基于空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”的智能空氣懸架系統(tǒng)

張小剛

基于空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”的智能空氣懸架系統(tǒng)

張小剛

根據(jù)目前空氣懸架高度閥應(yīng)用實(shí)際情況，簡(jiǎn)要分析了諸如常規(guī)高度閥、快速排氣高度閥以及多級(jí)高度調(diào)節(jié)閥等各種不同類型高度閥和ECAS空氣懸架系統(tǒng)各自的應(yīng)用技術(shù)狀態(tài)和特點(diǎn)?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，率先提出了空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”（UAM），該模型對(duì)目前所有商用車(chē)空氣懸架系統(tǒng)中包括高度閥在內(nèi)的閥類零部件的應(yīng)用狀態(tài)進(jìn)行了高度概括和統(tǒng)一。并以此模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的高度閥連桿，與最普通的高度閥配合使用，在保留高度閥實(shí)時(shí)進(jìn)、排氣的優(yōu)勢(shì)下實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊高度無(wú)級(jí)、多樣化調(diào)節(jié)，再結(jié)合氣囊壓力監(jiān)測(cè)裝置和中央處理單元，最終實(shí)現(xiàn)空氣懸架系統(tǒng)的智能控制。

空氣懸架；高度閥；UAM模型；統(tǒng)一應(yīng)用模型

前言

商用車(chē)空氣懸架自誕生以來(lái)，除了ECAS系統(tǒng)之外，其它應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理和主體結(jié)構(gòu)至今并無(wú)根本性變化，主要包括高度閥，高度閥縱向連桿以及氣囊減震器等元件。有一些全球化閥類制造廠為實(shí)現(xiàn)車(chē)身高度自動(dòng)升降或側(cè)跪，在普通高度閥基礎(chǔ)上陸續(xù)設(shè)計(jì)出了可以實(shí)現(xiàn)氣囊高度多級(jí)變化的多高度閥，這些閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大、成本也相對(duì)普通高度閥增加了三四倍。這些閥與ECAS系統(tǒng)一起，基本上涵蓋了目前全球所有商用車(chē)空氣懸架應(yīng)用形態(tài)。

縱觀上述所有的空氣懸架應(yīng)用形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)特點(diǎn)，這些閥類產(chǎn)品有著千差萬(wàn)別的設(shè)計(jì)狀態(tài)，但是，連接高度閥（或ECAS傳感器）與車(chē)身（或底盤(pán)）的縱向連桿長(zhǎng)度都是固定的。雖然它是設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的，但是在實(shí)際應(yīng)用中，只是偶爾手動(dòng)調(diào)節(jié)一下，然后重新鎖緊，其目的是為了補(bǔ)償車(chē)輛裝配誤差造成的多個(gè)氣囊之間的高度差異，在空氣懸架正常工作過(guò)程中，該連桿長(zhǎng)度保持固定不變[1]。

1 目前商用車(chē)空氣懸架應(yīng)用中的問(wèn)題

1.1 多氣囊高度調(diào)節(jié)閥

商用車(chē)駕駛室和底盤(pán)空氣懸架中，最普通的高度閥僅能維持一個(gè)氣囊高度，即正常情況下，車(chē)身相對(duì)底盤(pán)的高度始終不變[2]。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)限高桿時(shí)需要適當(dāng)降低車(chē)身，或者通過(guò)壞路（或減速帶）時(shí)需要適當(dāng)抬高車(chē)身，或者客車(chē)需要進(jìn)行側(cè)跪（前跪）時(shí)需要降低部分氣囊高度[3]，如圖1所示。此時(shí)，需要對(duì)全部或部分氣囊高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，但普通高度閥無(wú)法做到這一點(diǎn)。因此，全球很多閥類廠家根據(jù)各種實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了多種多樣的多氣囊高度調(diào)節(jié)閥。

圖1 客車(chē)側(cè)跪（部分氣囊高度減?。?/p>

這些產(chǎn)品的應(yīng)用解決了氣囊高度多樣化的問(wèn)題。但是，眾所周知，這些產(chǎn)品相對(duì)普通高度閥的尺寸、重量和成本等方面均大幅增加。另外，為實(shí)現(xiàn)氣囊高度調(diào)節(jié)功能，它們還需要布置相應(yīng)的控制電路、氣路等復(fù)雜的外圍零部件和系統(tǒng)。這兩方面的問(wèn)題，將對(duì)各大車(chē)輛生產(chǎn)廠的整車(chē)總布置、輕量化設(shè)計(jì)以及成本控制等方面形成巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，也會(huì)造成行業(yè)發(fā)展的瓶頸，不利于空氣懸架在商用車(chē)領(lǐng)域的全面推廣。

1.2 ECAS系統(tǒng)

ECAS系統(tǒng)涵蓋車(chē)輛氣囊高度信息采集、信息處理、信號(hào)輸出以及閥塊進(jìn)、排氣等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)車(chē)輛空氣懸架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。但是，其成本高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、標(biāo)定繁瑣，售后維修需要專業(yè)人員完成，這對(duì)車(chē)輛生產(chǎn)廠的空氣懸架推廣應(yīng)用同樣具有負(fù)面作用。

