在0～3.7 m/s2之間，但轉(zhuǎn)彎的持續(xù)時間最長為15秒，均未超過60秒，所以無論單點控制、還是雙點控制均未出現(xiàn)側(cè)傾修正。

3.3 靜態(tài)輪荷偏載對空氣懸架側(cè)傾角的影響

空氣懸架的偏載對懸架側(cè)傾角有很大的影響。保持該車后橋軸荷為11.8噸，通過逐漸調(diào)整后橋左、右輪荷，測量空氣懸架側(cè)傾角的變化（見表3）。當(dāng)后橋左、右輪荷的差值達(dá)到1.4噸的時候，后車架與后橋的相對側(cè)傾角達(dá)到了1.2°，目測主觀評價車身略微傾斜，但并不明顯，雙點控制時，懸架自動調(diào)整，而單點控制時，懸架無調(diào)整。氣囊在不同載荷時變剛度且固有頻率基本保持不變，那么整車空載和滿載時，空氣懸架的偏載對懸架側(cè)傾角的影響是基本相同的。

如表3所示，當(dāng)后橋左、右輪荷差值達(dá)到1.4噸的時候，即左、右輪荷偏差達(dá)到21%時，就需要對空氣懸架進(jìn)行調(diào)整，修正整車的側(cè)傾。從而我們可以大致認(rèn)為當(dāng)該車左、右輪荷的偏差超過20%時，雙點控制由于能夠修正空氣懸架的側(cè)傾角而具有明顯優(yōu)勢，而當(dāng)該車左、右輪荷的偏差只是保持在20%以內(nèi)時，單、雙點控制無區(qū)別。通過研究多種不同結(jié)構(gòu)空氣懸架的偏載對相應(yīng)懸架側(cè)傾角的影響，發(fā)現(xiàn)需要修正懸架側(cè)傾角時的左、右輪荷偏差基本上都在20%左右。

表3 偏載對空氣懸架側(cè)傾角的影響

4 結(jié)論

通過對ECAS系統(tǒng)的空氣懸架特性進(jìn)行理論分析和實際試驗驗證，我們可以發(fā)現(xiàn)單點控制在氣囊的正常使用范圍內(nèi)，有懸架的承載能力更強和可以降低整車的制造成本的優(yōu)勢，而雙點控制在懸架偏載過大 （根據(jù)空氣懸架結(jié)構(gòu)不同界值不同，基本在20%左右）的時候具有可以自動修正側(cè)傾的優(yōu)勢。在車輛正常行駛的時候，兩種控制方式在過彎時的抗側(cè)傾能力、方向的可控性、整車行駛舒適性、制動時的穩(wěn)定性等方面都沒有區(qū)別。所以，在實際使用中，如果半掛牽引車不是經(jīng)常處于偏載過大 （根據(jù)空氣懸架結(jié)構(gòu)不同界值不同，基本在20%左右）的狀態(tài)，那么采用單點控制方式較好，反之，則需要采用雙點控制方式。

［1］朱華.電控空氣懸架系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010，10：1-3.

［2］李基恒，王家建.空氣懸架在重型載貨汽車上的開發(fā)與應(yīng)用［J］.中國汽車市場，2006，7：2.

［3］GB/T 6323.6-1994，汽車操縱穩(wěn)定性試驗穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗［S］.