基于CAN總線的油氣懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

收稿日期：2023-11-09

作者簡(jiǎn)介

周元豪，工程師，從事汽車電器設(shè)計(jì)、電控系統(tǒng)、智能網(wǎng)聯(lián)等相關(guān)技術(shù)研究工作。

【摘 要】文章以8×8重型越野汽車為例，在車輛加裝油氣懸架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于CAN總線的油氣懸架控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含多種模式和多種動(dòng)作，具備故障診斷和安全保護(hù)機(jī)制，更加有利于滿足用戶的使用需求，靈活適應(yīng)不同工況對(duì)車身高度和姿態(tài)的調(diào)節(jié)要求。

【關(guān)鍵詞】重型越野汽車；油氣懸架；CAN總線

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0046-03

Design of Hydropneumatic Suspension System Based on CAN Bus

ZHOU Yuanhao，CHEN Lidong，HU Haichao，WEI Zhiqiang，ZHANG Xiaxia，LIU Zheng

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.，Ltd.，Xi'an 710200，China）

【Abstract】This article starts with 8×8 heavy-duty off-road vehicles as an example，based on the installation of hydraulic and pneumatic suspension in the vehicle，a hydraulic and pneumatic suspension control system based on CAN bus was designed. The system includes multiple modes and actions，and has fault diagnosis and safety protection mechanisms，which is more conducive to user needs and flexibly adapts to the adjustment requirements of body height and posture under different working conditions.

【Key words】heavy off-road vehicle；hydropneumatic suspension；CAN bus

1 前言

油氣懸架作為一種新型的車輛懸架技術(shù)，它融合了液壓傳動(dòng)控制技術(shù)和懸架技術(shù)，對(duì)車輛底盤(pán)的操穩(wěn)性、行駛平順性和通過(guò)性等有著決定性的作用。與傳統(tǒng)機(jī)械懸架相比，油氣懸架具有支撐力大、減振性好、姿態(tài)靈活可調(diào)、剛度和阻尼可控等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代重型越野車輛發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)用前景也非常廣闊。

在汽車工業(yè)發(fā)展的今天，電子通信、智能網(wǎng)聯(lián)、機(jī)電液一體化等技術(shù)快速發(fā)展，以懸架系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)的純機(jī)械式、液壓式懸架無(wú)法滿足更加多元化的使用要求，而油氣懸架系統(tǒng)一般包括油氣彈簧、液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等，電控系統(tǒng)作為其中的關(guān)鍵部分，決定著懸架系統(tǒng)性能的好壞。為適應(yīng)車輛底盤(pán)線控化、智能化和無(wú)人化的發(fā)展需求，懸架系統(tǒng)特別是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，性能是否優(yōu)劣，功能是否完善，就顯得尤為重要。

目前，很多車輛都配備了油氣懸架系統(tǒng)，也存在一定的問(wèn)題，比如：功能單一、可控傾斜角度小、環(huán)境適應(yīng)性和改裝性較差；電控系統(tǒng)復(fù)雜，控制器等硬件成本偏高；開(kāi)發(fā)方法不符合AUTOSAR架構(gòu)，通用化程度低，可移植性不強(qiáng)；人機(jī)交互不友好，集成化不高；控制系統(tǒng)外部接口無(wú)法滿足線控化、無(wú)人化需求，特別是未來(lái)越野車輛底盤(pán)綜合控制對(duì)電控系統(tǒng)的高要求。

本文以8×8重型全驅(qū)越野車輛為例，通過(guò)在車輛左前、右前、左后、右后4個(gè)輪邊安裝油氣彈簧，通過(guò)控制器控制油氣彈簧充油、放油實(shí)現(xiàn)懸架行程的變化，并實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)的多模式、多動(dòng)作控制，最終實(shí)現(xiàn)車輛高度和姿態(tài)的調(diào)節(jié)。

2 技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)組成

油氣懸架控制系統(tǒng)包括懸架控制器、集成式顯控單元、懸架總調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)、車姿控制閥組、主控制閥、蓄能器電磁閥組、高度位移傳感器、傾角傳感器、控制線纜和各通信接口及整個(gè)液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)采用CAN總線的控制方式，由懸架控制器接收集成式顯控單元發(fā)送的CAN總線命令（包括模式命令和動(dòng)作命令），并采集高度傳感器和傾角傳感器數(shù)據(jù)，按照一定的策略輸出控制車姿控制閥、主控制閥或蓄能器電磁閥組通斷電，通過(guò)油氣彈簧的充放油來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛車高升降、車姿調(diào)節(jié)和剛性閉鎖。油氣懸架控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

