汽车电控空气悬架发展与研究现状综述
2024-08-13
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第27卷第2期 湖北汽车工 业学院学报 Vo1.27 No.2 2013年6月 Journal of Hubei Universit of Automotive Technol Jun.2013 doi:10.3969 ̄.issn.1008—5483.2013.02.007 汽车电控空气悬架发展与研究现状综述 黄启科 ,-,麻友良 ,王保华 (1.湖北汽车工业学院汽车工程学院,湖北十堰442002;2.武汉科技大学汽车与交通工程学院,湖北武汉430081) 摘要:简要介绍了电控空气悬架的结构及其工作原理,着重论述了国内外电控空气悬架发展现况,对国外电控空 气悬架理论研究进行了详细的总结.对国内电控空气悬架研究现状进行了剖析.阐述了电控空气悬架应用过程中 存在的问题及其发展趋势。 关键词:电控空气悬架;发展现状;研究现状;存在问题;发展趋势 中图分类号:U463.33 文献标志码:A 文章编号:1008—5483(2013)02—0027—07 Review on Development and Research of Electronically Controlled Air Suspension Huang Qike 2,Ma Youliang2,Wang Baohua (1.School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China;2.School of Automobile and Traffic Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China) Abstract:The structure and the working principle of the electronically controlled air suspension were briefly introduced.The development situation of the electronically controlled air suspension was emphatically described in China and some other countries,the detailed theory research of the foreign electronically controlled air suspension was summarized,the research status of the domestic electronically controlled air suspension was analyzed.Some problems of the electronically controlled air suspension in the process of the application and its development trend were expounded. Key words:electronically controlled air suspension;development situation;research situation; problems;development trend 可调、振动频率低、使用寿命长逐步取代了传统的悬 1 结构与原理简介 架,其主要组成部分包括空气弹簧、阻尼、导向机构、 横向推力杆和横向稳定杆 随着车辆控制技术的发 悬架是连接车身与车桥的传力部件总成.其主 展.ECAS系统因其很强的主动性和自适应性成为 要作用是将来自路面的横向、纵向和垂直方向的力 空气悬架的新发展方向.