半掛牽引車后橋空氣懸架系統單點控制和雙點控制研究

潘 亮，邢紅巖，田 勇，張紅星

（東風汽車有限公司 東風商用車技術中心，武漢 430056）

空氣懸架系統是以空氣彈簧為彈性元件，利用氣體的可壓縮性實現其彈性作用，與鋼板彈簧懸架相比具有獨特的性能和適應性。到目前為止，美國在重型載貨車上空氣懸架的占有率是85%，同時大約82%的拖掛車使用空氣懸架，歐洲大約與之相同。空氣懸架在我國的應用落后國外幾十年，在重型半掛牽引車上的應用目前還處于起步階段。隨著重型半掛牽引車對路面破壞機理的研究及認識進一步加深，限制超載逐步在國內各地受到重視，空氣懸架在重型半掛牽引車上的應用將進一步擴大。

本文以某4×2半掛牽引車為例，通過理論與實際試驗結果分析，對后橋電控空氣懸架系統采用單點控制和雙點控制的優缺點進行了研究。

1 后橋空氣懸架系統的構成

半掛牽引車后橋空氣懸架系統按照控制方式分為機械式和電子控制式兩種。電控空氣懸架（ECAS）相比常規機械控制系統具有如下優點：

（1）減少空氣消耗；

（2）通過自動調節可實現車輛保持不同高度，可對兩個高度進行編程記憶；

（3）由于使用了大截面的進（出）氣口而使所有控制過程變化非常迅速；

（4）通過參數設置，ECU可實現多種功能；

（5）通過使用遙控器減少了裝卸操作的危險性。

因此，ECAS系統是目前主流的空氣懸架系統。

ECAS系統一般由空氣彈簧、電子控制器（ECU）、電磁閥、遙控器、導向機構、高度傳感器、減振器和橫向穩定桿等組成。通過高度傳感器連續不斷的測量車架與車橋之間相對高度的變化，并將其轉換成電信號傳遞至ECU，ECU再以此為依據，對氣囊適時進行適當的調整。如果ECAS系統是依據單個高度傳感器的輸入做為判斷依據，那就是單點控制，如果ECAS系統是依據兩個高度傳感器的輸入做為判斷依據，那就是雙點控制。通常，單點控制有三種形式，分別是橋左側布置、橋右側布置、橋中間布置（見圖1），雙點控制只有一種形式，橋兩側布置（見圖 2）。

2 單、雙點控制結構區別及各自的優缺點

ECAS系統單、雙點控制除了在高度傳感器方面的差異外，電磁閥的結構也是略有差異的。以美國威伯科公司的ECAS III型電磁閥為例，單點控制用電磁閥（見圖3）與雙點控制用電磁閥（見圖4）都是一個進氣口（11口）與儲氣筒相連，兩個供氣口（22口和23口）各與左、右側氣囊相連，不論是單橋還是雙橋，同一側的氣囊都是通過三通互相連通的，氣囊壓力差最大不會超過0.1 bar。在需要給氣囊放氣時，ECU控制電磁閥使22口和23口與排氣口（3口）連通，將多余的氣體排向大氣。從圖中不難看出，兩種電磁閥最大的區別就是雙點控制時，左、右側氣囊氣壓是由兩個電磁閥分別控制的，也就是可以獨立的給單側氣囊供氣和放氣，左、右側氣囊各自為一個系統，而單點控制時，負責調整左、右側氣囊氣壓的電磁閥是同時開閉的，兩側氣囊同時供氣和放氣，且左、右側氣囊通過節流閥互相連通，左、右側氣囊一起構成了一個系統。

目前半掛牽引車ECAS系統中，單點控制和雙點控制都在被采用，兩者都有優缺點。單點控制的最大優勢就是成本優勢，比雙點控制少了一個高度傳感器，也少了安裝第二個高度傳感器的工序，成本上降低了200塊左右。在工況相同的情況下，氣囊的工作氣壓往往會對氣囊的壽命造成很大的影響。以德國康迪泰克4183N型氣囊為例，氣囊正常工作的最大氣壓為9 bar，如果氣囊長期工作在9 bar以上，氣囊的壽命會受到很大的影響。單點控制時因為左、右側氣囊通過節流閥互通，所有氣囊的工作氣壓幾乎相同，不存在雙點控制左、右側氣囊氣壓有差異的情況，承載能力更強。雙點控制的優勢是由于左、右側高度傳感器分別控制，懸架在遇到側傾時能夠自我修正，使車架保持水平，消除或者減輕車架和后橫向穩定桿受到的扭力，而這恰好是單點控制的缺點。