控制方法包括模式控制、動(dòng)作控制、剛性閉鎖控制、多高度標(biāo)定控制、遠(yuǎn)程控制和故障處理機(jī)制等。

2.2 工作模式及實(shí)現(xiàn)方式

為應(yīng)對(duì)越野車輛不同的工況和使用需求，油氣懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)有10種工作模式，具體包括自動(dòng)整車、手動(dòng)整車、手動(dòng)左前、手動(dòng)右前、手動(dòng)左后、手動(dòng)右后、手動(dòng)前橋、手動(dòng)后橋、手動(dòng)左側(cè)和手動(dòng)右側(cè)，如圖2所示。任意兩個(gè)模式之間均可切換，每種工作模式包括等待和激活狀態(tài)，當(dāng)前工作模式處于激活狀態(tài)時(shí)不響應(yīng)其他模式的控制命令，當(dāng)前工作模式結(jié)束動(dòng)作進(jìn)入等待狀態(tài)時(shí)才允許切換到其他模式。系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)整車模式。

為確保車輛安全，懸架在工作時(shí)需滿足車輛空擋且駐車，否則操作懸架功能按鍵不響應(yīng)。另外，為保證一定的響應(yīng)速度，懸架工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)上升轉(zhuǎn)速，確保懸架系統(tǒng)有充足的油壓。懸架控制系統(tǒng)還具備故障診斷功能和處理機(jī)制，故障模式為最高優(yōu)先級(jí)，發(fā)生故障時(shí)任何動(dòng)作都強(qiáng)制停止，故障信息以J1939 DM1形式通過(guò)CAN總線發(fā)送至集成式顯控單元。

2.2.1 自動(dòng)整車模式

自動(dòng)整車模式包括上升、中位、下降、前傾、后仰、左傾、右傾和調(diào)平8種動(dòng)作。所有動(dòng)作命令由集成式顯控單元通過(guò)CAN總線發(fā)送給懸架控制器。由于是自動(dòng)模式，故所有命令均通過(guò)單擊按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入自動(dòng)整車模式后，若無(wú)任何動(dòng)作或任意動(dòng)作結(jié)束則系統(tǒng)進(jìn)入默認(rèn)狀態(tài)。默認(rèn)狀態(tài)包含等待子狀態(tài)和按鍵復(fù)位子狀態(tài)，若系統(tǒng)初始化，則進(jìn)入等待子狀態(tài)，若某一動(dòng)作結(jié)束，則進(jìn)入按鍵復(fù)位子狀態(tài)，延遲時(shí)間 t 秒后，再回到等待子狀態(tài)。

自動(dòng)整車模式每種動(dòng)作都包括等待子狀態(tài)和激活子狀態(tài)。以上升動(dòng)作為例，若單擊按下上升按鍵，則系統(tǒng)從默認(rèn)狀態(tài)進(jìn)入上升動(dòng)作狀態(tài)，并控制各車姿電磁閥組通斷電，完成相應(yīng)的動(dòng)作；進(jìn)入上升動(dòng)作的同時(shí)同步進(jìn)入激活子狀態(tài)，按鍵取消后再回到上升動(dòng)作等待子狀態(tài)，并將按鍵標(biāo)志位置1。若在上升動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程中再次單擊該按鍵，則停止執(zhí)行上升動(dòng)作，此為急停功能，同時(shí)將按鍵標(biāo)志位置0。若上升動(dòng)作結(jié)束，則返回值默認(rèn)狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)按鍵標(biāo)志位選擇進(jìn)入等待子狀態(tài)（按鍵標(biāo)志位為0時(shí)）或是按鍵復(fù)位子狀態(tài)（按鍵標(biāo)志位為1時(shí)）。其余動(dòng)作控制原理類似，不再贅述。需要說(shuō)明的是，若某一動(dòng)作按鍵執(zhí)行過(guò)程中單擊其他動(dòng)作按鍵則不響應(yīng)。自動(dòng)整車模式下各動(dòng)作邏輯控制如圖3所示。

2.2.2 手動(dòng)整車模式

手動(dòng)整車模式包括上升、下降、前傾、后仰、左傾和右傾6種動(dòng)作。所有動(dòng)作命令由集成式顯控單元通過(guò)CAN總線發(fā)送給懸架控制器。由于是手動(dòng)模式，故所有命令均通過(guò)長(zhǎng)按按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)前文所述，選擇進(jìn)入該工作模式后，系統(tǒng)首先進(jìn)入等待狀態(tài)，若長(zhǎng)按某一動(dòng)作按鍵，則系統(tǒng)從等待狀態(tài)進(jìn)入當(dāng)前動(dòng)作狀態(tài)，控制各電磁閥通斷電，完成相應(yīng)的動(dòng)作。若按鍵取消，則系統(tǒng)從當(dāng)前動(dòng)作狀態(tài)返回等待狀態(tài)，各電磁閥斷電，系統(tǒng)停止。手動(dòng)整車模式下各動(dòng)作之間切換邏輯控制如圖4所示。其余手動(dòng)模式只包括上升和下降2個(gè)動(dòng)作，控制方法與手動(dòng)整車類似，如圖5所示，這里不再贅述。

