半挂牵引车后桥空气悬架系统单点控制和双点控制研究

半挂牵引车后桥空气悬架系统单点控制和双点控制研究 摘要:通过理论分析和实际试验，对半挂牵引车电控空气悬架系统的单点控制法和双点控制法进行了研究，指出了两种控制法的优缺点，对其实际应用提供了建议。 关键词:电控空气悬架 ;单点控制;双点控制 中图分类号:U463.33+4.2 文献标志码:A 文章编号:1005-2550(2013)02-0062-05 空气悬架系统是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性实现其弹性作用，与钢板弹簧悬架相比具有独特的性能和适应性。到目前为止，美国在重型载货车上空气悬架的占有率是85%，同时大约82%的拖挂车使用空气悬架，欧洲大约与之相同。空气悬架在我国的应用落后国外几十年，在重型半挂牵引车上的应用目前还处于起步阶段。随着重型半挂牵引车对路面破坏机理的研究及认识进一步加深，限制超载逐步在国内各地受到重视，空气悬架在重型半挂牵引车上的应用将进一步扩大。 本文以某4×2半挂牵引车为例，通过理论与实际试验结果分析，对后桥电控空气悬架系统采用单点控制和双点控制的优缺点进行了研究。 1 后桥空气悬架系统的构成 半挂牵引车后桥空气悬架系统按照控制方式分为机械式和电子控制式两种。电控空气悬架(ECAS)相比常规机械控制系统具有如下优点: (1)减少空气消耗; (2)通过自动调节可实现车辆保持不同高度，可对两个高度进行编程记忆; (3)由于使用了大截面的进(出)气口而使所有控制过程变化非常迅速; (4)通过参数设置，ECU可实现多种功能; (5)通过使用遥控器减少了装卸操作的危险性。 因此，ECAS系统是目前主流的空气悬架系统。 ECAS系统一般由空气弹簧、电子控制器(ECU)、电磁阀、遥控器、导向机构、高度传感器、减振器和横向稳定杆等组成。通过高度传感器连续不断的测量车架与车桥之间相对高度的变化，并将其转换成电信号传递至ECU，ECU再以此为依据，对气囊适时进行适当的调整。如果ECAS系统是依据单个高度传感器的输入做为判断依据，那就是单点控制，如果ECAS系统是依据两个高度传感器的输入做为判断依据，那就是双点控制。通常，单点控制有三种形式，分别是桥左侧布置、桥右侧布置、桥中间布置(见图1)，双点控制只有一种形式，桥两侧布置(见图2)。 2 单、双点控制结构区别及各自的优缺点 ECAS系统单、双点控制除了在高度传感器方面的差异外，电磁阀的结构也是略有差异的。以美国威伯科公司的ECAS III型电磁阀为例，单点控制用电磁阀(见图3)与双点控制用电磁阀(见图4)都是一个进气口(11口)与储气筒相连，两个供气口(22口和23口)各与左、右侧气囊相连，不论是单桥还是双桥，同一侧的气囊都是通过三通互相连通的，气囊压力差最大不会超过0.1 bar。在需要给气囊放气时，ECU控制电磁阀使22口和23口与排气口(3口)连通，将多余的气体排向大气。从图中不难看出，两种电磁阀最大的区别就是双点控制时，左、右侧气囊气压是由两个电磁阀分别控制的，也就是可以独立的给单侧气囊供气和放气，左、右侧气囊各自为一个系统，而单点控制时，负责调整左、右侧气囊气压的电磁阀是同时开闭的，两侧气囊同时供气和放气，且左、右侧气囊通过节流阀互相连通，左、右侧气囊一起构成了一个系统。 目前半挂牵引车ECAS系统中，单点控制和双点控制都在被采用，两者都有优缺点。单点 控制的最大优势就是成本优势，比双点控制少了一个高度传感器，也少了安装第二个高度传感器的工序，成本上降低了200块左右。在工况相同的情况下，气囊的工作气压往往会对气囊的寿命造成很大的影响。以德国康迪泰克4183N型气囊为例，气囊正常工作的最大气压为9 bar，如果气囊长期工作在9 bar以上，气囊的寿命会受到很大的影响。