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        半掛牽引車后橋空氣懸架系統(tǒng)單點(diǎn)控制和雙點(diǎn)控制研究

        2013-09-10 03:19:12邢紅巖張紅星
        汽車科技 2013年2期
        關(guān)鍵詞:雙點(diǎn)牽引車單點(diǎn)

        潘 亮,邢紅巖,田 勇,張紅星

        (東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心,武漢 430056)

        空氣懸架系統(tǒng)是以空氣彈簧為彈性元件,利用氣體的可壓縮性實(shí)現(xiàn)其彈性作用,與鋼板彈簧懸架相比具有獨(dú)特的性能和適應(yīng)性。到目前為止,美國(guó)在重型載貨車上空氣懸架的占有率是85%,同時(shí)大約82%的拖掛車使用空氣懸架,歐洲大約與之相同??諝鈶壹茉谖覈?guó)的應(yīng)用落后國(guó)外幾十年,在重型半掛牽引車上的應(yīng)用目前還處于起步階段。隨著重型半掛牽引車對(duì)路面破壞機(jī)理的研究及認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深,限制超載逐步在國(guó)內(nèi)各地受到重視,空氣懸架在重型半掛牽引車上的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大。

        本文以某4×2半掛牽引車為例,通過理論與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果分析,對(duì)后橋電控空氣懸架系統(tǒng)采用單點(diǎn)控制和雙點(diǎn)控制的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究。

        1 后橋空氣懸架系統(tǒng)的構(gòu)成

        半掛牽引車后橋空氣懸架系統(tǒng)按照控制方式分為機(jī)械式和電子控制式兩種。電控空氣懸架(ECAS)相比常規(guī)機(jī)械控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):

        (1)減少空氣消耗;

        (2)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)車輛保持不同高度,可對(duì)兩個(gè)高度進(jìn)行編程記憶;

        (3)由于使用了大截面的進(jìn)(出)氣口而使所有控制過程變化非常迅速;

        (4)通過參數(shù)設(shè)置,ECU可實(shí)現(xiàn)多種功能;

        (5)通過使用遙控器減少了裝卸操作的危險(xiǎn)性。

        因此,ECAS系統(tǒng)是目前主流的空氣懸架系統(tǒng)。

        ECAS系統(tǒng)一般由空氣彈簧、電子控制器(ECU)、電磁閥、遙控器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、高度傳感器、減振器和橫向穩(wěn)定桿等組成。通過高度傳感器連續(xù)不斷的測(cè)量車架與車橋之間相對(duì)高度的變化,并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞至ECU,ECU再以此為依據(jù),對(duì)氣囊適時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。如果ECAS系統(tǒng)是依據(jù)單個(gè)高度傳感器的輸入做為判斷依據(jù),那就是單點(diǎn)控制,如果ECAS系統(tǒng)是依據(jù)兩個(gè)高度傳感器的輸入做為判斷依據(jù),那就是雙點(diǎn)控制。通常,單點(diǎn)控制有三種形式,分別是橋左側(cè)布置、橋右側(cè)布置、橋中間布置(見圖1),雙點(diǎn)控制只有一種形式,橋兩側(cè)布置(見圖 2)。

        2 單、雙點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)區(qū)別及各自的優(yōu)缺點(diǎn)

        ECAS系統(tǒng)單、雙點(diǎn)控制除了在高度傳感器方面的差異外,電磁閥的結(jié)構(gòu)也是略有差異的。以美國(guó)威伯科公司的ECAS III型電磁閥為例,單點(diǎn)控制用電磁閥(見圖3)與雙點(diǎn)控制用電磁閥(見圖4)都是一個(gè)進(jìn)氣口(11口)與儲(chǔ)氣筒相連,兩個(gè)供氣口(22口和23口)各與左、右側(cè)氣囊相連,不論是單橋還是雙橋,同一側(cè)的氣囊都是通過三通互相連通的,氣囊壓力差最大不會(huì)超過0.1 bar。在需要給氣囊放氣時(shí),ECU控制電磁閥使22口和23口與排氣口(3口)連通,將多余的氣體排向大氣。從圖中不難看出,兩種電磁閥最大的區(qū)別就是雙點(diǎn)控制時(shí),左、右側(cè)氣囊氣壓是由兩個(gè)電磁閥分別控制的,也就是可以獨(dú)立的給單側(cè)氣囊供氣和放氣,左、右側(cè)氣囊各自為一個(gè)系統(tǒng),而單點(diǎn)控制時(shí),負(fù)責(zé)調(diào)整左、右側(cè)氣囊氣壓的電磁閥是同時(shí)開閉的,兩側(cè)氣囊同時(shí)供氣和放氣,且左、右側(cè)氣囊通過節(jié)流閥互相連通,左、右側(cè)氣囊一起構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。

