电控空气悬架系统的发展现状综述

电控空气悬架系统的发展现状综述梁广源（广东技术师范学院汽车学院，广东广州 10588）摘要：介绍汽车电控空气悬架的基本结构和工作原理，论述国内外电控空气悬架的发展状况，对电控空气悬架的控制策略以及研究状况进行分析及总结，并阐述当前电控空气悬架在应用过程存在的问题及其发展方向。

关键词：电控空气悬架，发展状况，部件技术，研究状况，存在问题Review on Development of Electronically Controlled Air Suspension SystemLiang Guangyuan(Guangdong Polytechnic Normal University, School of Automotive Engineering, Guangzhou 10588, China)Abstract:The basic structure and working principle of electronically controlled air suspension were introduced. The development status of the electronically controlled air suspension at home and abroad was discussed. The technology and research status of electronic control air suspension were analyzed and summarized, and the problems existing in the application of electronic controlled air suspension and its development direction were expounded.Key words: electronically controlled air suspension, development status, component technology, research status, existing problems引言空气悬架系统是以橡胶材质的空气弹簧作为弹性元件的悬架。

现代人对汽车的驾驶要求越来越高，在乘坐舒适性和操纵稳定性方面提出了新的要求。

传统的空气悬架系统是利用机械式的压气机通过高度控制调节阀来对空气弹簧进行充气放气，从而改变汽车的离地高度。

随着电子控制系图1统的发展，空气悬架系统得到了电子改进。

利用车身高度传感器和电磁控制阀来代替传统的高度控制阀，通过传感器收集数据并发送到EUC进行数据处理，处理的结果将反馈到步进电机等执行元件对车身高度进行调整控制，从而抑制汽车在急加速或者紧急制动时的仰俯运动，进而提高汽车的驾驶操作性和乘坐舒适性。

1 电控空气悬架系统的基本结构电控空气悬架系统（ECAS）要由电子控制器、电磁阀、传感器、空气弹簧、空气压缩机、导向机构、横向推力杆和横向稳定杆等组成，基本结构如图1[1]。

在完善的系统中，传感器包括加速度传感器、车身高度传感器、车速传感器等。

ECAS系统不仅提高了操作的舒适性和反应的灵敏度，而且通过可变阻尼来增加了很多辅助功能，如车辆根据驾驶员或路况的需要来对车辆进行升降（通过控制开关）。

2电控空气悬架的工作原理2.1车身升高工作原理安装有电控空气悬架的汽车在行驶过程中会有更好的通过性和平稳性。

在通过坑洼路面时，驾驶员可以通过控制车内的旋钮、按钮或者触屏指令等控制元件，向ECAS 的ECU发出车身升高指令。

当ECU接收到车身升高指令后，ECU会向电动机压气机控制模块发送指令，此时驱动压气机工作的电动机工作，压气机往空气弹簧供入一定量的压缩空气从而使空气弹簧膨胀，从而使车身达到理想离地高度从而平稳通过坑洼路面。

即使是充满气体的空气弹簧，也由于其有一定柔性，会吸收和缓冲地面带来的震动，从而达到了舒适平稳性。

2.2汽车行驶时的各部件的工作原理2.2.1空气弹簧图2.2.1空气悬架模型空气弹簧是利用橡胶气囊内压缩空气的反作用力作为弹性恢复力的弹性元件，包括橡胶材质的气囊、上盖板、底座等部件。

橡胶层一般由内橡胶层、外橡胶层、帘线层和成型钢丝圈组成。

[2]与普通的螺旋弹簧和钢板弹簧相比，其具有良好的非线性弹性特点，且刚度可以在合理范围内变化。

通过压缩机和泄压阀对橡胶气囊进行充气或者放气，实现空气弹簧的变形量的调整，如图2.2.1[3]。

2.2.2导向机构导向机构是悬架的导向元件。

空气弹簧只能承受垂直方向的载荷，而导向机构则是承受纵向力和侧向力。

导向机构有板簧式、双横臂式、纵臂式等，可根据实际情况对悬架系统的导向机构进行合理布置。

2.2.3车身高度控制机构电控空气悬架的高度控制元件包括车身高度传感器、ECU、电磁阀。

其主要作用有“线性高度控制、多个行车高度、限高。

2.3车身控制策略在ECAS的控制策略方面，主要分为车身的侧倾与仰俯姿势的控制。

通过各类传感器根据收集到的信息，发送到ECU进行数据处理。

根据预先设定控制方案进行选择，把执行指令发送到各个执行器，包括空气压缩机、电磁控制阀等。

3电控空气悬架系统的应用现状3.1国外发展状况空气弹簧诞生于20世纪初，1910年，美国首先在普尔曼车上使用空气悬架，但当时的空气悬架是机械控制式，相对于其他形式的悬架具有一定的进步性。

但由于空气弹簧刚度与阻尼匹配困难，且弹簧密封件容易损坏，维修复杂，使空气弹簧发展缓慢。

[4]。

1953年美国火石公司与通用公司合作，首次将空气弹簧悬架应用到豪华客车上，空气悬架发展迅速。

而固特异轮胎公司率先研制出凸轮式空气弹簧成为了空气弹簧的新里程。

随着空气悬架应用的推广，国外的工程技术人员对空气弹簧的充放气进行了深入研究，1989年，Range Rover （英国路虎公司推出的一款车系）成为第一款安装空气悬架的四驱越野车[5]。

