汽车空气悬架研究进展:零部件与系统

日期:2018-10-21 08:21 作者:澳门皇冠 来源:皇冠现金

  回顾了汽车空气悬架发展的历史,对汽车空气悬架核心零部件和系统的先进技术和研究进展进行了综述,包括空气弹簧、液压减振器或集成式液压减振支柱、常规空气悬架、电子控制空气悬架(ECAS)、驾驶室和座椅空气悬架。分析了中国汽车空气悬架从关键零部件到系统研发过程中,尚存在的主要问题和技术难点,并对后续产品的发展方向、技术研发提出了建议:提高空气弹簧的服役疲劳特性,加大带附加气室、内置高度控制阀等复杂产品的研制和应用力度;加大电控液压减振器/ 减振支柱的研制力度,尽早形成自主产品目录和标准,促进进入批量生产与应用;坚持空气悬架系统的自主研制,积累研发经验和创新,有效降低时间价格成本;ECAS 技术除了要加强关键零部件的研制、车辆动力学控制技术性能的提升之外,还要形成针对不同车型的快速设计和匹配能力,加强零部件与系统故障模式、诊断经验的积累,增强ECAS 在各种复杂服役条件下的可靠性与安全性。

  关键词:汽车结构系统;汽车零部件;空气悬架;空气弹簧;液压减振器;集成式减振支柱;电子控制空气悬架系统(ECAS)

  现代汽车越来越重视乘员的乘坐舒适性,而研究悬架系统及其设计对保证车辆具有良好的乘坐舒适性具有重要意义。汽车悬架按照其弹性元件的材质和特性可分为钢弹簧悬架和以橡胶材料为主的空气悬架。钢弹簧( 螺旋弹簧、扭杆弹簧和叠板弹簧) 悬架的刚度特性是固定的,因此当负载变化时,汽车簧载质量的偏频相对于其设计点的频率也是变化的,引起汽车的乘坐舒适性变差;另外钢弹簧悬架的质量大、偏硬,引起的车轮动载较大,因此,车辆特别是重型车辆对道路的损伤作用较大。

  空气悬架的弹性特性具有非线性、自适应的特点,可使汽车簧载质量的偏频在负载变化的情况下保持相对稳定,与传统悬架相比,具有质量轻、内摩擦小、隔振消声特性好的优势,使具有空气悬架的汽车在运行中能获得良好的平顺性和道路友好性( 小的车轮动载)。随着电子控制空气悬架(electronically controlled air suspension, ECAS) 技术的发展,空气悬架的功能、技术指标、可靠性日趋完善,使得车辆水平控制、刚度和阻尼的实时调节、底盘升降控制等性能得到改善,从而大大提高了汽车的综合动力学性能、使用性能。此外,目前空气悬架也越来越好地应用于商用汽车的驾驶室和座椅减振,并且有的悬挂系统的刚度和阻尼可以实时调节,进一步提高了商用汽车的舒适性、减轻了驾驶员的驾驶疲劳。

  本文在简要回顾国内外汽车空气悬架发展历史的基础上,对汽车空气悬架零部件和系统技术进行了梳理,对国内外在空气弹簧、液压减振器或集成式液压减振支柱、常规空气悬架、电子控制空气悬架、驾驶室和座椅减振方面的先进技术和研究进展进行了重点综述,最后总结了汽车空气悬架从关键零部件研发到系统集成过程中存在的主要问题和技术难点,为后续产品发展方向、产品技术研发提出了建议。

  19 世纪中页,人们就梦想能让当时的车辆浮在“空气垫”之上,因为这样的车辆肯定会很舒适。1844 年,Charles Goodyear 公开了橡胶硫化技术专利;1847 年,发明家John Lewis 被授权第1 个美国空气弹簧专利[1],该空气弹簧主要用在铁道车辆、机车、运货车和保险杠上。在随后的50 多年间,包括马车型汽车弹簧[2]、自行车坐垫[3] 在内的很多空气弹簧专利被相继授权,但第1 个具有现代运输意义的汽车空气弹簧专利[4],应该是1901 年Warren Annable 发明的。

  20 世纪初,汽车开始奔跑在美国和欧洲的公路上,第1 个装有空气悬架的汽车是美国1914 年的Owen Magnetic[5] 轿车,在随后汽车快速发展的几十年间,美国FIRESTONE 公司和通用汽车公司成为了汽车空气悬架研发的先驱。1950—1960 年,进入实质性应用的空气悬架已经批量应用于美国的城市公交车和大巴上面,与此同时,英国、意大利、法国、德国及日本等国家也对汽车空气悬架进行了大量的产品研发工作。另外在此期间,带有机械式高度控制阀的主动空气悬架系统概念以及原型车出现,在1958 年1 月美国汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers,SAE) 年会上,有多篇技术论文介绍了包含气源、空气弹簧、机械式高度控制阀在内的主动空气悬架系统[6-7]。在这类系统中,由机械式高度控制阀控制空气弹簧的进、排气,使车身高度在负载和运行状态变化情况下保持不变,车身高度是唯一控制参数。