        目前半掛牽引車ECAS系統(tǒng)中,單點(diǎn)控制和雙點(diǎn)控制都在被采用,兩者都有優(yōu)缺點(diǎn)。單點(diǎn)控制的最大優(yōu)勢(shì)就是成本優(yōu)勢(shì),比雙點(diǎn)控制少了一個(gè)高度傳感器,也少了安裝第二個(gè)高度傳感器的工序,成本上降低了200塊左右。在工況相同的情況下,氣囊的工作氣壓往往會(huì)對(duì)氣囊的壽命造成很大的影響。以德國(guó)康迪泰克4183N型氣囊為例,氣囊正常工作的最大氣壓為9 bar,如果氣囊長(zhǎng)期工作在9 bar以上,氣囊的壽命會(huì)受到很大的影響。單點(diǎn)控制時(shí)因?yàn)樽蟆⒂覀?cè)氣囊通過節(jié)流閥互通,所有氣囊的工作氣壓幾乎相同,不存在雙點(diǎn)控制左、右側(cè)氣囊氣壓有差異的情況,承載能力更強(qiáng)。雙點(diǎn)控制的優(yōu)勢(shì)是由于左、右側(cè)高度傳感器分別控制,懸架在遇到側(cè)傾時(shí)能夠自我修正,使車架保持水平,消除或者減輕車架和后橫向穩(wěn)定桿受到的扭力,而這恰好是單點(diǎn)控制的缺點(diǎn)。

        3 半掛牽引車單、雙點(diǎn)控制方式的選擇

        單點(diǎn)控制和雙點(diǎn)控制在理論上講都各有優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際使用中,ECAS系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)根據(jù)車輛的使用工況在控制邏輯上進(jìn)行優(yōu)化和取舍,那么還需要根據(jù)ECAS系統(tǒng)在實(shí)際使用工況下的表現(xiàn)來判斷單、雙點(diǎn)控制方式的優(yōu)劣。

        不難理解,同樣的情況下,后雙橋6×4半掛牽引車比4×2半掛牽引車的抗側(cè)傾能力更強(qiáng),因此選取4×2半掛牽引車進(jìn)行分析是具有代表性的。某4×2半掛牽引車前懸架為少片簧懸架,后懸架為空氣懸架,空氣懸架結(jié)構(gòu)為左、右側(cè)各一個(gè)氣囊和一個(gè)減振器,單點(diǎn)控制時(shí)為橋左側(cè)布置結(jié)構(gòu),雙點(diǎn)控制時(shí)為橋兩側(cè)布置結(jié)構(gòu),空氣懸架電控系統(tǒng)采用威伯科在商用車領(lǐng)域最先進(jìn)的ECAS III電磁閥及配套ECU。在標(biāo)定ECAS系統(tǒng)時(shí),ECU默認(rèn)當(dāng)高度傳感器的高度變化持續(xù)超出容差帶后60秒才會(huì)觸發(fā)氣囊充放氣,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證,高度傳感器的容差帶在±12 mm左右是最理想的。

        本文通過三種試驗(yàn)方案,分別從實(shí)際道路行駛工況、動(dòng)態(tài)抗側(cè)傾能力和靜態(tài)抗側(cè)傾能力等方面分析評(píng)價(jià)單、雙點(diǎn)控制。這三種方案分別是:

        (1)典型道路行駛工況試驗(yàn),平原一般公路和山區(qū)一般公路進(jìn)行單點(diǎn)控制和雙點(diǎn)控制實(shí)際道路工況采樣,選取同一路段行駛100 km左右,采集氣囊氣壓、氣囊高度、空氣懸架耗氣量等參數(shù)分析單、雙點(diǎn)控制在實(shí)際使用中的區(qū)別;

        (2)固定圓抗側(cè)傾試驗(yàn),獲取不同側(cè)向加速度時(shí),空氣懸架的側(cè)傾角,并據(jù)此來分析動(dòng)態(tài)時(shí)單、雙點(diǎn)控制在整車抗側(cè)傾能力方面的區(qū)別。

        (3)靜態(tài)輪荷偏置試驗(yàn),通過靜態(tài)測(cè)量后橋左、右車輪的輪荷和空氣懸架側(cè)傾角,分析靜態(tài)時(shí)整車單、雙點(diǎn)控制在整車后懸架姿態(tài)方面的區(qū)別。