其主要组成部分包括电子 以及力矩传递给车身,使车辆能够正常地工作。汽 控制器(ECU)、电磁阀、高度传感器、气囊、遥控器。 车悬架的发展经历了“钢板弹簧一气囊复合式悬 ECAS系统不仅提高了操作的舒适性和反应的灵敏 架_+被动全空气悬架一主动全空气悬架(电控空气 度,而且附加了很多辅助功能,如车辆升降功能(通 悬架ECAS系统)”的变化过程。空气悬架因其刚度 过控制开关来提升或者降低车辆的底盘高度)、车辆 收稿日期:2013—04—02 基金项目:湖北省教育厅重点项目(D20082302) 作者简介:黄启科(1987一),男,湖南衡阳人,硕士生,主要从事汽车仿真与电子控制方面的研究。 一28一 湖北汽车工业学院学报 2013年6月 屈膝(kneeling)功能(通过车身一侧或整车升降.使 乘客上下车方便)、车辆限高功能等。 ECAS的基本工作原理是高度传感器首先检 测到车身高度的变化信号,将其传递给ECU.ECU 综合车门、车速、制动和供气压力等信号.判断当前 车辆状态.并按照其内部的控制逻辑.激发电磁阀 工作.电磁阀执行对各个气囊的充放气调节。 2空气悬架的发展 2.1国外发展情况 1908年George Bancroft申报了第一个汽车悬 架上空气弹簧的专利.1910年美国首先在普尔曼 车上使用空气弹簧,随后英、法等国加大了研究与 应用 由于空气弹簧刚度与阻尼匹配比较困难.加 之弹簧密封件容易损坏.维修复杂.使得空气弹簧 一度发展缓慢 1986年Toyoto公司在Soarer和LEXUS LS400GT 3车前后悬架上均采用ECAS系统并且 其刚度可在“软”和“硬”之间调节.4个减振器可以 在“软”、“中”和“硬”之间调节.从而使悬架刚度和 阻尼最优配合.抑制车身姿态变化… 后来福特公司在C0ntinental Mark VII车型上成 功推出了ECAS系统 随后ECAS系统高速发展. 美国的Ford,德国的Benz、Man、Audi,瑞典的 Volvo,法国的雷诺,日本的丰田、尼桑、日野、三菱 等相继采用ECAS系统 据统计.2006年仅在欧洲 市场.就有55万辆车采用空气悬架。目前,国外豪 华汽车上多数已经配备了相应的ECAS系统.如美 国的林肯、凯迪拉克凯雷德,德国的Benz300SE、奥 迪A6 Quattro、大众Phaeton.BWM7系列和 Benz600,英国的路虎一发现3、劳斯莱斯Ghost,意 大利的保时捷Cayenne Turb0 S.韩国的起亚一霸 锐和现代Rohens等_2] 在高速客车和豪华城市客 车上的使用率已达到100%.在中、重型货车以及 挂车上也超过80%,在一些特种车辆(如仪表车、 救护车及集装箱运输车)上.空气悬架几乎成了唯 一选择 目前汽车工业发达国家已形成几大空气悬 架和空气弹簧生产厂家,如美国的WABCO、 NEWAY、RIDEWELL、FIRESTONE、GOOD YEAR 和德国的SAF、BPW等 在实际应用方面.高效的空气悬架供给系统和 控制系统一直是研究的重点 美国的WABCO公司 在这方面无疑走在世界前列.其良好的控制性能赢 得了大众、尼桑、三菱、五十铃、日野、中国一汽、中国 重汽、郑州宇通.厦门金龙等大批世界各地企业的青 睐 最新数据显示.目前WABCO电子控制空气悬架 系统仅在欧洲市场每年销售超过20万套。 2008年.WABCO公司为奥迪A8轿车配备了 具有突破性的悬架电子控制系统及创新性的高效 空气供给系统 该空气悬挂系统的电子控制单元以 FlexRay 技术为特色.是车载控制系统数据网络 的重大突破 2010年.WABCO公司为劳斯莱斯最 新豪华车型Ghost开发了包括空气悬架、主动侧倾 控制系统及电子可调减振装置的电控空气悬架系 统[31 2012年德国汉诺威商用车博览会.WABCO 公司展示了最新电子挂车空气悬架控制系统 该系 统是一种融合“智能挂车程序”与OptiLevelMT技术 的全新ECAS系统[41.