重卡空氣懸架的電氣控制邏輯分析

高恩壯 于彥權(quán) 閆云雷 王鵬理

【摘? 要】空氣懸架作為一種重要的懸架類型廣泛應(yīng)用于各類重型卡車上，卡車的多軸化同樣豐富了空氣懸架的形式。本文將空氣懸架大致分為3類，每一類又按照空氣懸架中配置的空氣彈簧數(shù)量將其細分，對常見的電控空氣懸架ECAS著重分析氣動原理、結(jié)構(gòu)特點，同時介紹市面上一些小眾化的空氣懸架系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)和氣動原理。

【關(guān)鍵詞】空氣懸架;電氣;氣動;提升橋

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標(biāo)志碼：B? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0082-04

【Abstract】As an important suspension type，air suspension is widely used in all kinds of heavy-duty trucks. The multi-axle truck also enriches the form of air suspension. In this paper，the air suspension is roughly divided into three categories，and each category is subdivided according to the number of air springs configured in the air suspension. The pneumatic principle and structural characteristics of the common electronic control air suspension（ECAS）are emphatically analyzed. At the same time，the relevant structures and pneumatic principles of some niche air suspension systems in the market are introduced.

【Key words】air suspension;electric;pneumatic;lifting axle

作者簡介

高恩壯（1990—），男，工程師，主要從事汽車電氣工藝及檢測工作。

空氣懸架對于提升重卡的平順性、降低自重等方面優(yōu)勢明顯，車輛的提升橋功能同樣可由空氣懸架來實現(xiàn)。

1? 電控全空氣懸架

1.1? 4氣囊型全空氣懸架

驅(qū)動形式為4×2和6×2F（雙前軸轉(zhuǎn)向）的車型可裝備4氣囊型ECAS，這類車型的前橋通常采用鋼板彈簧式懸架，驅(qū)動橋采用空氣懸架。電控空氣懸架系統(tǒng)的氣動部分主要包括氣囊、貯氣筒、電磁閥、溢流閥及氣管，如圖1所示。

溢流閥的進出氣口分別接空氣處理單元和貯氣筒。由溢流閥的原理可知，其具有單向供氣的功能和一定的開啟壓力（本例中的開啟壓力為7500-30kPa），單向供氣可將氣囊與其他氣動系統(tǒng)（如制動系統(tǒng)）隔離開來，避免相互影響。

電磁閥對外接有一個進氣口、2個出氣口和一個排氣口，22口接右側(cè)2個氣囊，23口接左側(cè)2個氣囊，其中排氣口應(yīng)朝下安裝。電磁閥的內(nèi)部包括A、B、C 3個子閥體，分別用于控制兩側(cè)氣囊升降和中控作用。閥A和閥B為兩位兩通電磁閥，閥C則為兩位三通電磁閥，各閥的控制線接ECAS控制器，其2x6號線為電磁閥公共供電，2x7、2x8和2x9等線為控制低端，如圖2所示。

電磁閥的控制邏輯是：高度傳感器將位置信號傳遞至ECAS控制器，后者則控制電磁閥做出相應(yīng)的進排氣動作，保持氣囊正常高度。遙控器的氣囊升降功能同樣可控制電磁閥的進排氣。當(dāng)然氣囊可被充氣的條件還應(yīng)包括貯氣筒氣壓大于氣囊氣壓，而氣囊排氣的條件則需氣囊氣壓大于外界氣壓。ECAS控制器接收氣囊升降信號時，會向電磁閥輸出不同的控制電壓，如表1所示。

1.2? 8氣囊型全空氣懸架

8氣囊型ECAS常應(yīng)用于驅(qū)動形式為6×4和8×4的車輛上，其與4氣囊型空氣懸架的主要區(qū)別在于氣囊數(shù)量上，氣路連接方式如圖3所示。電磁閥的每個出氣口可同時為同側(cè)的4個氣囊充氣，控制邏輯同4氣囊型空氣懸架，不再贅述。