单点控制时因为左、右侧气囊通过节流阀互通，所有气囊的工作气压几乎相同，不存在双点控制左、右侧气囊气压有差异的情况，承载能力更强。双点控制的优势是由于左、右侧高度传感器分别控制，悬架在遇到侧倾时能够自我修正，使车架保持水平，消除或者减轻车架和后横向稳定杆受到的扭力，而这恰好是单点控制的缺点。 3 半挂牵引车单、双点控制方式的选择 单点控制和双点控制在理论上讲都各有优缺点，在实际使用中，ECAS系统生产厂家会根据车辆的使用工况在控制逻辑上进行优化和取舍，那么还需要根据ECAS系统在实际使用工况下的现来判断单、双点控制方式的优劣。 不难理解，同样的情况下，后双桥6×4半挂牵引车比4×2半挂牵引车的抗侧倾能力更强，因此选取4×2半挂牵引车进行分析是具有代表性的。某4×2半挂牵引车前悬架为少片簧悬架，后悬架为空气悬架，空气悬架结构为左、右侧各一个气囊和一个减振器，单点控制时为桥左侧布置结构，双点控制时为桥两侧布置结构，空气悬架电控系统采用威伯科在商用车领域最先进的ECAS III电磁阀及配套ECU。在标定ECAS系统时，ECU默认当高度传感器的高度变化持续超出容差带后60秒才会触发气囊充放气，经过反复试验验证，高度传感器的容差带在?12 mm左右是最理想的。 本文通过三种试验，分别从实际道路行驶工况、动态抗侧倾能力和静态抗侧倾能力等方面分析评价单、双点控制。这三种方案分别是: (1)典型道路行驶工况试验，平原一般公路和山区一般公路进行单点控制和双点控制实际道路工况采样，选取同一路段行驶100 km左右，采集气囊气压、气囊高度、空气悬架耗气量等参数分析单、双点控制在实际使用中的区别; (2)固定圆抗侧倾试验，获取不同侧向加速度时，空气悬架的侧倾角，并据此来分析动态时单、双点控制在整车抗侧倾能力方面的区别。 (3)静态轮荷偏置试验，通过静态测量后桥左、右车轮的轮荷和空气悬架侧倾角，分析静态时整车单、双点控制在整车后悬架姿态方面的区别。 3.1 典型道路行驶工况分析 在平原一般公路行驶工况中，选取车流量较大的时间点进行试验，分析在频繁制动和加速时空气悬架的工作情况，而在山区一般公路行驶工况中，选取车流量较小的时间点进行试验，分析在大侧向加速度过弯时，空气悬架的工作情况。如表1所示，该半挂牵引车在山区一般公路路况行驶时，双点控制下，左气囊的平均气压为9.8 bar，右气囊的平均气压为8.3 bar，两侧气囊压差1.5 bar，左气囊的平均气压高出气囊正常工作时最高气压9 bar的限值，在单点控制下，左、右侧的气囊气压保持一致，均为8.9 bar，都恰好在气囊正常工作的限值内，气囊的寿命不会受到影响。单、双点控制下，左、右侧气囊高度变化差基本相同，空气悬架耗气量也基本一致，属于微补气状态。这表明空气悬架的工作状态是相同的，双点控制左、右侧气囊气压存在的1.5 bar的压差并没有对空气悬架的工作状态产生影响。该半挂牵引车在平原一般公路工况行驶时，气囊高度变化的标准差要比山区一般公路工况要小得多，同时单、双点控制下，空气悬架都没有充放气的情况。由于单点控制时平均车速较高，综合考虑认为，在此工况下，单、双点控制时空气悬架的工作状态是相同的。 同时在试验中，八名经验丰富的驾驶员进行了主观评价。一致认为，车辆分别采用单点控制法和双点控制法，在平原一般公路和山区一般公路行驶时，在过弯时的抗侧倾能力、方向的可控性、整车行驶舒适性、制动时的稳定性等方面，两种控制法都没有让他们感受到明显的区别。 3.2 固定圆抗侧倾能力分析 因为ECAS的ECU在气囊高度持续超出容差值60秒后才会调整气囊高度，但在实际使用中，气囊高度持续超出容差值60秒的情况非常有限，所以空气悬架抗侧倾能力试验就需要分为ECU调整气囊之前整车抗侧倾能力试验和ECU调整气囊之后整车抗侧倾能力试验。 