另外，相對(duì)普通高度閥，ECAS無(wú)法對(duì)氣囊的高度變化提供實(shí)時(shí)快速的響應(yīng)。大量道路對(duì)比試驗(yàn)已經(jīng)證明，高度閥快速的響應(yīng)對(duì)駕乘舒適性存在有利的影響[4]。

2 空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型

2.1 傳統(tǒng)空氣懸架多氣囊高度或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

典型的商用車(chē)空氣懸掛應(yīng)用系統(tǒng)如圖2所示。對(duì)于普通高度閥，氣囊高度始終維持在一個(gè)值不變。

圖2 典型的空氣懸架高度閥應(yīng)用

如果要改變氣囊高度，則需要將普通高度閥更換為多氣囊高度閥或系統(tǒng)，同時(shí)增加復(fù)雜的控制電路、氣路等外圍零部件和系統(tǒng)。目前的商用車(chē)空氣懸掛應(yīng)用場(chǎng)景中，多氣囊高度閥或系統(tǒng)通常能實(shí)現(xiàn)下列單一或組合功能：

（1）鎖閉氣囊（防止氣囊無(wú)壓力時(shí)承載造成氣囊損壞）；

（2）比正常行駛高度高一些的第二行駛高度（便于通過(guò)壞路、減速帶等障礙物）；

（3）正常行駛高度（普通高度閥保持的高度）；

（4）比正常行駛高度低一些的第二行駛高度（便于通過(guò)限高或獲得更優(yōu)空氣動(dòng)力學(xué)性能）；

（5）排空氣囊（最低位置）；

（6）提升橋（多個(gè)氣囊和閥組合實(shí)現(xiàn)）；

（7）側(cè)跪（多個(gè)氣囊和閥組合實(shí)現(xiàn)）；

（8）前跪（多個(gè)氣囊和閥組合實(shí)現(xiàn)）；

（9）整體升降（多個(gè)氣囊和閥組合實(shí)現(xiàn)）；

（10）氣囊高度無(wú)極調(diào)節(jié)。

以上多種多樣的功能，在現(xiàn)有的空氣懸架應(yīng)用策略下，顯然無(wú)法用某個(gè)單一的系統(tǒng)將它們?nèi)扛爬ńy(tǒng)一起來(lái)。但是，在適當(dāng)改變現(xiàn)有應(yīng)用的模式的某些固有技術(shù)特征之后，這種概括統(tǒng)一則變成了一種可能。

2.2 空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型

如前文所述，目前商用車(chē)空氣懸架應(yīng)用中，連接高度閥（或ECAS傳感器）與車(chē)身（或底盤(pán)）的縱向連桿長(zhǎng)度都是固定的。但是，當(dāng)把這個(gè)縱向連桿長(zhǎng)度看成可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的時(shí)候，將它與一只最普通的高度閥組合成一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用模型——空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型（UAM模型）?？梢园l(fā)現(xiàn)，這個(gè)模型能很容易地描述前文所述的所有高度閥（含ECAS）的應(yīng)用形態(tài)，即，該模型可將上述所有應(yīng)用形態(tài)概括統(tǒng)一起來(lái)。

圖3 高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型與其它閥或系統(tǒng)應(yīng)用形態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3是空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型的各種應(yīng)用形態(tài)與其它閥或系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此圖只展示了單獨(dú)一只高度閥的情形，對(duì)于需要多個(gè)氣囊和高度閥組合實(shí)現(xiàn)的功能，將該模型簡(jiǎn)單疊加組合即可。

上述模型中，連桿長(zhǎng)度在C位置時(shí)，高度閥維持氣囊的正常高度。連桿長(zhǎng)度在A位置（稍高于氣囊拉伸極限位置）時(shí)最長(zhǎng)，將使高度閥擺臂始終處于進(jìn)氣位置，氣囊無(wú)法通過(guò)高度閥排氣從而保持內(nèi)壓，此長(zhǎng)度需要根據(jù)車(chē)橋和車(chē)身具體限位確定合適的值。當(dāng)連桿長(zhǎng)度位于A和C之間時(shí)，氣囊（車(chē)身）將會(huì)高于正常高度，當(dāng)連桿長(zhǎng)度位于C和E之間時(shí)，氣囊（車(chē)身）將會(huì)低于正常高度，這兩個(gè)第二高度具體取值，同樣要根據(jù)車(chē)身和車(chē)橋具體設(shè)計(jì)來(lái)確定。連桿長(zhǎng)度在E位置（稍低于氣囊壓縮極限位置）時(shí)最短，此時(shí)氣囊排空。

特別注意，在確定A和E兩個(gè)位置的連桿長(zhǎng)度時(shí)，要仔細(xì)研究各個(gè)限位的幾何尺寸并考慮高度閥的死區(qū)范圍，為確保可靠地保持氣囊壓力或者可靠地排空氣囊，應(yīng)該在臨界位置附近合理取值。