3 半掛牽引車單、雙點控制方式的選擇

單點控制和雙點控制在理論上講都各有優缺點，在實際使用中，ECAS系統生產廠家會根據車輛的使用工況在控制邏輯上進行優化和取舍，那么還需要根據ECAS系統在實際使用工況下的表現來判斷單、雙點控制方式的優劣。

不難理解，同樣的情況下，后雙橋6×4半掛牽引車比4×2半掛牽引車的抗側傾能力更強，因此選取4×2半掛牽引車進行分析是具有代表性的。某4×2半掛牽引車前懸架為少片簧懸架，后懸架為空氣懸架，空氣懸架結構為左、右側各一個氣囊和一個減振器，單點控制時為橋左側布置結構，雙點控制時為橋兩側布置結構，空氣懸架電控系統采用威伯科在商用車領域最先進的ECAS III電磁閥及配套ECU。在標定ECAS系統時，ECU默認當高度傳感器的高度變化持續超出容差帶后60秒才會觸發氣囊充放氣，經過反復試驗驗證，高度傳感器的容差帶在±12 mm左右是最理想的。

本文通過三種試驗方案，分別從實際道路行駛工況、動態抗側傾能力和靜態抗側傾能力等方面分析評價單、雙點控制。這三種方案分別是：

（1）典型道路行駛工況試驗，平原一般公路和山區一般公路進行單點控制和雙點控制實際道路工況采樣，選取同一路段行駛100 km左右，采集氣囊氣壓、氣囊高度、空氣懸架耗氣量等參數分析單、雙點控制在實際使用中的區別；

（2）固定圓抗側傾試驗，獲取不同側向加速度時，空氣懸架的側傾角，并據此來分析動態時單、雙點控制在整車抗側傾能力方面的區別。

（3）靜態輪荷偏置試驗，通過靜態測量后橋左、右車輪的輪荷和空氣懸架側傾角，分析靜態時整車單、雙點控制在整車后懸架姿態方面的區別。

3.1 典型道路行駛工況分析

在平原一般公路行駛工況中，選取車流量較大的時間點進行試驗，分析在頻繁制動和加速時空氣懸架的工作情況，而在山區一般公路行駛工況中，選取車流量較小的時間點進行試驗，分析在大側向加速度過彎時，空氣懸架的工作情況。如表1所示，該半掛牽引車在山區一般公路路況行駛時，雙點控制下，左氣囊的平均氣壓為9.8 bar，右氣囊的平均氣壓為8.3 bar，兩側氣囊壓差1.5 bar，左氣囊的平均氣壓高出氣囊正常工作時最高氣壓9 bar的限值，在單點控制下，左、右側的氣囊氣壓保持一致，均為8.9 bar，都恰好在氣囊正常工作的限值內，氣囊的壽命不會受到影響。單、雙點控制下，左、右側氣囊高度變化標準差基本相同，空氣懸架耗氣量也基本一致，屬于微補氣狀態。這表明空氣懸架的工作狀態是相同的，雙點控制左、右側氣囊氣壓存在的1.5 bar的壓差并沒有對空氣懸架的工作狀態產生影響。該半掛牽引車在平原一般公路工況行駛時，氣囊高度變化的標準差要比山區一般公路工況要小得多，同時單、雙點控制下，空氣懸架都沒有充放氣的情況。由于單點控制時平均車速較高，綜合考慮認為，在此工況下，單、雙點控制時空氣懸架的工作狀態是相同的。

表1 工況行駛試驗

同時在試驗中，八名經驗豐富的駕駛員進行了主觀評價。一致認為，車輛分別采用單點控制法和雙點控制法，在平原一般公路和山區一般公路行駛時，在過彎時的抗側傾能力、方向的可控性、整車行駛舒適性、制動時的穩定性等方面，兩種控制法都沒有讓他們感受到明顯的區別。

3.2 固定圓抗側傾能力分析

因為ECAS的ECU在氣囊高度持續超出容差值60秒后才會調整氣囊高度，但在實際使用中，氣囊高度持續超出容差值60秒的情況非常有限，所以空氣懸架抗側傾能力試驗就需要分為ECU調整氣囊之前整車抗側傾能力試驗和ECU調整氣囊之后整車抗側傾能力試驗。