        3.1 典型道路行駛工況分析

        在平原一般公路行駛工況中,選取車流量較大的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),分析在頻繁制動(dòng)和加速時(shí)空氣懸架的工作情況,而在山區(qū)一般公路行駛工況中,選取車流量較小的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),分析在大側(cè)向加速度過彎時(shí),空氣懸架的工作情況。如表1所示,該半掛牽引車在山區(qū)一般公路路況行駛時(shí),雙點(diǎn)控制下,左氣囊的平均氣壓為9.8 bar,右氣囊的平均氣壓為8.3 bar,兩側(cè)氣囊壓差1.5 bar,左氣囊的平均氣壓高出氣囊正常工作時(shí)最高氣壓9 bar的限值,在單點(diǎn)控制下,左、右側(cè)的氣囊氣壓保持一致,均為8.9 bar,都恰好在氣囊正常工作的限值內(nèi),氣囊的壽命不會(huì)受到影響。單、雙點(diǎn)控制下,左、右側(cè)氣囊高度變化標(biāo)準(zhǔn)差基本相同,空氣懸架耗氣量也基本一致,屬于微補(bǔ)氣狀態(tài)。這表明空氣懸架的工作狀態(tài)是相同的,雙點(diǎn)控制左、右側(cè)氣囊氣壓存在的1.5 bar的壓差并沒有對(duì)空氣懸架的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。該半掛牽引車在平原一般公路工況行駛時(shí),氣囊高度變化的標(biāo)準(zhǔn)差要比山區(qū)一般公路工況要小得多,同時(shí)單、雙點(diǎn)控制下,空氣懸架都沒有充放氣的情況。由于單點(diǎn)控制時(shí)平均車速較高,綜合考慮認(rèn)為,在此工況下,單、雙點(diǎn)控制時(shí)空氣懸架的工作狀態(tài)是相同的。

        表1 工況行駛試驗(yàn)

        同時(shí)在試驗(yàn)中,八名經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)。一致認(rèn)為,車輛分別采用單點(diǎn)控制法和雙點(diǎn)控制法,在平原一般公路和山區(qū)一般公路行駛時(shí),在過彎時(shí)的抗側(cè)傾能力、方向的可控性、整車行駛舒適性、制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性等方面,兩種控制法都沒有讓他們感受到明顯的區(qū)別。

        3.2 固定圓抗側(cè)傾能力分析

        因?yàn)镋CAS的ECU在氣囊高度持續(xù)超出容差值60秒后才會(huì)調(diào)整氣囊高度,但在實(shí)際使用中,氣囊高度持續(xù)超出容差值60秒的情況非常有限,所以空氣懸架抗側(cè)傾能力試驗(yàn)就需要分為ECU調(diào)整氣囊之前整車抗側(cè)傾能力試驗(yàn)和ECU調(diào)整氣囊之后整車抗側(cè)傾能力試驗(yàn)。

        ECU調(diào)整氣囊之前整車抗側(cè)傾能力試驗(yàn)中,單點(diǎn)控制和雙點(diǎn)控制主要區(qū)別就是節(jié)流閥的作用。理論上講,單點(diǎn)控制時(shí),通過節(jié)流閥的連通作用,氣壓高的一側(cè)的氣囊氣體會(huì)補(bǔ)充至氣壓低的一側(cè)氣囊里,這樣的話,會(huì)加劇側(cè)傾現(xiàn)象,而雙點(diǎn)控制時(shí),由于左、右氣囊相對(duì)獨(dú)立,抗側(cè)傾能力就會(huì)好些。然而實(shí)際試驗(yàn)中,如表2所示,單、雙點(diǎn)控制時(shí)的抗側(cè)傾能力幾乎一樣,無區(qū)別。

        表2 單、雙點(diǎn)控制時(shí)ECU調(diào)整前的空氣懸架工作情況

        ECU調(diào)整氣囊之后整車抗側(cè)傾能力試驗(yàn)中,首先繞著固定半徑的圓,以穩(wěn)定的大側(cè)向加速度行駛,使空氣懸架達(dá)到一定的側(cè)傾角,并超過60秒,觸發(fā)ECU對(duì)懸架進(jìn)行調(diào)整,然后再維持90秒,確認(rèn)ECU再無調(diào)整動(dòng)作,在整個(gè)試驗(yàn)過程中,始終保持側(cè)向加速度為定值。

        在空氣懸架為雙點(diǎn)控制時(shí)(見圖5),調(diào)整前的前車架與前橋相對(duì)側(cè)傾角平均值為2.8°,后車架與后橋相對(duì)側(cè)傾角為2.0°,調(diào)整時(shí)左氣囊放氣,減小剛度,右氣囊充氣,增加剛度,調(diào)整完成后前車架與前橋相對(duì)側(cè)傾角平均值為2.0°,后車架與后橋相對(duì)側(cè)傾角為0.9°,側(cè)傾得到了明顯修正。