这是全球挂车市场上的首个 集传统悬架功能与电子悬架功能于一身的系统 2.2国内发展情况 我国对空气弹簧进行研究始于20世纪5O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.而后又设计了公共汽车、无轨电车以及轨道 车辆等。 20世纪9O年代.国内客车厂纷纷从国外购置 空气悬架,发展太致经历了“引进国外空气悬架的 整车一引进国外空气悬架系统一自主研发空气悬 架系统”3个阶段 据统计,2005年在全国销售的8万多辆大、中 型客车中.配制空气悬架的客车已占总量的8%左 右_5_。近年来.为满足市场需要.国内已有一些企业 正在开发生产空气悬架及零部件 这类企业主要有 上海科曼车辆部件系统有限公司、东风汽车悬架弹 簧有限公司等 这些企业已经开发了中型客车、大 型客车、客车前独立悬架、重型载货汽车等共8个 平台近90个品种的全空气悬架系统产品 2002年 8月.我国实现中巴6气囊全空气悬架装车试验并 通过国家检测中心f襄阳汽车试验场)多项性能试 验,开始批量装车上市。2003年12月.我国研制出 第一套大巴用独立悬架全空气悬架系统 2004年 12月.我国完成重卡6x4产品配套的首台双驱动 桥8气囊空气悬架产品试制[61 2006年.我国自主 研发的大中型旅游客车、一级踏步的公交车空气悬 架系统远销马来西亚、印度、埃及,澳大利亚等国 第27卷第2期 黄启科.等:汽车电控空气悬架发展与研究现状综述 一29— 2010年。空气悬架在国内客车上的使用率已经达 到10%。 虽然我国已经拥有重汽HOWO—A7、重汽 SCANIA、东风天龙、解放J6、华菱星凯马、东风 EQ6850KR、苏州金龙KLQ6128Q、海格A80等大 批自主品牌的空气悬架系统汽车.在空气悬架的研 发与应用方面取得了很大的进步.但我国仍处于 ECAS的起步阶段.ECAS系统的控制策略和控制 器的国产化道路还有很长的路要走 3技术研究 3.1国外研究状况 3.1.1弹簧特性研究 主要集中在空气弹簧静、动态特性、空气弹簧 振动特性、附加气室容积特性、空气弹簧刚度与橡 胶材料特性的分析研究 最初.John Woodroofie对装有钢板弹簧悬架和 空气弹簧悬架的重型载货汽车进行试验.评价了其 路面附着性和行驶平顺性 随后.Alf Homever等人 提出了空气弹簧设计的新思想.采用有限元法优化 了空气弹簧的结构[7_ 再后来IGOR BALLO等人对 电子控制空气弹簧作为补偿力发生器的特性进行 了详细的实验研究.并将频率响应实验结果与理论 分析结果进行了对比.研究成果对空气弹簧的主动 隔振控制研究起到重要的作用 紧接着Giuseppe Quaglia等人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 9_。John BLlnne等人也研究了空气悬架对传动 系统振动的影响。Katsuya Yoyofuku等人通过研究 振动频率和弹簧反应之间的关系.分析了气室和管 道对弹簧特性变化的影响N0] 2010年,Alonso A.以 一典型的空气悬架系统为例.进行相应的特性研 究,详细研究了振幅、气室容积、管路和节流阀口径 等参数变化对弹簧刚度的影响[11]。 橡胶材料研究方面.Lee等人利用增量 Lagrange有限元方法对德国大陆公司生产的一种 6层尼龙纤维增强橡胶复合材料的膜式空气弹簧 进行了有限元建模与分析.研究了不同帘线角度对 气囊变形的影响_12] Tae—Won Park等人通过对空 气弹簧的橡胶和线材帘线进行优化设计来提高空 气悬架性能.并通过空气弹簧台架实验验证了优化 结果[”]。 3.1.2轻量化与匹配研究 Takuya Yuasa运用有限元方法对空气悬架进 行了轻量化设计…] Leandro Pugliese de对新大众 l8-310 4x2牵引车空气悬架优化设计的同时利用 ADAMS建立1/4模型.仿真表明前轴能获得一个6 吨以上荷载ll5].