  1960—1980 年是汽车空气悬架大发展、大繁荣的时期。空气弹簧、气动元件从形式上较早期发生了较大的变化,性能、可靠性也得到了很大的提升,包含机械控制式主动悬架在内的传统空气悬架技术趋于成熟。一大批世界著名的空气悬架企业如FIRESTONE、WABCO、GOODYEAR、NEWAY、HENDRICKSON、CONTINENTAL、SAF 等已经形成了品种齐、技术领先的产品体系和雄厚的工业基础。

  1984 年,CONTINENTAL 公司为林肯轿车研发成功了电控空气悬架原型系统[8], 其构成如图1 所示。该系统除了包含带有再生干燥器的空气压缩机、带有电磁阀的空气弹簧( 后悬架) 或空气弹簧液压减振支柱( 前悬架) 之外,还包含前后车高传感器、车门开启传感器、发动机点火传感器、制动传感器、控制单元(electronic control unit, ECU) 在内的测控模块, 汽车后部还具有故障诊断接口和系统关闭开关。1986 年LEXUSLS400GT 车型和1989 年Range Rover 等车型也先后推出了各自的ECAS 系统。此时的ECAS 系统除了具有传统的车辆水平控制之外,还具有空气弹簧刚度调节、液压减振器阻尼的有级调节和底盘高度的升降控制等功能。图1所示原型系统定义了现代EACS 的主体框架。

  现代控制和元器件技术极大促进了ECAS 的发展,到2000 年前后,ECAS 研发基本成型。此时除了各种小型高档轿车如Mercedes Benz、Audi Quattro、BMW普遍配备了性能优异的ECAS 之外,各种大、中型商用车辆上的机械控制式主动悬架也开始被性能更加优良的ECAS 系统所取代,并且部分商用车辆的驾驶室和座椅也开始使用空气悬架减振。

  从2000 年到现在的近20 年间,ECAS 技术仍处于不断完善的阶段。ECAS 元器件集成度、可靠性越来越高,控制功能继续增多、性能继续提高[9-10],譬如空气弹簧刚度、液压减振器阻尼的无级[11] 匹配控制,通过控制器局域网络(controller area network, CAN) 总线与其他系统的信息交互和协调控制,系统响应更快、更节能等。在ECAS 技术发展历程中,CONTINENTAL公司和WABCO 公司走在行业的前列,积累了近30 年的研发和工程匹配经验。

  空气悬架从进入实质性应用、发展到基本成熟,走过了六七十年的历史,目前在欧洲、北美和亚洲发达国家,高速客车、豪华大巴上空气悬架已成为标准配置,中、重型卡车和挂车上空气悬架的使用率也非常高,小型高级轿车和运动型多用途车(sport utility vehicle,SUV) 上一般都可供选配性能优异的ECAS 系统。

  1) 早期探索阶段:20 世纪50 年代,随着国外汽车空气悬架进入实质性应用,中国大陆也启动了汽车空气悬架的研究。1957 年,长春汽车研究所( 现中国第一汽车集团公司技术中心) 和北京橡胶工业研究设计院合作研制了中国第1 辆装有空气弹簧的载重汽车[12],随后又相继研制了公共汽车、无轨电车和铁道车辆使用的空气悬架;1958 年,长春汽车研究所和北京交通运输局合作研制了中国第1 只高度控制阀,1959 年又研制了高级轿车使用的高度控制阀。这段时期,中国共研制出了10 余种空气弹簧和3 种机械式高度控制阀,但由于当时整体民族工业水平的限制,所研制的样机在密封性、稳定性和可靠性方面存在不少问题,加上当时各种社会原因,这些产品后续都没有得到完善和推广应用。

  进入80 年代以后,中国大陆宏观经济、各行各业开始向好,长春汽车研究所再次启动了空气悬架研发。在1980—1987 年,该研究所先后为武汉客车厂、沈阳电车公司、沈阳飞机制造公司汽车厂研制了多种客车或电车的空气悬架。这个时期国产空气悬架存在的主要问题是橡胶气囊的疲劳寿命偏低、高度控制阀漏气和动态响应较差。

  2) 引进消化吸收阶段:1990—2000 年,中国大陆高速公路网从开始建设到迅速发展,很多运输公司从国外进口了带有空气悬架的豪华客车投入运营,如尼奥普兰、欧洲之星、沃尔沃系列和福特系列豪华大巴车型。为了提高在运输市场上的占有份额,中国大陆客车厂开始直接从国外购置空气悬架或空气悬架底盘进行装车,如北方车辆制造厂、沈阳飞机制造公司汽车厂、宇通客车、厦门金龙、亚星客车等厂家。

  与此同时,为了满足空气悬架维修配件市场的需求,中国大陆一些零部件企业也开始研制和生产空气弹簧等配件,如四方车辆研究所、贵州前进橡胶有限公司、交通部重庆公路科研所、株洲时代新材等公司。同时一些外资企业也开始在中国生产和销售空气悬架配件,如NEWWAY、SAF、CONTINENTAL 等公司。