ECU調整氣囊之前整車抗側傾能力試驗中，單點控制和雙點控制主要區別就是節流閥的作用。理論上講，單點控制時，通過節流閥的連通作用，氣壓高的一側的氣囊氣體會補充至氣壓低的一側氣囊里，這樣的話，會加劇側傾現象，而雙點控制時，由于左、右氣囊相對獨立，抗側傾能力就會好些。然而實際試驗中，如表2所示，單、雙點控制時的抗側傾能力幾乎一樣，無區別。

表2 單、雙點控制時ECU調整前的空氣懸架工作情況

ECU調整氣囊之后整車抗側傾能力試驗中，首先繞著固定半徑的圓，以穩定的大側向加速度行駛，使空氣懸架達到一定的側傾角，并超過60秒，觸發ECU對懸架進行調整，然后再維持90秒，確認ECU再無調整動作，在整個試驗過程中，始終保持側向加速度為定值。

在空氣懸架為雙點控制時（見圖5），調整前的前車架與前橋相對側傾角平均值為2.8°，后車架與后橋相對側傾角為2.0°，調整時左氣囊放氣，減小剛度，右氣囊充氣，增加剛度，調整完成后前車架與前橋相對側傾角平均值為2.0°，后車架與后橋相對側傾角為0.9°，側傾得到了明顯修正。

空氣懸架單點控制時（見圖6），調整前的前車架與前橋相對側傾角平均值為2.7°，后車架與后橋相對側傾角為2.1°，調整時，左、右側氣囊同時放氣，調整完成后前車架與前橋相對側傾角平均值為2.9°，后車架與后橋相對側傾角為2.3°，側傾略有加劇，且因為氣囊放氣，剛度減小，懸架波動加劇。

經反復試驗，該車在側向加速度超過1.4 m/s2，車架與后橋相對側傾角超過0.9°后，就會觸發ECU對懸架進行調整，但是因為ECU需要等待持續超出限值60秒后才會發出指令。在典型山區行駛實際道路行駛過程中車輛側向加速度在0～3.7 m/s2之間，但轉彎的持續時間最長為15秒，均未超過60秒，所以無論單點控制、還是雙點控制均未出現側傾修正。

3.3 靜態輪荷偏載對空氣懸架側傾角的影響

空氣懸架的偏載對懸架側傾角有很大的影響。保持該車后橋軸荷為11.8噸，通過逐漸調整后橋左、右輪荷，測量空氣懸架側傾角的變化（見表3）。當后橋左、右輪荷的差值達到1.4噸的時候，后車架與后橋的相對側傾角達到了1.2°，目測主觀評價車身略微傾斜，但并不明顯，雙點控制時，懸架自動調整，而單點控制時，懸架無調整。氣囊在不同載荷時變剛度且固有頻率基本保持不變，那么整車空載和滿載時，空氣懸架的偏載對懸架側傾角的影響是基本相同的。

如表3所示，當后橋左、右輪荷差值達到1.4噸的時候，即左、右輪荷偏差達到21%時，就需要對空氣懸架進行調整，修正整車的側傾。從而我們可以大致認為當該車左、右輪荷的偏差超過20%時，雙點控制由于能夠修正空氣懸架的側傾角而具有明顯優勢，而當該車左、右輪荷的偏差只是保持在20%以內時，單、雙點控制無區別。通過研究多種不同結構空氣懸架的偏載對相應懸架側傾角的影響，發現需要修正懸架側傾角時的左、右輪荷偏差基本上都在20%左右。

表3 偏載對空氣懸架側傾角的影響

4 結論

通過對ECAS系統的空氣懸架特性進行理論分析和實際試驗驗證，我們可以發現單點控制在氣囊的正常使用范圍內，有懸架的承載能力更強和可以降低整車的制造成本的優勢，而雙點控制在懸架偏載過大 （根據空氣懸架結構不同界值不同，基本在20%左右）的時候具有可以自動修正側傾的優勢。在車輛正常行駛的時候，兩種控制方式在過彎時的抗側傾能力、方向的可控性、整車行駛舒適性、制動時的穩定性等方面都沒有區別。所以，在實際使用中，如果半掛牽引車不是經常處于偏載過大 （根據空氣懸架結構不同界值不同，基本在20%左右）的狀態，那么采用單點控制方式較好，反之，則需要采用雙點控制方式。

［1］朱華.電控空氣懸架系統研究現狀及發展趨勢［J］.農業科技與裝備，2010，10：1-3.

［2］李基恒，王家建.空氣懸架在重型載貨汽車上的開發與應用［J］.中國汽車市場，2006，7：2.

［3］GB/T 6323.6-1994，汽車操縱穩定性試驗穩態回轉試驗［S］.