在轻量化方面取得了巨大进步 Such Yoshihiro通过研究空气弹簧非线性系统 的振动规律进行了空气悬架的匹配设计研究.16] Yeongrok Lee等人根据车身加速度、悬架动行程和 轮胎动载荷3个性能指标.运用神经网络进行了空 气悬架系统阻尼与刚度的匹配优化研究_l7] 2010 年Holtz.Marco W等人采用多刚体动力学理论.以 车身加速度为目标函数对悬架系统进行了整车匹 配的优化设计研究N8] 2011年Nikolai Moshchuk等 人基于LMS实验室试验卡车开发出2点后空气悬 架或4点全空气架气动模型 该模型能预测空气悬 挂提升与下降的速度_l9] 3.1.3控制策略与控制算法的研究 G.J.Stein利用前馈与反馈相结合的“天棚控 制”理论.采用比例压力控制阀对空气弹簧进行控 制.并用计算机模拟和假人实验相结合的办法对座 椅上假人的垂直振动响应进行研究 所谓天棚原 理,即假设车身上方有一固定的惯性参考.在车身 和惯性参考之间有一阻尼器.执行器模拟此阻尼器 的作用力来衰减车身的振动 随后.控制策略与算法主要集中在高度控制方 面 比如Theo Meller从能量消耗的角度提出了建立 自激励空气悬架高度控制系统的思路[z Inseob Jang等人在分析空气悬架系统基础上,研究了空气 悬架系统闭环高度控制,根据驾驶条件、驾驶员的命 令和执行器(1个压缩机、2个换向阀和4个空气弹 簧的高度)来确定目标.以达到控制的高度。 国外在研究高度控制精准化的同时.也在完善 故障检测策略与算法。2007年,Hyunsup Kim等人 提出了异步控制方式与同步控制方式的空气悬架 高度控制方法 异步控制方法调节前后角的空气悬 架高度误差。实时比较前后悬架的高度差值。同步 控制方法调节每个角空气悬架高度的差异在一个 给定的小范围内,所以能够维持好车辆的平衡 用 模糊控制算法来处理时变模型的不确定性 通过仿 真验证了2种不同的方式对空气悬架高度控制起 到了良好的效果[223 2011年.他们对一个4点闭环 30一 湖北汽车工业学院学报 2013年6月 空气悬架控制系统提出了一种新的系统控制方法 和故障安全设计方法 这种新的系统控制主要利用 滑模控制与相位补偿反馈信号.实现分段高度控 制 新的故障检测算法能够检测未知系统前后悬架 故障和故障管理保护系统组件及司机的操作错误. 该故障检测算法缩短了故障检测时间且使高度误 差减少 。随后.他们再次利用滑模控制算法。以车 辆垂直振动加速度、车身侧倾角加速度、俯仰角加 速度.电磁阀开度4个输入参数建立滑模面.通过 仿真建模,实现了控制目标的高度误差最小化 。 近年来国外对车辆侧翻的控制策略也做了大 量研究 如Darris L.White等人分析、研究阀的数 量、阀门安装位置、阀的死区,偏心负载等参数对重 型卡车的空气悬架系统的侧翻稳定性的影响.建立 了一个平衡调节系统 该系统能在不同加载条件 下.迅速调节侧翻时重心偏移的重型卡车的“快”阀 门与 慢”阀门的反映时差.实现快速充放气,使卡 车达到平衡 Adam Senalik等人改进了一个半挂 车空气悬架系统.该系统利用射影控制理论(实时 反馈理论)建立控制器。控制器利用状态反馈方法 设计一个动态计时器.实时测量空气弹簧内部压力 差时间、弹簧上、下表面压差时间。使空气弹簧内部 压力变化不慢于弹簧上、下表面压力变化.最终减 少翻转可能性[263 Patricia Schreiber等人建立了20 个部件.96个自由度的NUCARS(某运输技术中心 的名字)车辆模型.用空气袋模拟空气弹簧,研究了 空气弹簧突然泄气与列车脱轨的关系.仿真结果表 明突然泄气的空气悬架与轨道形状和轮轨接触状 况可以致使列车脱轨 。 3.1.4新结构与新应用的研究 Ashley T.Dudding等人在Hendrickson卡车上 设计开发一种新型前转向轴和空气悬架系统 通过 试验,Hendrickson卡车获得了承载量增加、悬架重 量减轻、刚度增加.