  在此期间,中国大陆制造企业对进口汽车空气悬架技术,从零部件到系统,都有了一定程度的学习、消化和探索。

  3) 创业发展阶段:到2000 年左右,中国大陆随着社会的大发展,汽车及零部件市场需求急剧扩大,中国重汽集团、东风汽车悬架弹簧有限公司、上海科曼车辆部件系统有限公司等厂家,在前期消化吸收的基础上开始匹配、研制空气悬架,并且不断有新的厂家加入研制行列。到2010 年,中国大陆已经研制了近100多个品种的传统空气悬架产品投入应用[13],拥有了包括重汽HOWO-A7、东风EQ6850KR、一汽解放J6、苏州金龙KLQ6128Q 等车型在内的大批空气悬架汽车,并远销东南亚、中东、澳大利亚等国外市场。

  到目前为止,中国大陆汽车空气悬架产业总体处于欧美20 世纪90 年代初的水平,主体就是传统空气悬架,具有了从零部件到系统的集成配套能力。但从产品的实际应用效果上看,国产空气悬架性能尤其是稳定性、疲劳耐久性不及进口空气悬架,关键零部件与国外相比尚存在一定差距,这种差距也是当前不少企业采取从国外进口空气弹簧、电磁阀、传感器等关键零部件,自己以研制结构件、进行系统集成为主的主要原因。从应用层面来看,中国大陆客车空气悬架装车率还在稳步提升,但中、重型卡车空气悬架装车率,由于不适合于超载运输等市场原因而一直偏低。

  近些年随着大量配置ECAS 的国外车辆进入中国,以及国外公司如WABCO 公司开始将ECAS 引入中国生产,带动了中国大陆EACS 技术的研究开发。目前,已经有一些公司在为主机厂(如长城汽车、广汽、奇瑞等)进行配套试装和试验,也有少数零部件企业开始试制ECAS 零部件,进入进口车维修配件市场,但从宏观上,中国产ECAS 技术尚处于起步阶段。

  空气弹簧产品是由内外层橡胶、帘线层和钢丝圈,经硫化工艺牢固粘合在一起的橡胶金属复合物,其结构型式主要包括囊式和膜式。

  针对空气弹簧的理论研究主要有3 类模型:多物理参数化模型、等效参数化( 或力元) 模型和有限元分析模型,第4 类黑箱模型研究相对较少。实验研究主要测试空气弹簧的垂向或横向静刚度特性、垂向动刚度和阻尼系数的频变特性等,测试结果往往用来验证理论模型的正确性以及进行空气弹簧模型或参数的辨识。理论与实验研究结果用来明确各种材料、结构参数对空气弹簧技术性能的影响,并指导空气弹簧的设计与制造。

  1) 多物理参数化模型:多物理参数化模型基于压缩空气的热力学定律和流体力学定律,涉及包含气体压力、体积、密度、多变指数、弹簧作用面积、节流孔尺寸和流量系数,以及各种传热参数在内的整个气动系统的物理参数,涉及空气弹簧本体、附加气室、节流孔、管路等各部件的建模,整个模型具有较强的非线性,早期Quaglia 等[14] 和Docquier 等[15-16] 的工作具有代表性。

  空气弹簧带附加气室的目的是进一步降低弹簧刚度,相当于两个空气弹簧通过节流孔串联,理论上对节流孔进行调节,可以获得更为宽的刚度变化范围。Liu[17] 等建立了带附加气室、节流孔的空气弹簧多物理参数化模型,研究了激振频率、节流孔面积和附加气室容积对动刚度的影响,台架试验验证了模型的正确性。

  在带附加气室的空气弹簧中,节流孔有一定程度的耗能作用,但这不能是它的主要功用,并且节流孔不能被高频调节,否则动刚度特性将会变差。因此,现代ECAS 在工程应用上,往往对液压减振器进行阻尼连续调节,对空气弹簧采取有级简单调节。事实上,由于空气弹簧本身就具有刚度自适应性,再加上2 到3 级的基点刚度变化,已经足够获得宽广的刚度变化范围了。

  在空气弹簧多物理参数化建模、实验验证和参数影响研究领域,同类研究还包括Lee[18]、Zargar[19] 等对汽车空气弹簧和Li 等[20-21]、Gao 等[22] 对列车空气弹簧开展的研究。

  2) 等效参数化模型:该模型采用刚度、阻尼、惯性、摩擦等标准力学单元构建,含有参数较少,物理意义明确,因此更适合用于车辆动力学的仿线 所示是几种常见的空气弹簧等效参数化模型,虽然它们主要用于列车空气弹簧建模,但在很大程度上值得借鉴。图2a 是一种弹簧-阻尼等效模型,将空气弹簧简化为一个线性刚度K 和一个线b 称为Nishimura 模型[23],模型中K1、K2、K3分别为由于气体压缩产生的刚度、附加气室刚度和有效作用面积变化产生的刚度,λ 是气囊与附加气室的容积比,C 为气体流经节流孔时产生的阻尼系数,C 可以是线性阻尼或者是与速度成二次方[24] 规律的非线c 是多体动力学软件Vampire 中空气弹簧的主要模型,K1、K2、K3、C 的意义与图2b 中的一样,K4 是串联橡胶堆的刚度;M 是排气管内的可变空气质量,其受空气弹簧有效作用面积与排气管截面积之比n 的放大作用。图2d 是Berg 三维模型[25] 中的垂向模型,该模型将空气弹簧描述为弹性力元、摩擦力元和阻尼力元的叠加,还包括管路空气流动产生的非线性惯性因素。模型中包含7 个参数:弹性力元的等效刚度Kez,摩擦力元的最大值Ffz-max 和位置参数Z2,阻尼力元的等效刚度Kvz、等效阻尼系数Czβ 和速度指数β,管路空气质量M。

