汽車空氣懸架技術(shù)特征研究

鄭麗萍、陳其生、陳明福

（泉州理工職業(yè)學(xué)院 362000)

隨著汽車大規(guī)模的增長，人們越來越重視車輛的乘坐安全性和舒適性。汽車懸架按照其彈性元件的材質(zhì)和特性，可分為鋼彈簧懸架和以橡膠材料為主的空氣懸架?？諝鈶壹艿膹椥蕴匦跃哂蟹蔷€性和自適應(yīng)的特點，可使汽車簧載質(zhì)量的偏頻，在負(fù)載變化的情況下保持相對穩(wěn)定。與傳統(tǒng)懸架相比，具有質(zhì)量輕、內(nèi)摩擦小及隔振消聲特性好的優(yōu)勢，使具有空氣懸架的汽車在運行中能獲得良好的平順性和道路通過性。

隨著電子控制空氣懸架技術(shù)的發(fā)展，空氣懸架的功能、技術(shù)指標(biāo)和可靠性日趨完善，使得車輛水平控制、剛度和阻尼的實時調(diào)節(jié)及底盤升降控制等性能得到改善，從而大大提高了汽車的綜合動力學(xué)性能和使用性能。而傳統(tǒng)的被動懸架由于其懸架性能參數(shù)不可調(diào)，無法根據(jù)實際路況來調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼參數(shù)，只能針對特定的情況，對懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

空氣懸架通常由傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)等組成，控制器可以根據(jù)加速度傳感器、車速信號和轉(zhuǎn)向信號等，控制執(zhí)行機構(gòu)，改變懸架剛度、懸架阻尼及車身高度等參數(shù)，保證車輛乘坐舒適性和行駛安全性。目前空氣懸架在國外應(yīng)用非常普遍，國內(nèi)也在引入空氣懸架產(chǎn)品。因此，空氣懸架的應(yīng)用發(fā)展，值得業(yè)內(nèi)人士關(guān)注和思考。

1 空氣懸架技術(shù)簡述

汽車懸架結(jié)構(gòu)是指在車輪和車身之間進(jìn)行傳力連接裝置的總稱。由于車輛在行駛中路面會對車輛產(chǎn)生側(cè)向力與支撐力等作用，這些作用力與其相應(yīng)的力矩共同在車輪上作用，并通過車輪與車身間的傳動裝置對車身進(jìn)行作用，這樣就能牽引車輛向前行駛。為了保證車輛行駛中乘坐者的舒適度，路面?zhèn)鲗?dǎo)來的作用要具備穩(wěn)定性與連貫性，汽車懸架正是在車輪與車身間進(jìn)行傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。因此它能夠穩(wěn)定地傳導(dǎo)作用力，且對路面力量變動進(jìn)行緩沖就成為懸架結(jié)構(gòu)性能好壞的評價標(biāo)準(zhǔn)。目前，空氣懸架系統(tǒng)廣泛用于小汽車和客用汽車。

空氣懸架是一種振動彈簧系統(tǒng)，它使用空氣彈簧代替金屬螺旋彈簧。對于大多數(shù)空氣懸架系統(tǒng)來說，具有高度調(diào)節(jié)功能，可通過空氣泵調(diào)節(jié)空氣彈簧的空氣量和壓力，并改變空氣彈簧的硬度和剛度。調(diào)節(jié)泵送空氣量可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)門的行程和長度來降低或調(diào)高底盤的高度。本文將以小型乘用車為例來展開介紹。