振动频率减少等优良性能[28]。 Olav Borgmeier等人在传统的ECAS系统上设计了 新型空气干燥器、储气罐、空气噪音过滤器。在附加 气室和空气悬架上安装了一个蝶形阀.实现了双向 控制.降低了单独控制附加气室的阀门成本 ],提高 了整体性能 Tetsuya Sakai等人将开发的空气悬架 应用到发动机安装布局上。经过遗传算法优化,获 得每个安装点的位移.同时获得了良好的振动隔离 效果 I.Hostens等人在农用车座椅开发了空气悬 架系统。理论分析和实验测试表明.新开发的系统 提供最佳的衰减频振E31]。2012年Amol Prasad Sh nn 等人在前置发动机低地板公共汽车上设计 开发一个新装置——入门处加一个台阶,解决了空 气悬架同安装在前轴的450mm宽的车门与过道的 匹配设计[, ,减轻了车辆转弯给人们带来的颠簸。 3.2国内研究现状 为了提高对空气悬架的自主开发能力,我国研 发机构从最初的上海科曼车辆部件系统有限公司、 东风汽车悬架弹簧有限公司发展到国内各大汽车 厂、研究所、大专院校等多家单位,仅高校就有吉林 大学、江苏大学、南京农业大学、武汉理工大学、北 京理工大学.同济大学等30余所,他们先后对空气 悬架进行过不同程度的开发设计和理论研究。 近几年.我国研发项目多、涉及面广,论文刊发 密集.在空气悬架方面的研究取得了很大的进步。 我国现阶段的研究主要集中在以下方面: 11附加气室与有限元的研究 王家胜在 lTl5M一2型膜式空气弹簧的管路和节流孔处接 人附加气室.建立了带附加气室的1/4半主动空气 悬架系统。深入研究了其动力学特性[, 。袁春元等 人利用有限元软件ABAQUS对膜式空气弹簧进行 了建模与仿真.计算结果表明,橡胶材料能获得良 好的应力应变.切实可行 。 2 空气弹簧及减振器的研究鲍卫宁建立了 带附加气室、高度阀和连接管路的空气悬架系统动 力学的Matlab/Simulink数值分析模型.利用模糊自 适应算法实现了空气悬架的主动控制.并用 dSPACE硬件在环仿真验证了算法的有效性与可 行性[35] 马莉等人以Lexus LS600h车型的ECAS 为例.对减振器一体式空气弹簧进行了研究.通过 试验与计算解耦出此类ECAS中空气弹簧部分的 静刚度特性力 3)匹配性研究程悦根据整车的相关数据.利 用SIMPACK软件建立了整车多体动力学模型。设 计了一种增量式PID神经网络控制器优化匹配设 计.实验验证了其匹配效果 。 4)控制策略与算法的研究控制算法已经从 单一的最优控制、滑模控制、自适应控制、模糊控 制,神经网络控制到模糊PID控制、模糊神经网络 控制等综合控制 例如陈燕虹以1/4车辆模型为仿 真对象.采用模糊神经控制算法对空气弹簧悬架刚 度控制进行了仿真分析.有效的改善了汽车行驶平 顺性 陈双应用遗传粒子群最优控制和模糊控制 第27卷第2期 黄启科,等:汽车电控空气悬架发展与研究现状综述 一31一 相结合的控制方法.建立了整车平顺性和操纵稳定 性协调的ECAS系统.再利用Matlab/xPC Target技 术搭建ECAS系统实验台.进行了空气弹簧和减振 认证.鼓励和规范空气悬架甚至是ECAS的发展 4.2加工工艺和关键技术与国外差距明显 1)制造技术国外空气悬架关键部件的设计、 器特性实验以及控制算法硬件在环实验验证 5)控制器的设计与研究于军对空气悬架控 制器的模型自适应控制算法、可调电磁减振器和不 可调液压减振器串行机构、电控检测单元.相关传 感器和试验台进行了深入研究[40] 王炳等人以 MC9S08GB60A单片机为控制芯片.以亚星 YBL6891H型客车的1/4车辆模型为研究对象.采 用模糊PID控制算法设计了一种客车用ECAS电 控单元I4】] 全力等人在王炳等人的基础上.设计了 一套新的ECAS系统 测试表明.该系统在实现车身 高度调节控制的同时.