  Facchinetti 等[26] 对以上不同空气弹簧模型进行了对比,并研究了采用不同模型进行计算时对车辆动力学的影响,结果表明采用简化的空气弹簧模型,如图2a 所示的弹簧-阻尼等效模型会造成较大误差。

  Mazzola 等[23] 和Alonso 等[24] 则采用了实验方法对比,评估了以上模型的精确性,结果表明弹簧-阻尼等效模型和线性Nishimura 模型不适合于研究3 Hz 以上的振动,Vampire 模型和Berg 模型具有较高的预测精确度。

  空气弹簧有限元(finiteelement analysis, FEA) 分析模型主要基于有限元建模理论、材料力学理论和接触力学理论获得。由于空气弹簧刚度特性跟其结构、材料特性息息相关,因此通过FEA 建模和分析可以获得更为直接的影响参数和灵敏度结果。Lee 等[27] 对某汽车膜式空气弹簧进行了FEA数学建模,建模中考虑了尼龙纤维增强橡胶的正交各向异性、大变形几何非线性以及气囊与钢丝圈的接触特性,基于所建FEA 模型重点研究了帘线层角度对空气弹簧变形和静刚度特性的影响。近些年,许多国内学者也直接运用有限元商业软件开展了一些应用研究[28-29],内容包括分析气压、帘线层角度和层数、附加气室容积等参数对空气弹簧静刚度特性的影响。从空气弹簧产品角度来看,由于国内橡胶技术起步早且具有较好的工业基础,加上改革开放后巨大的市场推动,到现在中国大陆车用( 汽车、列车) 空气弹簧产品的研发、原材料、制造工艺、试验验证技术已经基本成熟,形成了较完整的产品系列。但从产品的实际应用效果上看,国产空气弹簧还是在耐久性、可靠性方面与国外产品存在差距,国内公司也一直在致力于这些方面的研究、开发和试验工作。

  液压减振器是汽车空气悬架系统的阻尼部件,对迅速耗散振动能量起着关键作用。针对液压减振器模型的研究方法与针对空气弹簧的研究方法有类似之处,也可大致分为多物理参数化建模、简化参数化( 力元)建模、非参数化( 黑箱) 建模和混合建模方法。

  集成式液压减振支柱( 简称减振支柱,下同) 一般是指螺旋钢弹簧或空气弹簧与液压减振器的集成式产品,如图3 所示为某型钢弹簧液压减振支柱和空气弹簧液压减振支柱。由于采用了集成式设计方法,悬架零件数量减少,重量减轻,有效节省了安装空间,还便于实现电子控制。从理论上讲,集成式减振支柱的输出力和采用分散设计时的输出力大小一样,力作用点稍有变化,但由于阻尼力和弹簧力是耦合在一起的,给悬架分析、标定带来一定困难。马莉等[31] 通过特性方程推导,解耦出了减振支柱空气弹簧部分的静刚度特性,并通过台架试验、数据分析,验证了静刚度特性方程的正确性。目前,减振支柱特别是空气弹簧液压减振支柱在国内尚没有产品目录、技术标准和专用试验方法。

  可变阻尼液压减振器、可变刚度和阻尼的空气弹簧液压减振支柱一直是汽车智能悬架的核心部件,下面就这部分内容进行简要分类和介绍。

  :这是一类通过结构变化或者负载关联方式获得可变(自适应) 阻尼的液压减振器/ 减振支柱,本质上属于被动式液压减振器/ 减振支柱的范畴,无需传感器和电子控制。图4 是一种行程敏感(stroke-dependent) 液压减振器及其阻尼力-速度特性[11,30]。当车辆承受额定负载在良好路面上匀速行驶时,减振器活塞振动平衡位置处于中部区域,由于缸筒内壁在此区域内开有旁通槽,因此减振器阻尼力较小,特性较软,车辆能获得较好的舒适性;当车辆处于侧倾、纵倾或振动较大工况,或处于重载或空载工况时,减振器活塞振动平衡位置处于两端区域,由于缸筒内壁在此区域内没有旁通槽,因此减振器阻尼力较大,特性变硬,车辆此时又能获得良好的操纵稳定性;一般由于旁通槽的加工工艺保障,减振器在软、硬阻尼切换区域能获得良好的过渡特性。行程敏感液压减振器/ 减振支柱适合配置于承载变化范围大又具有良好舒适性和安全性的商用车辆悬架中。