1.3? 9氣囊型全空氣懸架

驅(qū)動形式為6×2R型的車輛因后橋為提升橋，則可裝備9氣囊型ECAS。該型空氣懸架配備2個電磁閥，電磁閥1用于控制中橋4個氣囊（氣囊1～4）的升降，且可單側(cè)控制;電磁閥2則用于控制后橋的4個承載氣囊（氣囊5～8）和一個舉升氣囊（氣囊9），而承載氣囊經(jīng)同一管路供氣，因此無法單側(cè)控制，如圖4所示。

9氣囊型ECAS控制邏輯較8氣囊型稍復(fù)雜，當(dāng)車輛后橋為非提升狀態(tài)時，它的承載能力與8氣囊無異，此時舉升氣囊未被充氣;當(dāng)車輛后橋提升時，后橋的承載氣囊放氣，舉升氣囊充氣，如同4氣囊型的4×2車輛。圖5為9氣囊型ECAS的電磁閥氣動原理，2個電磁閥的型號和規(guī)格一致，不同之處在于電控端和氣路輸出端。2x6號線為電磁閥的公共供電，其余接線為各子閥的控制低端。

由原理可知，提升橋執(zhí)行提升和下落兩種狀態(tài)切換時，提升橋電磁閥的動作是有先后順序的，提升時承載氣囊應(yīng)先放氣，提升氣囊后充氣，下落時提升氣囊應(yīng)先放氣，承載氣囊后充氣。

1.4? 6氣囊型全空氣懸架

本例介紹配備6氣囊型ECAS，驅(qū)動形式為4×2的牽引車型，前橋采用2氣囊型空氣懸架，后橋為4氣囊型空氣懸架，其氣路連接如圖6所示。該車的后橋部分與1.1中內(nèi)容一致，重點介紹前橋部分。

該車前橋空氣懸架僅有一個高度傳感器和壓力傳感器，因此2個氣囊只能同步升降，其電磁閥氣動控制原理如圖7所示。

2x6號線為各子閥供電，閥A和閥B的控制端相同，均接3x6號線，這一點是與后橋用電磁閥最大的區(qū)別。改變控制邏輯，前橋氣囊也可實現(xiàn)單側(cè)控制，但這還需增加壓力和高度傳感器。前橋電磁閥控制氣囊升降的氣動原理較為簡單，不再贅述。

2? 復(fù)合型和機械式空氣懸架

2.1? 4氣囊型復(fù)合式空氣懸架

當(dāng)氣囊與其他部件（如板簧、托臂）共同作為彈性元件時，這類空氣懸架則被稱為復(fù)合式空氣懸架[1]。

本例分析的車型為一款采用4氣囊型電控復(fù)合式空氣懸架的專用車，驅(qū)動形式為6×4。車軸中心到氣囊軸線距離A與板簧卷耳銷軸線到車軸中心距離S的比值約為0.64，當(dāng)懸架載荷為10t時，由力矩平衡可知兩側(cè)氣囊將承載約6t，板簧則承載4t，如圖8所示。該型空氣懸架的氣動原理與8氣囊型一致，僅氣囊數(shù)量是后者的一半，在此不再贅述。

2.2? 4氣囊型機械控制全空氣懸架

中置軸車輛通常也裝備有空氣懸架以實現(xiàn)主掛車的快速接合，某該型車輛的后橋裝有4氣囊型機械控制全空氣懸架。這類懸架由機械控制氣囊升降，安裝有2個高度閥（左右各一）和一個舉升閥，如圖9所示。高度閥上安裝有擺桿，與ECAS的高度傳感器類似，其橫臂和縱臂之間角度發(fā)生變化時，高度閥會隨之動作。舉升閥的作用是用于停車狀態(tài)時車身姿態(tài)的手動調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)手柄有行車、舉升、舉升中停、下降及下降中停等5個位置。

