电控空气悬架系统研究现状及发展趋势

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，Mell ｅｒT.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]。J ｏｎＢｕｎne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