  图5 所示是在奥迪A6[9] 空气悬架中配置的一种气动阻尼控制(pneumatic damping control, PDC) 负载敏感(load-dependent) 空气弹簧液压减振支柱的结构原理图。减振器的工作原理是:主压力缸筒通过孔道与副压力缸筒相通,油液在副压力缸筒与储油缸之间的流动则由一个PDC 阀来控制;PDC 阀实际上是一个由气囊气压控制的节流阀,气压增大,节流口关小,直至关闭;气压减小,节流口增大,直至最大。当车辆因承载减小或者底盘控制高度降低而引起气囊气压减小时,PDC 阀节流口增大,引起减振器阻尼力减小,特性变软;反之则引起减振器阻尼力增大,特性变硬。也就是说,不管车辆负载怎么变化,悬架阻尼总能与空气弹簧刚度自适应形成匹配,使得车辆具有良好的舒适性和操纵稳定性。

  由于行程敏感、负载敏感型液压减振器/ 减振支柱无需传感器和电子控制,成本低、可靠性高,还能获得自适应阻尼特性,近年来,国外通过结构创新[30]不断有新型被动式可变阻尼减振器产品推出,其研发热度有增高的趋势。

  近年来,随着国外产品进入中国市场,国内学者开展了一些有意义的消化和科研工作,譬如针对行程敏感液压减振器[32-33] 和PDC 空气弹簧液压减振支柱[34]的研究,其主题包括多物理参数化建模、阻尼特性仿真、台架实验与验证分析。

  早期的电控减振器[35] 产品采用微小电机控制与活塞杆同轴的阀杆转动,从而改变活塞上转阀节流孔的大小,实现对阻尼的调节,这种结构的减振器/ 减振支柱产品目前还有应用。江浩斌等[36-37] 研究了这种结构减振支柱的多物理参数化建模、特性仿真、台架实验验证以及采用这种减振支柱的半主动悬架汽车的动力学仿真分析。随着加工制造工艺和电磁阀技术的发展,近十几年又出现了以副压力缸筒作为分流控制源、以电磁阀控制节流的结构形式,如图6a 所示是一种连续阻尼控制(continuous damping control, CDC) 液压减振器[30]。该减振器由一个反比例电磁阀连续控制处于副压力缸筒和储油缸之间节流口的大小,从而实现对阻尼力的连续调节。当反比例电磁阀无控制电流或失效时,其节流口关闭,减振器相当于常规被动式减振器,此时阻尼特性最硬;当反比例电磁阀有控制,电流逐渐增大时,其节流口开启并逐渐增大,此时阻尼特性变软,直至最软。图6b 所示为该减振器的阻尼特性变化范围[30],在深色区域内,减振器特性较硬,车辆以获得良好操纵稳定性为主;在浅色区域内,减振器特性较软,车辆以获得良好舒适性为主。图6c 所示则是在CDC 减振器基础上设计的一种CDC 空气弹簧液压减振支柱[30],空气弹簧带有附加气室,因此该减振支柱刚度、阻尼都可以变化,是当前汽车主动控制悬架中最先进的减振支柱产品之一。

  Witters 等[38] 基于神经网络方法对某CDC 液压减振器进行了黑箱建模,通过最优实验设计、回归向量选择和参数估计进行了模型辨识。王洪成[39] 研究了CDC 液压减振器的参数化建模、仿真与台架实验分析,并针对某车型研制了半主动悬架控制系统硬件和软件,进行了实车道路试验。李明[40] 也研究了CDC液压减振器的原理、结构,进行了阻尼特性台架试验和实车道路试验。任欣[41] 则基于计算流体动力学(computational fluid dynamic, CFD) 方法,分析了某半主动叶片式减振器上配置的比例阀的流量、开度与驱动电流的动态关系,实验验证了分析结果的正确性,为减振器的设计和控制提供了基础。

  奔驰系列车型上使用了一种类似以上CDC 减振器结构的半主动电控减振器,其不同点是采用了两只开关型电磁阀,对两套外置式活塞及阀门进行组合控制,一共能获得四档阻尼特性。近年来,部分国内学者针对这种减振器进行了学习、研究。此外,近5 年针对电、磁流变半主动减振器/ 减振支柱产品的研发进展很快。可以预见将来该类产品和油压式减振器/ 减振支柱产品一样,能批量应用于汽车悬架系统。由于这部分研究涉及另外一个主题,本文不再论述。

  综上所述,传统固定阻尼特性的液压减振器向可变阻尼特性液压减振器方向发展,向集成式减振支柱方向发展。空气弹簧液压减振支柱当前的发展趋势是:空气弹簧带小型附加气室,基点静刚度2~3 级可调;液压减振器具有有级或连续可调阻尼,通过行程敏感、负载敏感或电子控制方式与刚度形成实时最佳匹配;减振支柱总体具有水平控制、底盘升降和刚度阻尼自适应控制等功能。