ECU调整气囊之前整车抗侧倾能力试验中，单点控制和双点控制主要区别就是节流阀的作用。理论上讲，单点控制时，通过节流阀的连通作用，气压高的一侧的气囊气体会补充至气压低的一侧气囊里，这样的话，会加剧侧倾现象，而双点控制时，由于左、右气囊相对独立，抗侧倾能力就会好些。然而实际试验中，如表2所示，单、双点控制时的抗侧倾能力几乎一样，无区别。 ECU调整气囊之后整车抗侧倾能力试验中，首先绕着固定半径的圆，以稳定的大侧向加速度行驶，使空气悬架达到一定的侧倾角，并超过60秒，触发ECU对悬架进行调整，然后再维持90秒，确认ECU再无调整动作，在整个试验过程中，始终保持侧向加速度为定值。 在空气悬架为双点控制时(见图5)，调整前的前车架与前桥相对侧倾角平均值为2.8?，后车架与后桥相对侧倾角为2.0?，调整时左气囊放气，减小刚度，右气囊充气，增加刚度，调整完成后前车架与前桥相对侧倾角平均值为2.0?，后车架与后桥相对侧倾角为0.9?，侧倾得到了明显修正。 空气悬架单点控制时(见图6)，调整前的前车架与前桥相对侧倾角平均值为2.7?，后车架与后桥相对侧倾角为2.1?，调整时，左、右侧气囊同时放气，调整完成后前车架与前桥相对侧倾角平均值为2.9?，后车架与后桥相对侧倾角为2.3?，侧倾略有加剧，且因为气囊放气，刚度减小，悬架波动加剧。 经反复试验，该车在侧向加速度超过1.4 m/s2，车架与后桥相对侧倾角超过0.9?后，就会触发ECU对悬架进行调整，但是因为ECU需要等待持续超出限值60秒后才会发出指令。在典型山区行驶实际道路行驶过程中车辆侧向加速度在0,3.7 m/s2之间，但转弯的持续时间最长为15秒，均未超过60秒，所以无论单点控制、还是双点控制均未出现侧倾修正。 3.3 静态轮荷偏载对空气悬架侧倾角的影响 空气悬架的偏载对悬架侧倾角有很大的影响。保持该车后桥轴荷为11.8吨，通过逐渐调整后桥左、右轮荷，测量空气悬架侧倾角的变化(见表3)。当后桥左、右轮荷的差值达到1.4吨的时候，后车架与后桥的相对侧倾角达到了1.2?，目测主观评价车身略微倾斜，但并不明显，双点控制时，悬架自动调整，而单点控制时，悬架无调整。气囊在不同载荷时变刚度且固有频率基本保持不变，那么整车空载和满载时，空气悬架的偏载对悬架侧倾角的影响是基本相同的。 如表3所示，当后桥左、右轮荷差值达到1.4吨的时候，即左、右轮荷偏差达到21%时，就需要对空气悬架进行调整，修正整车的侧倾。从而我们可以大致认为当该车左、右轮荷的偏差超过20%时，双点控制由于能够修正空气悬架的侧倾角而具有明显优势，而当该车左、右轮荷的偏差只是保持在20%以内时，单、双点控制无区别。通过研究多种不同结构空气悬架的偏载对相应悬架侧倾角的影响，发现需要修正悬架侧倾角时的左、右轮荷偏差基本上都在20%左右。 4 结论 通过对ECAS系统的空气悬架特性进行理论分析和实际试验验证，我们可以发现单点控制在气囊的正常使用范围内，有悬架的承载能力更强和可以降低整车的制造成本的优势，而双点控制在悬架偏载过大(根据空气悬架结构不同界值不同，基本在20%左右)的时候具有可以自动修正侧倾的优势。在车辆正常行驶的时候，两种控制方式在过弯时的抗侧倾能力、方向的可控性、整车行驶舒适性、制动时的稳定性等方面都没有区别。所以，在实际使用中，如果半挂牵引车不是经常处于偏载过大(根据空气悬架结构不同界值不同，基本在20%左右) 的状态，那么采用单点控制方式较好，反之，则需要采用双点控制方式。 参考文献: [1] 朱华.电控空气悬架系统研究现状及发展趋势[J]. 农业科技与装备，2010，10:1-3. [2] 李基恒，王家建.空气悬架在重型载货汽车上的开发与应用[J].中国汽车市场，2006，7:2. [3] GB/T 6323.6-1994，汽车操纵稳定性试验稳态回转试验[S].