        空氣懸架單點(diǎn)控制時(shí)(見圖6),調(diào)整前的前車架與前橋相對(duì)側(cè)傾角平均值為2.7°,后車架與后橋相對(duì)側(cè)傾角為2.1°,調(diào)整時(shí),左、右側(cè)氣囊同時(shí)放氣,調(diào)整完成后前車架與前橋相對(duì)側(cè)傾角平均值為2.9°,后車架與后橋相對(duì)側(cè)傾角為2.3°,側(cè)傾略有加劇,且因?yàn)闅饽曳艢?,剛度減小,懸架波動(dòng)加劇。

        經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),該車在側(cè)向加速度超過1.4 m/s2,車架與后橋相對(duì)側(cè)傾角超過0.9°后,就會(huì)觸發(fā)ECU對(duì)懸架進(jìn)行調(diào)整,但是因?yàn)镋CU需要等待持續(xù)超出限值60秒后才會(huì)發(fā)出指令。在典型山區(qū)行駛實(shí)際道路行駛過程中車輛側(cè)向加速度在0~3.7 m/s2之間,但轉(zhuǎn)彎的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為15秒,均未超過60秒,所以無論單點(diǎn)控制、還是雙點(diǎn)控制均未出現(xiàn)側(cè)傾修正。

        3.3 靜態(tài)輪荷偏載對(duì)空氣懸架側(cè)傾角的影響

        空氣懸架的偏載對(duì)懸架側(cè)傾角有很大的影響。保持該車后橋軸荷為11.8噸,通過逐漸調(diào)整后橋左、右輪荷,測(cè)量空氣懸架側(cè)傾角的變化(見表3)。當(dāng)后橋左、右輪荷的差值達(dá)到1.4噸的時(shí)候,后車架與后橋的相對(duì)側(cè)傾角達(dá)到了1.2°,目測(cè)主觀評(píng)價(jià)車身略微傾斜,但并不明顯,雙點(diǎn)控制時(shí),懸架自動(dòng)調(diào)整,而單點(diǎn)控制時(shí),懸架無調(diào)整。氣囊在不同載荷時(shí)變剛度且固有頻率基本保持不變,那么整車空載和滿載時(shí),空氣懸架的偏載對(duì)懸架側(cè)傾角的影響是基本相同的。

        如表3所示,當(dāng)后橋左、右輪荷差值達(dá)到1.4噸的時(shí)候,即左、右輪荷偏差達(dá)到21%時(shí),就需要對(duì)空氣懸架進(jìn)行調(diào)整,修正整車的側(cè)傾。從而我們可以大致認(rèn)為當(dāng)該車左、右輪荷的偏差超過20%時(shí),雙點(diǎn)控制由于能夠修正空氣懸架的側(cè)傾角而具有明顯優(yōu)勢(shì),而當(dāng)該車左、右輪荷的偏差只是保持在20%以內(nèi)時(shí),單、雙點(diǎn)控制無區(qū)別。通過研究多種不同結(jié)構(gòu)空氣懸架的偏載對(duì)相應(yīng)懸架側(cè)傾角的影響,發(fā)現(xiàn)需要修正懸架側(cè)傾角時(shí)的左、右輪荷偏差基本上都在20%左右。

        表3 偏載對(duì)空氣懸架側(cè)傾角的影響

        4 結(jié)論

        通過對(duì)ECAS系統(tǒng)的空氣懸架特性進(jìn)行理論分析和實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證,我們可以發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)控制在氣囊的正常使用范圍內(nèi),有懸架的承載能力更強(qiáng)和可以降低整車的制造成本的優(yōu)勢(shì),而雙點(diǎn)控制在懸架偏載過大 (根據(jù)空氣懸架結(jié)構(gòu)不同界值不同,基本在20%左右)的時(shí)候具有可以自動(dòng)修正側(cè)傾的優(yōu)勢(shì)。在車輛正常行駛的時(shí)候,兩種控制方式在過彎時(shí)的抗側(cè)傾能力、方向的可控性、整車行駛舒適性、制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性等方面都沒有區(qū)別。所以,在實(shí)際使用中,如果半掛牽引車不是經(jīng)常處于偏載過大 (根據(jù)空氣懸架結(jié)構(gòu)不同界值不同,基本在20%左右)的狀態(tài),那么采用單點(diǎn)控制方式較好,反之,則需要采用雙點(diǎn)控制方式。

        [1]朱華.電控空氣懸架系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2010,10:1-3.

        [2]李基恒,王家建.空氣懸架在重型載貨汽車上的開發(fā)與應(yīng)用[J].中國(guó)汽車市場(chǎng),2006,7:2.

        [3]GB/T 6323.6-1994,汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)[S].

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