本車的左高度閥結(jié)構(gòu)比右高度閥復(fù)雜，后者可看作是前者的簡化版。左高度閥內(nèi)部有2個子閥，閥A與右高度閥原理完全相同，為五位三通閥，閥B為三位三通閥。舉升閥的2個出氣口23和24分別接兩側(cè)氣囊，因此行車時該懸架可實現(xiàn)單側(cè)高度調(diào)節(jié)。由原理可知，舉升閥為可手動調(diào)節(jié)的五位六通氣動閥，且安裝有定位裝置。該型空氣懸架的氣路連接及氣動控制原理分別見圖10和圖11。

行車狀態(tài)時，舉升閥處于行車位，若此時高度閥擺桿的兩臂呈銳角狀態(tài)，左右高度閥則處于充氣位，其11口與21口導(dǎo)通分別向舉升閥的21口和22口輸氣，進而向氣囊充氣;若兩臂呈鈍角時，氣囊則在載荷作用下通過舉升閥的21口和22口向高度閥排氣，此時高度閥的21口與排氣口導(dǎo)通。

停車狀態(tài)時，將舉升閥手柄撥至舉升位，左高度閥閥B經(jīng)舉升閥的11口向23、24口輸氣，氣囊上升，再將手柄撥至中停位時，舉升閥所有閥口關(guān)閉，氣囊上升停止;舉升閥撥至下降位時，舉升閥的23、24口與排氣口接通，氣囊下降，此時手柄再撥至中停位時，氣囊下降停止。

3? 其他類型空氣懸架

3.1? 3氣囊型復(fù)合式空氣懸架

某些四軸重卡有時會采用單橋驅(qū)動，其驅(qū)動橋為第3橋或第4橋，驅(qū)動橋旁邊的承載橋通常安裝有空氣懸架。若懸架系統(tǒng)配備3個氣囊，則其中一個為舉升氣囊，另2個為承載氣囊。

這類車型既符合《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》（GB1589—2016）中關(guān)于四軸汽車最大總質(zhì)量31t的規(guī)定[2]，同時輕量化的承載橋和單輪胎的組合可減輕自重，提高車載質(zhì)量，本案例車的相關(guān)部件質(zhì)量參數(shù)見表2。

本案例車型的第4橋采用復(fù)合式空氣懸架，車軸中心到氣囊軸線距離A與板簧卷耳銷軸線到車軸中心距離S的比值約為0.46，如圖12所示。承載氣囊為3節(jié)彈簧，舉升氣囊為2節(jié)彈簧，通常節(jié)數(shù)越多，彈性越好[2]。與ECAS相比，該型空氣懸架并沒有控制器，也不安裝高度傳感器，且承載氣囊不具備靜態(tài)高度可調(diào)功能，因此本文不將其視為ECAS的范疇，氣動原理見圖13。該承載橋滿載時的設(shè)計軸荷為2.1t，故通過限壓閥來控制氣囊壓力，限壓閥1的輸出氣壓為500kPa，限壓閥2的輸出氣壓為100kPa。

已知承載氣囊頂部為直徑287mm的圓形蓋板，承載橋部分位于車架下方的部件質(zhì)量約為800kg，滿載時承載氣囊產(chǎn)生的支撐力為：

經(jīng)過以上粗略計算，承載氣囊和舉升氣囊的承載力方面滿足使用要求。

該懸架的氣動控制原理如圖14所示，舉升開關(guān)內(nèi)部有2個子開關(guān)，同時開閉，1x6號線接24V供電。舉升、承載氣囊分別對應(yīng)閥A和閥B，均為兩位三通閥。

該型懸架控制僅有承載橋的提升、落地兩種狀態(tài)，與ECAS系統(tǒng)的氣囊高度無極升降、單邊控制等功能相比，其控制邏輯相對簡單。

車橋舉升狀態(tài)：舉升開關(guān)閉合，舉升氣囊與閥A的進氣口11接通，舉升氣囊充氣，同時承載氣囊與閥B的排氣口3接通，承載氣囊放氣。舉升氣囊上端的連接板帶動兩個U型螺栓上移，進而將車橋繞著板簧前端連接銷軸向朝上拉起。