1994年，Bauk 和Enzo Daniel 在空气弹簧的应用作出了新的尝试，把空气弹簧应用在电动客车上，由于电动客车可以直接以电动机为供气的能量来源，为新能源汽车的舒适性提供了帮助[6]。

在1994年，J.R.EVANS 在空气弹簧的侧向特性完成，在一定条件下，可以得到空气弹簧在各种载荷下的侧向力和变形，同时可以利用正弦信号和锯齿信号来监测速度对侧向特性的影响[7]。

以KatsuyaYoyofuku 等人为代表所研究的振动频率与弹簧反应之间的关系，分析了管道和气室对弹簧特性的变化影响。

而计算机介入电控空气悬架是空气悬架的发展新方向，早在1998年，德国梅赛德斯奔驰就在新一代S 级轿车上推出了全新的空气悬架系统，该系统是采用空气弹簧和自适应减震系统（ADS ）取代传统的钢板弹簧和液压悬架系统，如图3.1.1[8]，2001年，Giuseppe Quaglia 设计了空气悬架的仿真模型，使用计算机对附加气室的空气悬架的震动特性进行了模拟分析，并研究了不同参数对悬架的震动性能的影响。

在2002年，梅赛德斯奔驰以Adaptive Damping System 4为基础，研制了自适应阻尼的电控空气悬架系统，并在新的E 级轿车上应用。

2006年，新Audi A8L 6.0 Quattro 电控空气悬架的减震器应用无级电子双管起亚进行控制，实现了阻尼力的无级调节。

[5]2012年德国汉诺威商用车博览会，WABCO 公司展示了最新的电子挂车空气悬架系统，如图3.1.2[8]。

在ECAS 的各类发展方向中，国外的主要的研究方向为“弹簧的弹性随着充气与放气的非线性变化”，分析方法主要应用到有限元分析、三维建模分析、数据库模拟分析等。

S.J.LEE 在空气弹簧的热胀冷缩以及三维模型构建方面提出了新的要求：计算机仿真以及运用空气热力学处理实际问题[9]。

目前，国外在新能源汽车领域方面有了质的飞跃，而电控空气悬架应用于新能源图 3.1.2 WABCO 展示的最新的空气悬架系统 图3.1.1 梅赛德斯奔驰S 级轿车空气悬架系统汽车可使新能源汽车在能量回收方面有了新的研发，而同时电控空气悬架在新能源汽车的推广也有一定的作用。

3.2国内发展状况我国对空气弹簧的研究可以追溯到1957年。

1957年，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所共同合作制造出我国第一辆具有机械式控制器的空气悬架载重汽车。

20世纪90年代后，我国多所汽车研发中心为多家汽车厂设计开发了主要应用于客车底盘的空气悬架系统。

为了满足维修市场的需要，2000年前后，多家汽车零部件生产商开始陆续生产空气悬架零部件，如山东莱州市橡胶厂、浙江瑞安市东欧汽车零部件厂[8]。

近年来，我国对空气悬架的研发提出了新的要求，在电子控制系统的研究中有了新的进展。

由于国外的大量有限元分析软件以及模型仿真软件的引入，包括法国Dassault CATIA 、SolidWorks 、UG 等，我国在这方面的进展迅速。

2012年，鲍键铭在1/4车模型的空悬架试验台上对空气悬架进行了研发并进行数学模型的构建，另外运用了Simulink 软件对空气悬架的控制策略进行开发，并设计出了一种基于ECAS系统的高度传感器和电磁阀的一款控制器[10]。

在控制车身高度方面，汪少华等提出了一种基于神经网络PID 的电控空气悬架车高调节控制方法。

微机处理方法主要：图3.2.1[5]为微处理器的基本原理。

汪少华通过自适应能力较强的神经网络进行 PID 控制器结构参数的动态调整，从而实现车身高度的精确控制，并为防止车高调节过程中因四角调节不同步而引起的整车姿态失稳现象，设计出一种整车姿态模糊控制器，基于 D2P 快速开发平台进行 ECAS 车高控制系统的实际实现，如图3.2.2[11]。

我国在电控空气悬架的研究方向主要为空气弹簧的非线性有限元分析、悬架导向机构的研发。

电控空气悬架应用到轿车方面产生的成本问题也随着流水线生产和生产厂商竞争得到解决。

图 3.2.1微型处理器结构图3.2.2车身高度控制方案4 电控空气悬架发展前景我国在电控空气悬架的起步较慢，但在各企业、高校的推动下，2000年以后，呈现上升趋势。

在我国，2007年，仅有少量的高档轿车、公交车以及特殊用途车辆装有空气悬架，而在客车使用率仅仅有10%左右，电子控制空气悬架更不足1%[12]，显然这是技术的限制以及制造成本的阻碍。

而在2015年，应用到电控空气悬架的轿车成直线增长，主要分布在高端、价格范围在25万元以上的轿车，而家用轿车分布少。

未来在轿车分布将会是新的格局。

另外，由于我国汽车零部件产业的发展迅速，数据芯片的种类丰富，为电控空气悬架提供了硬件的保障，并且由于引进了国外的仿真软件以及模型系统，使未来的开发难度上大大降低。