  以上技术都来源于国外,国内在常规液压减振器技术方面已有规模和基础,但在减振支柱尤其是可变刚度和阻尼的支柱方面,目前处于起步阶段,只有部分企业在进行研究、试制。其难点在于电磁阀、空气弹簧和液压减振器的集成工艺以及上批量后产品质量的控制问题。虽然减振支柱目前在国内还没有产生有效的市场驱动,也没有批量产品和产品标准,但其发展和普及已是大势所趋,在未来具有很好的应用前景。

  空气悬挂动力学是空气悬架设计的基础,空气悬架部件建模、车辆系统建模、车辆动力学仿真分析,是空气悬挂动力学研究的基本课题。Darris[42] 建立了具有转臂式空气悬架重卡的侧向动力学模型,研究了空气。悬架水平控制系统参数,如高度控制阀流量、死区、响应时间对车辆侧向稳定性的影响。Chang 等[43] 研究了汽车空气弹簧建模,进行了仿真与台架实验验证,并将空气弹簧Matlab 仿真模型与整车机械系统动力学自动分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems, ADAMS)、多体系统动力学(multibody system, MBS)模型进行联合仿真,研究了车辆空气悬挂动力学特性。Ranjit[44] 设计开发了一种由阻尼孔联接气缸上、下气室的空气悬架( 即气体弹簧、气体阻尼),对该空气悬架进行了建模和集成到1/4 汽车模型的动力学研究。Bollishetty 等[45] 也研究了某商用汽车空气弹簧的参数化建模、实验验证、整车MBS 建模和车辆动力学仿真。

  常规空气悬架研发与优化基于空气悬挂动力学理论,借助系列计算机辅助工具、台架与道路试验验证平台。Ashley 等[46] 介绍了翰德森(Hendrickson) 公司基于并行工程、先进制造和试验技术,以轻量化、提高舒适性和操纵稳定性为目标,成功研制的一种商用车前空气悬架和转向桥模块。Leandro 等[47] 和Dean[48]分别介绍了其空气悬架的设计、调试过程,体现了如何在车辆舒适性、操纵稳定性指标之间获得平衡的难点和解决方案。Zhang 等[49] 介绍了采用有限元对某具有空气悬架厢式货车进行模态和功率谱分析的计算机辅助方法,以期用于商用车辆的减振优化设计和疲劳设计。Nikolai 等[50] 借助AMEsim 商业软件,通过对整个空气悬架系统包括空气压缩机、管路、阀、空气弹簧等部件的建模和施加控制,探索了汽车空气悬架的优化设计。而Eskandary 等[51] 则通过对一种能独立调节高度和刚度的汽车空气悬架的数学建模进行目标优化,实验结果验证了该悬架的优点和优化设计的效果。

  互联悬架[52] 的设计初衷是通过机械、液压或气压方式将车辆各悬架的负载、运动关联起来,促进载荷在各车轴上的分配,增加车辆的侧倾或纵倾刚度,提高车辆的稳定性。Chen 等[53] 建立了某三轴半挂车纵向互联空气悬架的数学模型,并通过实验进行了模型验证,研究了驾驶工况、悬挂参数对车辆动态载荷分配、道路友好性的影响。Hua 等[54] 对一种空气弹簧加液压互联横向稳定系统的悬架进行了实车试验研究,结果表明该悬架在提高车辆横向稳定性的同时也具有良好的舒适性。Li[55] 采用实验和仿真方法研究了具有空气互联悬架车辆的隔振和消扭特性,结果表明管路长短、壁厚对互联效果影响较大,横向互联空气悬架能有效消除车辆的扭转负载, 减小侧倾角,但对车辆纵倾角影响有限。

  常规空气悬架产品的研发,国外从设计匹配方法、计算工具、原型样机制造到试验,早已形成了成熟的规范,其零部件和系统形成了产品系列,并经过了多年的实车运行和不断优化。国内常规空气悬架产品的研发,已进入自主研发的阶段,但在设计经验、试验验证条件、时间价格成本、零部件基础、系统性能及可靠性方面,与国外相比还是有差距。

  电子控制空气悬架系统(ECAS)是一个完整的气动控制系统,主要包括气源装置、控制元件、执行元件、传感器和控制单元(ECU)。气源装置一般包括由电机驱动的空压机、干燥器、排气阀和储气罐,控制元件包括各控制电磁阀及其他阀门,执行元件就是气囊和液压减振器,传感器一般包括用来检测气源状态的压力和温度传感器、检测车身水平的车高传感器,而车辆其他状态与控制信息如发动机点火、车辆加速、制动或转向等信息,一般通过CAN 总线交互获得。ECU接收来自各传感器、CAN 和驾驶员输入信息( 如运动模式、车高选择),通过信息处理后,控制气囊的充放气和液压减振器的阻尼。在工程实施上,ECU 一般采用简单、可靠的算法,如天棚阻尼控制算法等。随着元器件质量的提高,目前ECAS 系统电磁阀的响应时间在5 ms 左右,电控减振器变阻尼时间小于10 ms,气囊变刚度时间小于100 ms。