2 空氣懸架組成

2.1 空氣懸架的作用

動態(tài)懸架系統(tǒng)是一個四角空氣懸架系統(tǒng)，連接到高規(guī)格汽車上，用來替代傳統(tǒng)的螺旋彈簧懸架和阻尼減振器。動態(tài)懸架系統(tǒng)控制進(jìn)氣并由空氣懸架控制單元進(jìn)行電子控制。該控制單元響應(yīng)來自4個高度傳感器的輸入，并通過閥塊將空氣分配到系統(tǒng)中。四角空氣懸架系統(tǒng)通過控制空氣彈簧的空氣量來維持所有行駛條件下的車輛高度?？諝鈶壹芸刂茊卧褂脕碜?個高度傳感器的信號來保持正確的懸架高度，通過操作氣動控制閥來增加或減少空氣彈簧減振器中的空氣量。

空氣懸架系統(tǒng)可以記錄3個預(yù)定操作高度。驅(qū)動器界面指示所選的操作高度和移動方向，其他消息通過組合儀表消息中心發(fā)送給驅(qū)動程序，并通過組合儀表發(fā)送聲音警報。只有當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)并且所有車門關(guān)閉時，才能夠調(diào)節(jié)并控制車輛的高度。

2.2 空氣懸架的組成

某車型的空氣懸架系統(tǒng)由空氣彈簧、壓縮機、壓縮空氣儲氣罐、自適應(yīng)阻尼減振器、傳感器、控制器及機油熱交換器等組成（圖1）。壓縮機可以把壓縮空氣泵入到4個空氣彈簧柱中，實現(xiàn)車身高度調(diào)節(jié)功能。自適應(yīng)阻尼減振器中的減振閥控制單元，可以通過改變旁通閥的開通量，實現(xiàn)阻尼力調(diào)節(jié)?？刂破骺梢宰x取傳感器的信號，并可以根據(jù)傳感器信號，評估輸入因素，控制執(zhí)行器工作。

2.3 空氣懸架的功能

通過使用空氣懸架開關(guān)可以實現(xiàn)空氣懸架的多個功能：越野高度高于道路高度，增加離地間隙、接近角、離去角和通過角；可將車輛整體高度進(jìn)行降低，方便駕乘人員上下車輛；可使車輛駛?cè)牖蛲Ｈ敫桶目臻g。當(dāng)然要想使用這些功能，都必須在車門關(guān)閉的前提下[1]。

空氣懸架控制單元具有安全狀態(tài)，會禁止車輛在高度變化或水平校正期間上下移動，并進(jìn)一步檢測高度變化。該控制單元還具有故障檢測功能，生成故障代碼，并點亮故障報警燈，向駕駛員發(fā)送故障信息。故障燈分為黃色和紅色2種。

2.4 空氣懸架關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)組成與作用

空氣彈簧的組成結(jié)構(gòu)主要包括氣囊、活塞座及蓋板等。空氣彈簧中會充滿壓縮空氣，這些壓縮空氣就是空氣彈簧工作的主要介質(zhì)。如果空氣彈簧被壓縮，就會使氣囊發(fā)生向下的撓曲變形。

2.4.2 空氣彈簧的高度控制閥組件

這一組件結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)空氣彈簧內(nèi)部氣體壓力控制的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其安裝在車橋和車架之間。一旦荷載參數(shù)增加就會壓縮空氣彈簧，會使車橋和車架之間發(fā)生位移，高度控制閥中的控制臂就會向上移動，將空氣彈簧與儲氣筒之間原本封閉的氣道打開，使空氣流向空氣彈簧，促使空氣彈簧內(nèi)部壓力變大，進(jìn)而伸張。車橋與車架之間的距離增大，控制臂又會向著平衡位置移動以關(guān)閉儲氣筒氣道。當(dāng)空氣彈簧所承受的荷載減小時，控制閥的動作則會相反，將多余的壓縮空氣從氣囊中釋放出來。如果空氣彈簧發(fā)生的振動是快速和反復(fù)的，控制閥不會進(jìn)行動作，振動緩沖是由控制閥組件中的柔性連接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。

