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电控空气悬架系统研究现状及发展趋势


第 10 期 总第 196 期 2010 年 10 月

农业科技与装备

Agricultural Science&Technology and Equipment

No.10 Total No.196 Oct. 2010

电控空气悬架系统研究现状及发展趋势
朱 华
(解放军

汽车管理学院 装备技术系,安徽 蚌埠 233011 ) 摘要:空气悬架系统是以空气弹簧作为弹性元件的悬架总称。 随着车辆控制技术的发展,电控空气悬架系统逐步取代了传统空气 悬架。 介绍电控空气悬架系统的结构组成及其功能特点,概述国内外电控空气悬架的研究现状,简要分析其发展趋势。 关键词: 车辆工程;ECAS ;空气弹簧;结构;功能;现状;趋势 中图分类号:U463.3 文献标识码:A 文章编号:1674-1161(2010 )10-0035-03

空气悬架系统是以空气弹簧作为弹性元件的悬 架总称。传统空气悬架通过机械式高度调节阀的开启 调节气囊的充放气, 从而保持车辆恒定的行驶高度。 随着车辆控制技术的发展,电控空气悬架系统逐步取 代了传统空气悬架。电控空气悬架系统采用高度传感 器和电磁阀来代替机械式高度调节阀,电控单元根据 载荷、路况和车辆运行工况等信号,控制气路系统中 的电磁阀或步进电机等执行元件,进而对车身高度进 行控制,以抑制车辆急加速和制动时产生的俯仰运动 和转向时产生的侧倾运动,保持车身姿态平衡,从而 提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性 [1]。

息等信号,判断当前车辆状态,按照其内部的控制逻 辑,激发电磁阀工作,对各个空气气囊的充放气调节, 从而实现空气弹簧的刚度调节,进而提高车辆的行驶 平顺性和操纵稳定性。

1

电控空气悬架的结构组成
电控空气悬架(ECAS )主要由两大部分组成 (见

1. 电控单元;2. 电磁阀;3. 车身高度传感器;4. 空气弹簧; 5. 控制终端;6. 减振器;7. 空气压缩机;8. 速度传感器 图 1 电控空气悬架系统 Figure 1 Electronically controlled air suspension system

图 1 ):第一部分是机械元件;第二部分是气路和控制 系统。机械元件包括空气弹簧、导向机构、横向稳定杆 等。空气弹簧承受垂直载荷,导向机构承受纵向力、侧 向力及其力矩,横向稳定杆可以提高汽车的抗侧倾能 力,防止车身发生过大的横向侧倾和横向角振动。 电 报导和控制系统包括电控单元(ECU )、高度传感器、 电磁阀、空气压缩机和储气筒等。 电控单元通常安装 在驾驶室或者电气盒内,可实现不同高度值的管理和 储存,控制包括正常高度在内的多个车辆高度;高度 传感器外形与机械式高度阀类似,传感器内部包含线 圈和枢轴, 当车桥与车身之间的距离发生变化时,高 度横摆杆转动并带动相应电枢在线圈中上下运动,从 而使线圈感应系数发生变化,电控单元检测此感应系 数的变化并将其转换成高度信号。

2
2.1

电控空气悬架的功能特点
车辆升降功能

ECAS 能随时感知车辆的当前高度,在特殊路况
和行驶条件下, 可通过控制开关调节车辆底盘的高 度,以方便车辆通过。 ECAS 还允许 ECU 设置车辆速 度,通过车速控制整车高度,当车速达到 20 km / h 时, 车辆会自动恢复正常行车高度。

2.2

屈膝(Kneeling )功能 该功能是专用于客车的一种特殊功能,根据设置

在 ECU 中的参数,可使客车一个轮子、整个一侧或整 车进行升降,以方便乘客上下车。 ECAS 可以实现对 侧倾高度的设定和控制,有单侧侧倾或单轴侧倾等方 式可供选择,同时系统通过监视安装在车门下的接触 开关来保证降低过程的安全性,如果接触开关在降低 过程中有反应,客车将自动恢复到正常高度。

ECAS 的 基 本 工 作 原 理 是 电 控 单 元 根 据 高 度 传
感器测得的车辆高度、车速、供气压力、制动、车门信
收稿日期:2010-04-23 作 者 简 介 :朱 华 (1977 —),男 ,硕 士 ,讲 师 ,从 事 车 辆 性 能 优 化、车辆试验技术及装备等方面的研究。