  图7 所示为奥迪A6 车型[10]ECAS 的气动控制系统原理图和主要元器件的布置图。由图7a 可见:该车型两个后减振支柱具有PDC 阻尼自适应功能;气动控制系统设置了5 个电磁阀,用来分别控制1 个储气罐和4个减振支柱的进排气;由1 个电磁排气阀和1 个气控排气阀配合控制排气过程,并且气控排气阀还具有限制空压机最高压力的功能;当车速大于36 km/h 时系统主要由空压机供气,储气罐同时被充满,当车速小于36km/h 时,储气罐则充当辅助气源。由图7b 可见ECAS系统一般采用集成度非常高或者一体化的方法进行设计,整个系统在有限的空间内予以布置。从某种程度上讲,ECAS 系统的水平和可靠性取决于各元器件的设计制造水平和可靠性。

  ECAS 针对乘用车的应用一直多于针对商用车辆的应用,但随着技术进步和市场推动,近十几年来ECAS在商用车辆上的应用已越来越多。商用车辆ECAS 除了替代过去由机械式高度控制阀操作的水平控制之外,还能进行底盘升降等控制,便于装卸货物、提高燃油经济性和舒适性。图8 所示是WABCO 公司[56] 用于商用车辆ECAS 系统的部分零部件产品。

  针对ECAS 的研究一般偏重信号处理和控制算法。Toshio 等[57] 针对配置主动空气悬架的1/4 汽车动力学模型,进行了模糊控制算法和干扰观测器的设计,实验结果验证达到了较好控制效果。Porumamilla[ 等58]则针对配置主动空气悬架1/4 汽车动力学模型中的不确定性,设计了鲁棒LQG 和H∞ 控制器,并进行了仿真分析。Kim 等对某ECAS 气动控制系统分别设计了闭环容错[59-60] 控制算法和滑模[61] 控制算法,其中滑模控制算法主要针对汽车进行高度和水平控制,所提出的控制算法及效果均得到了仿真和实车道路试验的验证。Zhao 等[62] 则在对某车辆空气悬架系统进行详细建模的基础上,设计了Fuzzy PID 控制算法,通过将Matlab 控制模型与ADAMS 动力学模型进行联合仿真,表明达到了较好的控制效果。

  Nieto 等[63] 研究了一种能利用电控阀切换气动回路的自适应空气悬架,车辆通过全球定位系统(global positioning system, GPS)接收器预测道路状况,然后切换“软”或“硬”气动回路以提高车辆的舒适性或操纵稳定性。Sun 等[64] 建立了车辆高度调节系统的非线性数学模型,提出了一种混合逻辑动态控制方法用于对ECAS 电磁阀的控制,仿真与实验方法验证了所提出控制算法对车辆高度和水平控制的效果。Xu 等[65] 则基于1/4 汽车动力学建模,分别采用扩展卡尔曼滤波、强跟踪滤波和容积卡尔曼滤波3 种方法,研究了ECAS传感器的故障识别和隔离,实验结果对比表明采用容积卡尔曼滤波方法效果最好。

  目前,乘用车ECAS 技术在国外已经成熟,但是元器件技术还在不断完善,系统技术还在不断融入到整车电子控制当中;商用车ECAS 技术和市场也在不断提升和扩展。中国大陆汽车ECAS 技术,从零部件到系统集成,目前都处于起步阶段,虽然技术进步和积累有个过程,但可以预见未来的市场前景是广阔的。

  空气悬架已广泛应用于商用车辆驾驶室的减振,进一步提高了驾驶室的舒适性和稳定性。图9 所示是一种卡车驾驶室的空气悬挂系统[30], 该悬挂系统使用4只带内置式[11] 高度控制阀和行程敏感式液压减振器的空气弹簧液压减振支柱,来保持驾驶室的水平和动力学控制;悬挂系统后部取消了传统的被动式横向稳定杆,采用由一个液压作动器驱动侧向稳定机构的主动防侧倾稳定系统,由此可以获得极好的稳定性。部分高端商用车辆驾驶室还采用了带CDC控制的ECAS系统,即悬挂阻尼能根据车辆状态进行智能调节,从而消除了被动式空气悬架在舒适性和稳定性之间的设计矛盾。

  McKenzie 等[66] 介绍了荷兰NEWAY公司研发的传统空气悬挂系统,用作卡车驾驶室悬架。该系统由倾斜配置的空气弹簧和可变力臂的液压减振器组成,这种设计使得该悬架固有频率被控制在1 Hz 左右的水平,避开了人体的敏感频率,提高了乘坐舒适性和驾驶员的抗疲劳特性。Gross 等[67] 介绍了所开发的配置4 只空气弹簧液压减振支柱和1 根横向稳定杆的某重卡驾驶室空气悬挂系统,该减振支柱配置了行程敏感式液压减振器,还可选配内置式高度控制阀。Andou 等[68]研究了一种由硅油阻尼器和空气弹簧组成的用于某液压挖掘机驾驶室减振的复合悬挂,建立了该复合悬挂系统的动态数学模型,并通过实验予以验证。Yan 等[69]基于遗传算法研究了某驾驶室半主动空气悬挂系统的模糊控制。Tang 等[70] 则使用AMEsim 软件针对某商用汽车空气弹簧进行建模,并与整车ADAMS 动力学模型进行联合仿真,研究了在随机激励下空气弹簧参数对商用车驾驶室乘坐舒适性的影响。