2.4.3 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的組成與作用

空氣彈簧的結(jié)構(gòu)特點決定了它只能承受垂直方向的荷載，因此，進(jìn)行汽車空氣懸架設(shè)計時，就必須針對縱向力與側(cè)向力的傳導(dǎo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，這一結(jié)構(gòu)就是導(dǎo)向機構(gòu)。導(dǎo)向機構(gòu)的主要組成形式有2種，分別為：鋼制柔性縱向推力桿（主要應(yīng)用于前懸架）；橫向推力桿及剛性縱向推力桿（主要應(yīng)用于后懸架）。

3 主動車身控制系統(tǒng)（ABC）

3.1 主動車身控制系統(tǒng)的構(gòu)成

以配備ABC系統(tǒng)的車型為例。該懸架系統(tǒng)是主動式懸架中功能最強的，它可以在保證舒適性的同時，保持良好的車身穩(wěn)定控制。相比傳統(tǒng)的懸架，空氣懸架控制系統(tǒng)采用主動車身減振，可以很好的改善車體振動，還可以補償轉(zhuǎn)彎時車身側(cè)傾及加速或制動時的縱傾運動，提高行駛安全。

ABC系統(tǒng)元件及管路分布如圖2所示。ABC控制系統(tǒng)包括車身高度傳感器、車身加速度傳感器、控制器、主動車身控制系統(tǒng)后軸閥門單元、脈動緩沖器、液壓泵及中央儲壓罐等。其中中央儲壓罐用于儲存200 kPa的高壓油，脈動緩沖器可以減少系統(tǒng)壓力的波動。車身高度傳感器和加速度傳感器可以測量到車身高度和路面的不平度，并傳遞給控制器。

圖2 ABC系統(tǒng)元件及管路分布圖

3.2 ABC系統(tǒng)操作的原理及其工作過程

ABC系統(tǒng)通過控制器的局域網(wǎng)絡(luò)連接CAN，根據(jù)系統(tǒng)要求，接收來自各個相關(guān)系統(tǒng)傳輸過來的輸入信號并進(jìn)行相關(guān)處理。其輸入信號主要來自：電子自動變速器系統(tǒng)控制單元（ETC）、發(fā)動機控制單元（ECM）、分割型點火系統(tǒng)（DI）、舒適運動控制單元、左前信號采集和操作控制單元（SAM）。經(jīng)由系統(tǒng)控制單元的計算和處理，并與ABC系統(tǒng)中的各傳感器共同決定采用何種適合的控制功能。最后，經(jīng)處理的信號被傳送到相應(yīng)的控制器，以控制車輛在不同路況下的最佳運行狀態(tài)。

ABC懸架支柱主要由液壓柱塞、彈簧和阻尼器組成。ABC懸架支柱和液壓柱塞行程傳感器內(nèi)置于液壓柱塞中。阻尼器采用雙管壓力設(shè)計，當(dāng)車輛行駛時，以5 Hz的低頻振動為分界。小于5 Hz時被ABC懸架支柱液壓柱塞吸收；大于5 Hz時被阻尼器吸收。從而減少制動擺動，以及由轉(zhuǎn)向或道路表面的橫向傾斜產(chǎn)生的車體晃動和非意愿下的加速晃動。

4 結(jié)束語

空氣懸架相比被動懸架有著很大優(yōu)勢，但同時也存在著成本、能耗和響應(yīng)速度等問題。成本方面，還需要設(shè)計人員加大科研投入，研發(fā)新材料和新工藝并做好產(chǎn)業(yè)優(yōu)化，多方面降低成本。能耗方面，國內(nèi)有些學(xué)者通過在懸架上增設(shè)能量回收裝置，在懸架振動時吸收能量，在需要能量時再釋放出來。為提高懸架響應(yīng)速度，國內(nèi)外開始研究電磁懸架，這種懸架的響應(yīng)速度更快，極大提高了車輛行駛的舒適性和安全性。隨著新技術(shù)不斷發(fā)展，智能、環(huán)保和安全將是空氣懸架技術(shù)發(fā)展的重要方向。