2.3

车辆限高功能

ECAS 可以设置车辆的最低和最高底盘高度,一
旦 达 到 设 定 的 最 低 和 最 高 位 置 ,ECU 将 自 动 结 束 高

36
度调节。

农业科技与装备 反应迅速 由于采用大截面进(出)气口的电磁阀,因此控制

2010 年 10 月

2.4

System Ⅱ 基 础 上 研 发 了 自 适 应 阻 尼 的 ECAS 系 统 (Airmatic DC System ) , 并 应 用 于 新 E 级 轿 车 上 。 2006 年, 新 Audi A8L 6.0 quattro 空气悬架的减振器
采用无级电子双管气压控制,实现了非智能材料减振 器阻尼力的无级调节 [8]。 目前, 空气悬架在国外豪华汽车上已被广泛采 用, 在高速客车和豪华城市客车上的使用率已达

过程非常迅速。

2.5

空气消耗减少 以低地板城市客车为例,与机械高度阀控制的传

统空气悬架系统相比,ECAS 可节省约 25% 的空气消 耗。

2.6

监控供气压力 要实现升降和屈膝功能, 必须有足够的供气压

100% , 在中、 重型货车以及挂车上的使用率也超过 80% 。 同时部分高级轿车上也有选装空气弹簧悬架 的,如美国的林肯,德国的 Benz300SE 和 Benz600 等。
目前空气悬架和空气弹簧生产的厂家主要集中在汽 车 工 业 发 达 国 家 , 如 美 国 的 Neway , Ridewell. Fire-

力,才能使已降低并满载的车辆恢复到行驶高度。 如 果 ECU 监测到供气压力低于某一定值,ECAS 将限制 屈膝和升降,该功能通过压力开关实现。

3
3.1

电控空气悬架国内外研究现状
国外研究现状 空气弹簧诞生于 19 世纪中期,在 Charles Goodyear

stone , Good year 和德国的 SAF. BPW 等。 3.2 国内研究现状 我国对空气弹簧进行研究始于 20 世纪 50 年代。 1957 年, 长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所
合作制造出我国第一辆装有空气悬架的载重汽车,而 后相继又设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等 多种车辆的空气悬架。 1958 年底,长春汽车研究所和 北京交通运输局基本建设处一起设计出我国第一只 高度控制阀,这种高度控制阀通过车门的开关信号来 控制车身高度。 1959 年又设计出高级轿车使用的控 制举升系统的高度控制阀。 这段时期,我国共设计出 了 10 余种空气弹簧气囊和 3 种高度控制阀。 但这个 阶段的研究工作存在很多问题没有得到很好的解决, 如整个系统的密封性、高度控制阀的可靠性、悬架的 稳定性以及空气弹簧的特性理论等问题。

发明了橡胶技术 3 a 后,John Lewisgf 于 1847 年发明 了空气弹簧, 早期的空气弹簧用于机械设备的隔振。

1901 年公布了第一个空气弹簧专利, 它被用作有轨 电车悬架的减振元件。 1908 年,George Bancroft 申报 了第一个汽车悬架上空气弹簧的专利, 且于 1910 年 获得授权。 1947 年,美国首先在普尔曼车上使用空气
弹簧 ,此后意大利、英国、法国及日本等国家相继对
[2]

空气弹簧作了大量的研究工作。

1986 年 ,Toyoto 公 司 在 Soarer 和 LEXUS LS400GT [3] 车 前 后 悬 架 上 均 采 用 ECAS,并 且 其 刚 度 可在“软”(soft )和“硬”(hard )之间调节 , 4 个 减 振 器 可以在“软”(soft ) 、“中”(medium )和“硬”(hard )之间
调节。

20 世纪 80 年代初,长春汽车研究所再次进行空
气悬架的研究,并为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、 四平客车厂等企业设计了空气悬架,使车身自振频率 降低到 1.1~1.2 Hz ,平均车速提高 了 17% ,悬 架 质 量 也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了 50~60 kg 。

1989 年, Range Rover 成为第一个配置 ECAS 的
四轮驱动车。 1999 年,Meller T. 提出了自激励空气悬 架高度控制系统 [4]。 2001 年,Giuseppe Quaglia 建立了 空气悬架的仿真模型,对带附加气室的空气悬架振动 特性进行了计算机模拟研究,分析了空气悬架的主要 参数对悬架振动特性的影响 [5]。

20 世纪 90 年代,国内客车厂纷纷从国外购置空
气悬架及空气悬架底盘, 以提高其产品的技术含量, 抢占国内高档客车市场。 近年来,随着高档客车制造技术的引进,加上国 家对客车等级划分标准的实施,空气悬架开始逐步应 用起来。 目前空气悬架主要集中应用在高级客车上, 但是受多方面因素的制约,其配置率仍然很低,基本 上还属于“引进”阶段。 据统计,国内相对较多的应用 主 要 集 中 在 郑 州 宇 通 、厦 门 金 龙 、苏 州 金 龙 、金 华 青 年、济南重汽、扬州亚星、一汽客车、东风杭汽等规模 较大的客车、载重车及底盘厂家。此外,国内其他一些 客车厂家都是以选装国外空气悬架产品为主。严格地