車橋落下狀態(tài)：舉升開關(guān)斷開，舉升氣囊與閥A的排氣口3接通，舉升氣囊放氣，同時承載氣囊與閥B的進氣口12接通，承載氣囊充氣，車橋在自身重力和承載氣囊推動下落地。

3.2? 3氣囊型全空氣懸架

有些8×2型車輛還會采用一種3氣囊型全空氣懸架，這種空氣懸架的氣囊位于板簧中部的板簧座上，如圖15所示。采用這種布置結(jié)構(gòu)的空氣懸架在一定載荷范圍內(nèi)，氣囊可承擔(dān)所有負荷，因此一些文獻將之列入全空氣懸架的范疇。實際上當(dāng)載荷繼續(xù)增大，鋼板彈簧產(chǎn)生大的變形時，板簧也會承擔(dān)一部分載荷，但氣囊是一種變剛度彈簧，其剛度也會增大，因此氣囊仍承受絕大部分載荷。這類承載橋的設(shè)計載荷通常較小，鋼板彈簧最主要的作用還是懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向機構(gòu)，而且板簧前后兩端通過支架、吊環(huán)與車架相連，可有效避免氣囊被過度拉伸。

安裝這類空氣懸架的承載橋通常位于驅(qū)動橋之前，懸架的氣動原理與3.1中空氣懸架類似，故不再贅述。

3.3? 2氣囊型全空氣懸架

有些8×2車型的承載橋懸架結(jié)構(gòu)同3.2，但不具備提升功能，則空氣懸架簡化為2氣囊型全空氣懸架。本車型的承載橋不具備駐車制動功能，因此只安裝有2個制動氣室，且未安裝制動防抱死功能。氣囊狀態(tài)與該橋的行車制動關(guān)系密切，駕駛室內(nèi)還安裝了一個感載繼動控制開關(guān)。懸架及制動氣動原理如圖16所示。

由圖16知，承載氣囊經(jīng)同一管路充放氣，不具備單側(cè)高度控制功能。限壓閥的標(biāo)準(zhǔn)輸出氣壓為350kPa，其出氣口2除了接氣囊，還接承載橋的繼動閥的進氣口1。電磁閥本體雖是兩位五通電磁閥，但一個閥口被堵死，因此只能作為兩位四通電磁閥使用。

感載繼動控制開關(guān)未閉合時，氣囊常被充氣，承載橋的軸荷相對于其他3橋的設(shè)計軸荷要小，因此行車制動時繼動閥應(yīng)接入限壓后的氣壓，該氣壓要遠低于貯氣筒的氣壓，否則承載橋的車輪制動時容易抱死，加劇輪胎磨損和車身側(cè)滑。

感載繼動控制開關(guān)閉合時，電磁閥出氣口2接排氣口3，氣囊泄壓，此時承載橋軸荷很小，雖然車輪仍然是貼地狀態(tài)，但與地面的附著力小，行車制動時繼動閥輸出的制動氣壓很微弱，即承載橋不參與整車制動，同樣可減輕輪胎磨損。

4? 結(jié)語

近年來受政策及法規(guī)的影響，空氣懸架在重卡行業(yè)得到了快速的推廣，其中總質(zhì)量大于或等于12t的危險品重卡已經(jīng)標(biāo)配空氣懸架，甚至危險品運輸半掛車、三軸欄板式、倉柵式半掛車也被要求裝備空氣懸架[4]。國內(nèi)重卡的空氣懸架形式復(fù)雜多樣，但在氣動原理方面大同小異，囿于筆者知識水平，僅靠一篇文章難以概括，望讀者觸類旁通。

參考文獻：

[1] 高恩壯. 空氣懸架在國產(chǎn)牽引車上的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（2）：36-40.

[2] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] GB 1589—2016，汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值[S].

[4] GB 7258—2017，機動車運行安全技術(shù)條件[S].

（編輯? 楊? 景）