  空气悬架目前也广泛应用于商用车辆驾驶员座椅的减振,如图10 所示[71]。采用空气悬架的座椅具有较好的负载适应性和很低的固有频率,因此乘坐舒适性和驾驶员的抗疲劳特性得到了极大的提高。Ahmadian等[72] 采用实验方法对比研究了常规泡沫坐垫和充气坐垫在硬化、压力分布和阻尼方面的特性,结果表明充气坐垫无硬化,负载压力分布均匀,因此舒适性和抗疲劳特性更好。作者还提出了两种[73] 用于对坐垫进行长期动力学特性进行测试的方法。Inendino 等[74] 建立了某高速卡车空气悬挂座椅系统的数学模型,基于道路试验数据进行了模型验证和优化。Jin 等[75] 也建立了某重卡带附加气室空气悬挂座椅系统的数学模型,并通过实验数据进行了模型验证。

  商用车辆空气悬挂座椅系统的( 半) 主动控制也是一个研究热点。Zikrija 等[76] 建立了某重型车辆空气悬挂座椅系统的数学模型,采用人工神经网络控制算法对半主动液压减振器进行控制,并进行了仿真与台架实验研究。Salihbegovic 等[77] 研究了由主动空气弹簧和被动式液压减振器组成的越野车辆司机座椅空气悬架系统,设计了模糊控制器,仿真和台架实验结果表明达到了好的控制效果。Gu 等[78] 研究了汽车座椅主动悬挂系统的鲁棒控制。Zheng 等[79] 则建立了某轮式拖拉机由带附加气室空气弹簧和磁流变减振器组成的座椅系统的非线性数学模型,实验结果证明该非线性模型较常规等效线性化模型具有较高的表现精度,最后研究了车速、空气弹簧与附加气室容积比、阻尼孔截面积对拖拉机底盘、驾驶室和座椅振动特性的影响,为后续半主动控制器的开发奠定了基础。

  综上所述,为了追求更好的舒适性和稳定性,与车辆空气悬架一样,用于商用车驾驶室和座椅减振的空气悬架系统也朝着主动控制的方向发展。目前,国外有关公司[31] 仍是这些技术的领跑者。国内在驾驶室和座椅空气悬架研发方面投入很大,产品还是集中在常规空气悬架零部件和系统,有不少单位如中国北方车辆研究所等已经形成了批量生产和配套能力,但主动控制空气悬架不管是在研发还是应用层面,目前还是处于起步阶段。

  为了同时获得舒适性、操纵稳定性和运行便利性,不论是车辆底盘的减振,还是驾驶室、座椅的减振,传统空气悬架朝着ECAS 方向发展,而ECAS 技术则朝着更加智能、节能以及与整车电子控制、网络控制融合的方向发展;元器件和系统产品质量、可靠性进一步提高,并朝着集成度更高或一体化设计的方向发展。预计未来10 年,国外一些具有历史沉淀、技术积累和先进技术研发实力的公司,还将在全球汽车空气悬架领域起引领作用。

  目前,中国大陆汽车空气悬架,从关键零部件到系统集成,尚存在以下主要问题和技术难点:

  应加强针对该类产品在模拟实际服役工况下的耐久性试验和数据采集分析研究,重点从材料、设计的角度进一步提升产品质量,同时要加大对带附加气室、内置高度控制阀等复杂产品的研发和试验力度。

  电控空气弹簧液压减振支柱,除了存在上述关键问题外,还存在空气弹簧与减振器集成的密封、联动控制问题;电控液压减振器/ 减振支柱均存在可靠性、耐久性的问题。针对电控液压减振器/ 减振支柱的研究虽然不少,但这类产品在国内毕竟还没有形成正式的产品目录和进入批量生产及应用,因此关于这类产品的技术标准、试验方法以及性能方面的理论研究尚待继续深入。

  目前已进入自主研发的阶段,存在的主要问题体现在研发经验、试验验证条件、时间价格成本、零部件基础、系统性能及可靠性等方面。

  存在的主要问题和技术难点:一是关键零部件的研制,譬如高可靠电控空气弹簧液压减振支柱、高度传感器、气动电磁阀集成件的研制;二是控制与车辆动力学性能的提升,这方面还需要做大量的理论分析研究、道路试验评价和算法版本升级工作;三是形成针对不同车型的快速设计和匹配能力;四是加强零部件与系统故障模式、诊断经验的积累,增强ECAS 在各种复杂服役条件下的可靠性与安全性。空气悬架是中国未来汽车悬架发展的必然方向,具有广阔的市场和应用前景。中国汽车空气悬架行业要蓬勃地发展,必须坚持自主创新,从基础零部件到系统进行持续的技术积累、经验积累和产品升级。

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