有效地改善了车辆的乘坐舒 适性[42] 耿玉军利用Visual Basic 6.0开发了ECU的 调测系统.并用其对扬州亚星YBL6891H空气悬架 大客车的电控系统控制参数进行了标定[43] 4发展中存在问题 4.1友好路面悬架的评价标准不完善 这些年相关部门推出了空气悬架的发展政策: 1997年颁布的<<JT/T 325~l997营运客车类型划 分及等级评定》.首次将空气悬架列入高等级客车 的必选装备。2002年实施的《J1 325--2002营运 客车类型划分及等级评定》,明确规定高一、高二、 高三等级客车的悬架必须采用空气悬架 新修订的 (GB 1589--2004道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量 限值》规定,双轴汽车驱动桥的最大允许轴荷限值 在装备空气悬架时为1 1500kg.而普通悬架最大限 值为10000kg:三轴汽车驱动轴为每轴每侧双轮胎 且装备空气悬架时.最大允许轴荷的最大限值为 19000 kg,而普通悬架最大限值为18000 kg。 法规对空气悬架的扶持和车辆轴载质量限值 的规定.引导了我国空气悬架市场的发展,但是对 比国外.还远远不够。国外空气悬架已成为一种标 准装备.其制订了一套针对不同类型的车辆的完整 的空气弹簧体系,具体到几级路面、悬架体积、承载 量、橡胶材料,安全系数和使用寿命等,而国内没有 这种细则.以致于2007年市场上出现“假空气悬 架”泛滥的现象.使得国内部分省市在下半年相继 推出一系列政策限制空气悬架的推广 所以当务之 急.政府应该加快出台道路友好悬架的相关细则和 制造技术远远领先国内.以我国空气悬架做的最好 的上海科曼车辆部件系统有限公司为例.其空气弹 簧、电磁阀度,高度传感器等零部件都是从德国车 桥公司进口的 2)空气悬架与匹配技术我国只是解决了空 气悬架与重型车、商用车部分车型的匹配问题.而 国外无论商用车还是轿车.甚至特种车都已经解决 了匹配问题 空气悬架已经做到发动机的安装和座 椅的匹配设计 3)ECAS减震器的多种模式控制技术国外 ECAS不仅刚度多级甚至无级可调.而且减震器有 多种模式可调。如Benz在Adaptive Damping System II基础上推出的Airmatic DC System.它拥 有4种工作模式:a.柔软舒适的设定;b.减振器采 取硬压缩、软回弹;C.减振器采用软压缩、硬回弹:d. 系统将根据不同的路况在一、二、三模式间自动调 整弹簧的软硬度 41控制器的设计与开发技术WABCO控制器 上都能够实现车载数据网络技术.正往ECAS智能 化方向发展.而国内对控制器的研究还处在实验室 阶段.主要集中于1/4 ECAS车辆模型研究与设计. 市场上没有自主ECAS产品 究其原因.跟成本有直 接联系 ECAS产品的价格比普通空气悬架高2~3 倍.所以我国急需完善ECAS的扶持政策、加快 ECAS自主研发、降低空气悬架系统的综合成本.使 其具有更强的竞争力,逐步缩小与国外的技术差距。 5未来发展趋势 随着人类环保节能的内在要求和车辆电子技 术的高速发展,ECAS将向着节能化、智能化、安全 化方向发展 1)节能化回收空气弹簧压缩时排出的气体. 循环利用。减少能量浪费。一定程度上也减少排气 时的噪音污染 2)智能化ECAS最终的发展是与ABS、ASR、 TCS、ESP等控制系统集成一体。即由单个ECU通 过CAN总线共享信息资源.进行综合控制.实现智 能化 3)安全化未来ECAS将开发出更加安全可 32一 湖北汽车工业学院学报 2013年6月 靠的快速故障诊断系统,克服ECAS系统在侧翻、 碰撞等交通事故时给人类带来的二次伤害。 参考文献: [1] KATSUYA TOYOTUKU, CHUUJI YAMADA, T0SH IHARU KAGAWA, et a1. 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