63关于空气悬架高度控制阀数目和布置的分析(修改)(2)

关于空气悬架高度控制阀数目和布置的分析
东风汽车工程研究院陈耀明
2009年4月8日
关于空气悬架高度控制阀数目和布置的分析
1、“三点定一平面”——三个高度阀是最合理的数目，超过这个数目为“过定位”，少于这个数目为“不稳定”，这点是大家的共识。

2、采用四个高度阀的理由只有一个：增加弹性元件的侧倾角刚度。

所以，设计时判断采用四个或三个，必须按照以下科学的程序进行工作：
（1）进行抗侧倾能力的校核计算。

计算三个阀时，有一个悬架的气簧角刚度为零，要判断整车总的角刚度能否满足抗侧倾能力的指标（例如，V2/R0=0.4g时，高等级空气悬架客车：[Φ]≤5°；一般等级空气悬架客车:[Φ] ≤6°）。

采用四个高度阀时又是怎样？如果还不够，只能从加大横向稳定杆或导向臂的角刚度，甚至是提高气簧的垂直刚度来解决。

（2）如采用三个高度阀，有个布置的问题，一种是前一后二，另一种是前二后一。

应考虑的是：
①哪个悬架其弹性元件的角刚度大，就适合装用两个高度阀，以增大整车的角刚度。

众所周知，独立悬架的角刚度，在同等垂直刚度条件下，约等于非独立悬架的4倍，因此，独立悬架一般装用两个高度阀。

并不是因为左、右悬架导向臂分开，不能装一个阀。

C型梁的后悬架也是角刚度比较大，理应装两个高度阀。

这两种悬架组合在一起是否一定就要装4个高度阀，取决于对整车角刚度也就是对其抗侧倾能力
的要求。

②出于对操稳性也就是对不足转向的要求，往往希望前悬架角刚度对轴荷的比值大于后悬架的比值，似乎应在前悬架装两个阀，后悬架装1个阀。

然而由于后悬架弹性元件的角刚度往往比前悬架大得多，这样布置会使整车的角刚度不足，所以宁可将2阀布置在后悬架。

不足转向是由许多因素决定的，特别是后双胎的汽车比较不容易甩尾，采用前小后大的角刚度，对许多商用车而言也是可行的。

（3）对空气悬架侧倾角刚度的分析计算,是在假定高度阀不充放气的条件下进行的。

实际上，侧倾时左、右高度阀会一个充气，一个放气。

到底充、放气对悬架角刚度的影响有多大，取决于不同的工况：
①如果汽车转弯或承受侧向力的时间很短，高度阀充、放气对空气弹簧内的气压影响很小，其气压变化仍由气囊行程变化来决定，也就是，空气弹簧的刚度仍按不充放气来计算。

②汽车处在稳态转弯，即承受侧向力的时间很长，高度阀的充放气决定了空气弹簧内的气压。

这时又分为几种情况：
a)侧倾力矩不大，受压气簧充气后气压不大于供气压力，受拉气簧放气后降低了气压，而左、右气簧的压力差所对应的反力差足以平衡侧倾力矩，空气弹簧最终处在高度阀所设定的高度，也就是侧倾角等于零。

这时角刚度等于无穷大。

b)侧倾力矩很大，受压气簧充气后气压大于供气压力，这时又可分为两种情况：
(a)供气系统的储气筒没有单向阀，受压气囊内的空气倒流，储
气筒成为气簧的辅助气室，刚度立即变得很低，气囊一直被压到限位块接触并压缩，由它来产生支撑反力；这时受拉伸气囊继续放气，直到气压很低或等于零。

左、右气簧的反力差与侧倾力矩平衡，决定了这时的侧倾角。

(b)供气系统的储气筒有单向阀，受压气囊内的气压大于供气压力，达到一定值之后，或许由气压单独，或许由气压和限位块共同产生的反力来平衡侧倾力矩，根据平衡条件决定这时的侧倾角。

上述这些分析，还要根据前、后悬架有几个高度阀一起考虑其充放气情况，实际上是很复杂的，也很难计算。

作为定量分析，一般都是当为高度阀不充放气来计算。

（4）采用三个高度阀，抗侧倾能力是否足够，采用4个阀之后情况又如何，都必须经过试验测量或主观评价来确定。

这项工作并不难，应该最终靠实践来断定。

3、采用四个高度阀就是“过定位”，可能产生以下不利影响：
（1）轮荷变化和高度阀充放气，分为动态和静态两种情况：
①动态响应
汽车在路面上行驶，特别是在坏路面上行驶，其轮荷甚至轴荷都在变化，其变化程度取决于动载系数的传递函数，属于振动问题，一般和高度阀没有关系，空气悬架和非空气悬架都有类似特征，一般说空气悬架的动载系数小一些。

②静态转移
汽车停在不平路面上，主要是扭曲路，轮荷会发生变化。

金属悬架例如钢板弹簧悬架的汽车，只要左、右不关联，轮荷也会变化，变化大小取决于悬架角刚度，属于多余约束。

这种转移是有限度的，对应相应的角位移，左、右悬架产生一定的垂直位移，对应一定的轮荷变化，然后维持不变。

高度阀控制的空气悬架属于有反馈的闭环控制，而且是开闭型，只要高度阀偏离其设定位置，就会充、放气，一直到高度阀恢复到设定位置，得到这个反馈信号后才停止充、放气。

在比较严重的不平路面上，总有三个阀所控制的空气悬架的车轮接地点处在同一平面内，有一个车轮接地点偏出这个平面，那么,有两种情况：
a)那个偏出的车轮落下，高度阀放气，使气压降低，轮荷减小；另一侧车轮轮荷加大，悬架下降，高度阀充气，使悬架抬高，恢复到原来的设定高度。