2.2.3 閉鎖功能

為適應(yīng)不同工況的懸架剛度需求，油氣懸架系統(tǒng)具備多剛度可調(diào)功能，通過(guò)控制蓄能器閥組是否參與工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的剛性閉鎖或柔性支撐。而系統(tǒng)處于閉鎖時(shí)的剛度可根據(jù)蓄能器初始充氣壓力和體積決定。

系統(tǒng)剛性閉鎖控制流程如圖6所示，閉鎖功能不受工作模式限制，閉鎖狀態(tài)下油氣懸架剛度最大。

2.2.4 標(biāo)定功能

根據(jù)自動(dòng)模式的控制要求，懸架在到達(dá)目標(biāo)高度時(shí)會(huì)自動(dòng)停止動(dòng)作，需要對(duì)懸架目標(biāo)高度位置（上升、中位、下降）和水平位置進(jìn)行標(biāo)定。所有標(biāo)定操作由集成式顯控單元完成，標(biāo)定數(shù)據(jù)可在顯控單元顯示。

一鍵式自動(dòng)標(biāo)定控制流程如圖7所示，系統(tǒng)標(biāo)定包括高位、中位、低位高度標(biāo)定和調(diào)平標(biāo)定。以高位標(biāo)定為例，接通懸架總調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，車輛底盤(pán)空擋且駐車，然后通過(guò)不同手動(dòng)模式組合將懸架系統(tǒng)調(diào)至設(shè)計(jì)目標(biāo)高度（通過(guò)集成式顯控單元界面查看），然后按下集成式顯控單元上的高位標(biāo)定按鍵，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將4個(gè)高度傳感器的位移信息存儲(chǔ)在懸架控制器EEPROM中，該標(biāo)定數(shù)據(jù)用于自動(dòng)模式下的高度調(diào)節(jié)功能。其他標(biāo)定功能與此類似，不再贅述。

2.2.5 遠(yuǎn)程控制功能

在一些特殊使用場(chǎng)合，需要對(duì)油氣懸架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，懸架控制器預(yù)留有與遠(yuǎn)程控制通信的總線接口，根據(jù)總線通信矩陣，可由遠(yuǎn)程控制端發(fā)送指令控制油氣懸架車高和車姿的調(diào)節(jié)。為避免沖突，遠(yuǎn)程控制的優(yōu)先級(jí)低于集成式顯控單元。遠(yuǎn)程控制功能邏輯框圖如圖8所示。

2.3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

油氣懸架系統(tǒng)通過(guò)集成式顯控單元操作，該顯控單元采用觸摸方式，能夠?qū)崿F(xiàn)控制指令下發(fā)和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

油氣懸架交互界面包括主控制界面、工作模式控制界面、動(dòng)作控制界面、標(biāo)定界面、狀態(tài)信息界面、總線狀態(tài)界面及故障診斷界面，如圖9～圖10所示。界面操作包括長(zhǎng)按和短按。

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于CAN總線控制油氣懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方式，與傳統(tǒng)油氣懸架系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）包含多種模式和動(dòng)作，更加有利于用戶的使用需求，靈活適應(yīng)不同工況對(duì)車身高度和姿態(tài)的要求。

2）基于CAN總線的控制方式，符合J1939協(xié)議，信息傳輸更加高效，容錯(cuò)率提高，線束極大減少。

3）以集成式顯控單元作為人機(jī)交互終端，區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)體控制面板，控制更加靈活多變，數(shù)據(jù)交互更加豐富直觀，智能化程度進(jìn)一步提高。

4）具備故障處理機(jī)制和急停功能。發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)故障優(yōu)先級(jí)最高，強(qiáng)制停止所有功能，進(jìn)入自保護(hù)狀態(tài)，同時(shí)故障信息以CAN報(bào)文DM1形式發(fā)送至集成式顯控單元，供操作人員排查故障。同時(shí)，緊急情況下，再次按下當(dāng)前動(dòng)作按鍵實(shí)現(xiàn)一鍵式急停功能。

5）系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制功能，通過(guò)預(yù)留的遠(yuǎn)程控制CAN總線接口可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程，甚至無(wú)線控制懸架系統(tǒng)，滿足未來(lái)車輛更加無(wú)人化和智能化的發(fā)展需求。

6）傳統(tǒng)的標(biāo)定工作需要人為用測(cè)量工具測(cè)量后，再通過(guò)復(fù)雜的實(shí)體按鍵實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜、人為誤差因素大。該系統(tǒng)具備智能化一鍵式標(biāo)定功能，只需在集成式顯控單元上簡(jiǎn)單操作即可實(shí)現(xiàn)位置標(biāo)定工作，標(biāo)定數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示在界面上。

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（編輯 楊凱麟）