Katsuya Yoyofuku 等人通过研究振动频率和弹簧
反应之间的关系,分析了管路和气室对弹簧特性变化 的影响 。 Jon Bunne 和 Roger Jable 研究了空气悬架
[6]

对汽车传动系统振动的影响。 John woodrooffe 通过试 验评价了分别装有空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架的 重型载货汽车路面附着性和行驶平顺性。 随后,

A1fHomeyer 等 人 采 用 有 限 元 法 优 化 了 空 气 弹 簧 结
构,提出了空气弹簧设计的新思想 。
[7]

2002 年 , 梅 赛 德 斯 - 奔 驰 在 Adaptive Damping

2010 年第 10 期



华:电控空气悬架系统研究现状及发展趋势

37

说,目前我国还没有整套空气悬架的生产厂家,而且 在载重汽车上的应用也还处于起步阶段,自主开发能 力还有待于进一步的提高。 国内现阶段的研究主要集中在以下方面:悬架系 统的建模和分析;控制算法的研究;空气弹簧及减振 器的研究。郭微等对空气弹簧进行了非线性有限元分 析,对橡胶模型的选取和材料参数的确定、帘线的几 何特性在空气弹簧工作过程中力学性能的变化以及 气体单元与橡胶气囊壁之间的气固耦合,进行了详细 的有限元分析 。 王家胜,朱思洪对带附加气室的空
[9]

本身的非线性特性,采用神经 PID 控制算法,设计了 一种通过检测车身高度对空气弹簧进行充排气,进而 改变弹簧刚度的客车电控空气悬架系统 [11]。

4

发展趋势
电子控制空气悬架代表了目前汽车空气悬架的

发展方向,其必将向更节能、安全和环保的方向发展。 未来电控空气悬架的研究将主要集中在无级可 调减振器的研制、控制策略及空气悬架与整车匹配技 术等方面。 同时,随着控制理论和计算机技术的不断 发展,将 ECAS 系统与电子喷射系统、牵引力控制系 统、防抱死制动系统、安全气囊控制系统、故障诊断系 统和通讯导航系统等进行集成控制将是未来研究的 热点。

气弹簧的线性化模型进行了研究

[10]

。 全力,彭桂雪等

以飞思卡尔 MC9S08GB60 单片机为控制核心, 以亚 星 YBL6891H 型客车为试验对象,针对空气悬架系统

参考文献
[1 ] KATSUYA TOYOTUKU ,CHUUJI YAMADA ,TOSH IHARU KAGAWA ,et al. Study on danamic characteristic analysis of air

spring with auxiliary chamber [J ].JSAE Review ,1999 (20 ):349-355.
[2 ] 杨毅夫 . 空气弹簧及其控制系统在有源悬挂中应用的探讨[J ]. 中国铁道科学,1994 ,15 (4 ):5-8. [3 ] 陈德阳 . 电子控制空气悬架[J ]. 汽车维修,1999 (5 ): 8-10. [4 ] MELLER T.Self-energizing leveling systems their progress in development and applica tion [J ].SAE ,1999 (1 ):42-45. [5 ] GIUSEPPE QUAGLIA ,MASSIMO RORLI.Air suspension dimensionless analysis and design proced ure [J ].Vehicle System

Dynamic ,2001 (35 ):443-475.
[6 ] K.YOYOFUKU. Study on dynamic characteristic analysis of air spring with auxiliary chamber [J ].JSAE Review ,1999 (20 ):349-

355.
[7 ] AIF HOMEYER. 采用现代方法设计空气弹簧系统[J ]. 国外铁道车辆,1999 (3 ):35-38. [8 ] 方应明,田卫 . 奥迪 A8 轿车自适应空气悬架系统结构与维修[J ]. 汽车维护与修理,2006 (6 ):1-3. [9 ] 郭微,钱德猛 . 汽车用膜式空气弹簧的非线性有限元分析[J ]. 客车技术与研究,2006 (3 ):14-16. [10 ] 王家胜,朱思洪 . 带附加气室空气弹簧动刚度的线性化模型研究[J ]. 振动与冲击,2009 ,28 (2 ):72-76. [11 ] 全力,彭桂雪 . 基于神经网络 PID 控制的客车 ECAS 设计与实现[J ]. 汽车技术,2009 (11 ):8-11.

Present Research and Developing Trends on Electronically Controlled Air Suspension System
ZHU Hua
(Department of Equipment Technology , PLA Institute of Automobile Management , Bengbu Anhui 233011 , China )

Abstract: Air suspension system is a generic term for the suspensions which make air spring as its elastic element. With the development of vehicle control technology , traditional air suspension has been gradually replaced by electronically controlled air suspension system. This article deals with the structural components and functions of electronically controlled air suspension system , expands on the current research in this field at home and abroad , and makes analysis on its future development. Key words: vehicle engineering ; ECAS ; electronically controlled air suspension ; structure ; function ; current state ; developing trend


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