如果供气压力足够高，使这个悬架维持原来的设定高度，另一侧悬架将气放光，轮荷几乎为零，全部转移到另一侧。

如果供气压力不足，高度阀处在开启状态，但气压只能达到供气压力（没有单向阀截流），悬架高度下降，气囊内空气倒流，悬架由橡胶限位块辅助支持；另一侧空气弹簧继续放气，直到车轮接地并使高度阀回到设定位置，停止放气，左右悬架都达到稳定状态，但轮荷已不相等。

也可能车轮不接地，一直将气放光，轮荷全部转移到另一侧，取决于地面凹坑有多深。

如果装有截流单向阀，则受压气簧刚度基本不变，高度阀开启，但不能充气，靠压缩气囊使气压升高，轮荷加大，悬架高
度下降，由气压或气压和限位块支撑负荷。

另一侧气簧继续放气直到车轮接地，高度阀回到设定位置，停止放气，或者车轮悬空，将气放光，与上述情况相同，只是受压气簧的压缩行程会小一些。

b)那个偏出的车轮抬高，高度阀充气，使气压上升，轮荷增加；这时，会将另一侧车身也抬高，相当该车轮落下，高度阀放气，使轮荷减小。

实际上这时又重复上述的情况，从本质上讲，上面这两种情况是一回事，因为将一个悬架左、右轮接地点连成一直线后，另一个悬架的任一个单侧车轮接地点都可以和这条直线构成一个平面。

将前、后悬架一并考虑，上述充、放气可能发生在任何一个悬架，也许是随机的，也许前、后悬架同时发生，即对角线的高度阀同时放气，同时充气，正和四脚板凳对角线成为跷跷板的作用一样。

总之，四个高度阀的空气悬架汽车，不宜在凹凸不平地面，特别是在扭曲路面上停放。

不仅会使左、右轮荷差异很大，还可能将某一侧空气弹簧内的空气放光。

也可以说，经常在平整路面上行驶，特别是在平整地面停放的客车，才可以采用四高度阀方案。

（2）三轮着地，一轮离地的行驶状况
在平整路面上行驶，发生这种状况的条件有：
①高度控制阀调整不当以及空气弹簧安装点的制造误差，使前、后悬架左、右侧车轮接地点的连线，在高度阀平衡状态时，不平行而成交叉状，而且不平行度很大。

②空气悬架的减振器反向限位行程太小，或者横向稳定杆、导向臂的角刚度特别大，或者导向杆橡胶铰接头的扭转刚度太大，足以在悬架
反跳行程不大的情况下，将下落的那一侧车轮等非簧载质量吊起来而离地。

这种情况应该说是很罕见的。

4、对四阀空气悬架存在问题的解决措施
（1）采用电子控制（ECAS）系统
三点定位和抗侧倾能力是矛盾的，解决这个矛盾的最佳方案是分开工况进行控制。

空气悬架采用三阀控制，当汽车停放，或直线行驶以及侧向加速度不大时，单阀悬架的隔离阀开启，左、右气簧连通，实现三点控制。

当汽车转弯承受较大离心力时隔离阀关闭，左、右气簧隔开，角刚度加大。

可以利用加速度传感器，感应到足够大的稳态侧向加速度值之后关闭隔离阀，信号消失后就开启。

也可以由驾驶员控制，转弯前隔离，转弯后开启，当然，比较麻烦。

现有的瓦布克ECAS系统采用三阀控制，它的控制策略是使充、放气阀在行车时关闭，停车时才开启并实施高度调节，且有延时功能，如10S后开启，最多60S。

只有关闭时也关闭隔离阀，使左、右气囊隔开，才能增大角刚度。

这样，停车时就实现了三点定平面，没有四个高度阀在停车时因地面不平的充、放气问题；又行车时等于没有高度阀，各气簧自己封闭，也加大了角刚度。

但系统气密性必须很好，否则长途行车时无法补充漏气。

有的ECAS系统更为高档，侧倾时可以让系统往受压气簧充气（当
然要有足够大的供气压力），或者另设油缸充油，使汽车姿态维持水平或接近水平。

（2）正确调整高度阀，使悬架高度合适——前、后空气悬架左、右车轮的接地点连线互相平行，误差控制在一定范围内。

由于车架或车桥及空气弹簧支撑零件的制造误差，只用空气弹簧（气囊）的高度偏差来控制，可能还达不到要求。

调整的方法并不简单，也许要用千斤顶及量具。

当然，在制造精度较高的前提下，用左、右气簧的高度差来控制也是可以的。

（3）采用敏感度比较低的高度阀可以使矛盾缓解。

高度阀的阀门弹性及杆件间隙，是空程的来源。

空程太小不一定是好，本文推荐，在车轮接地点度量，上、下移动10mm高度阀不充、放气，也许是合适的。

当然，这会造成左、右，前、后产生一些高度差，应该对汽车性能没有多大影响。

东风汽车工程研究院陈耀明
2009年4月8日。