如果將該縱向連桿設(shè)計(jì)成連續(xù)可調(diào)節(jié)的，對(duì)于專業(yè)人員，可以設(shè)置合理調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，方便快速調(diào)整；對(duì)于一般駕駛員等非專業(yè)人員，則可在人機(jī)接口處，合理設(shè)置“一鍵到位”的按鍵，便于快速操作。

3 基于空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”的智能空氣懸架系統(tǒng)

3.1 基本原理和結(jié)構(gòu)

如前文所述，上述空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”可以便捷地描述目前所有高度閥（含ECAS）的應(yīng)用形態(tài)，而且其在產(chǎn)品尺寸、重量、成本、簡(jiǎn)潔度等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，以此模型為基礎(chǔ)建立一個(gè)商用車(chē)智能空氣懸架系統(tǒng)具有較大可行性。

圖4 基于空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”的智能空氣懸架系統(tǒng)（基礎(chǔ)型）

圖4是不帶壓力監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)型應(yīng)用原理圖，操作者通過(guò)人機(jī)接口的控制器，在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié)部分或者所有氣囊高度，快速實(shí)現(xiàn)車(chē)身高度的調(diào)節(jié)。

圖5是帶氣囊壓力監(jiān)測(cè)并采集車(chē)速等信息的擴(kuò)展型應(yīng)用原理圖，操作者通過(guò)人機(jī)接口的控制器，在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié)部分或者所有氣囊高度，快速實(shí)現(xiàn)車(chē)身高度的調(diào)節(jié)，但這些操作受限于氣囊壓力、車(chē)速等信息的限制，能更加確保調(diào)節(jié)過(guò)程不影響車(chē)輛安全性。同時(shí)，對(duì)車(chē)輛自身在焊接、裝配過(guò)程中造成的累積誤差具有更好的兼容性。另外，在氣囊高度變化時(shí)，提供聲光報(bào)警等提示信息。

圖5 基于空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”的智能空氣懸架系統(tǒng)（擴(kuò)展型）

3.2 關(guān)于人機(jī)接口的控制器功能

人機(jī)接口的控制器，應(yīng)該能提供便利的操作，以便快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)氣囊高度，同時(shí)也要防止操作者將氣囊高度調(diào)節(jié)到極限狀態(tài)（例如氣囊高度過(guò)高，各個(gè)氣囊高度偏差過(guò)大造成車(chē)身傾斜或扭曲）造成行車(chē)安全隱患。對(duì)于各個(gè)氣囊，既要能單獨(dú)調(diào)節(jié)，也要能組合部分或全部氣囊統(tǒng)一調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)側(cè)跪、前跪、整體升降、提升橋等功能。

4 結(jié)論

商用車(chē)空氣懸架應(yīng)用是大勢(shì)所趨，目前使用空氣懸架高度閥或系統(tǒng)應(yīng)用中，縱向連桿均是固定長(zhǎng)度，這就造成了各種不同樣式的空氣懸架高度閥或系統(tǒng)。本文率先將縱向連桿變成可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的形式，創(chuàng)立了一種簡(jiǎn)單模型——空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型（UAM模型），將目前所有空氣懸架高度閥或系統(tǒng)概括統(tǒng)一起來(lái)，并基于此模型，提出智能空氣懸架系統(tǒng)的構(gòu)想，以期推動(dòng)整個(gè)空氣懸架行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和更廣泛的應(yīng)用。

[1] GB/T 11612-1989,客車(chē)空氣懸架用高度控制閥[S].1989.

[2] 余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,第5版,2009,3.

[3] 張小剛.空氣懸架高度閥對(duì)卡車(chē)駕駛室舒適性影響的試驗(yàn)研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2019(11):85-88.

[4] 張小剛.陜重汽某車(chē)型駕駛室高度閥若干應(yīng)用問(wèn)題分析和研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020(08):117-121.

An Intelligent Air Suspension Based on The Universal Application Model of Air Suspension Valve

Zhang Xiaogang

Analyzed the application features and technical status of all the air suspension application models like normal air suspension valve system, dump valve system and multi-ride heights valve systems as well as ECAS. A new air suspension application model-Universal Application Model(UAM) of Air Suspension Valve is created based on the analysis and some new thoughts. This model outlines and consolidates all the current air suspension valve systems successfully. Based on this application model, a real-time adjustable vertical linkage is designed to realize all the current air suspension functions by using only a normal air suspension valve. The air suspension system will be intelligent after an ECU and air bag pressure monitor are imported.

Air suspension; Air suspension valve; UAM; Universal application model

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.024

U463.33

A

1671-7988(2021)07-73-03

U463.33

A

1671-7988(2021)07-73-03

張小剛（1980-），男，高級(jí)應(yīng)用工程師，主要研究方向?yàn)樯逃密?chē)空氣懸架系統(tǒng)。