張小剛

基于空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應用模型”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用實際情況，簡要分析了諸如常規(guī)高度閥、快速排氣高度閥以及多級高度調節(jié)閥等各種不同類型高度閥和ECAS空氣懸架系統(tǒng)各自的應用技術狀態(tài)和特點?；谏鲜龇治鼋Y果，率先提出了空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應用模型”（UAM），該模型對目前所有商用車空氣懸架系統(tǒng)中包括高度閥在內的閥類零部件的應用狀態(tài)進行了高度概括和統(tǒng)一。并以此模型為基礎，設計出一種可自動調節(jié)長度的高度閥連桿，與最普通的高度閥配合使用，在保留高度閥實時進、排氣的優(yōu)勢下實現(xiàn)對氣囊高度無級、多樣化調節(jié)，再結合氣囊壓力監(jiān)測裝置和中央處理單元，最終實現(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)一應用模型

前言

商用車空氣懸架自誕生以來，除了ECAS系統(tǒng)之外，其它應用系統(tǒng)的基本工作原理和主體結構至今并無根本性變化，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現(xiàn)車身高度自動升降或側跪，在普通高度閥基礎上陸續(xù)設計出了可以實現(xiàn)氣囊高度多級變化的多高度閥，這些閥結構復雜，尺寸較大、成本也相對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空氣懸架應用形態(tài)。

縱觀上述所有的空氣懸架應用形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)一個特點，這些閥類產(chǎn)品有著千差萬別的設計狀態(tài)，但是，連接高度閥（或ECAS傳感器）與車身（或底盤）的縱向連桿長度都是固定的。雖然它是設計成可以調節(jié)的，但是在實際應用中，只是偶爾手動調節(jié)一下，然后重新鎖緊，其目的是為了補償車輛裝配誤差造成的多個氣囊之間的高度差異，在空氣懸架正常工作過程中，該連桿長度保持固定不變[1]。

1 目前商用車空氣懸架應用中的問題

1.1 多氣囊高度調節(jié)閥

商用車駕駛室和底盤空氣懸架中，最普通的高度閥僅能維持一個氣囊高度，即正常情況下，車身相對底盤的高度始終不變[2]。實際應用中，當車輛通過限高桿時需要適當降低車身，或者通過壞路（或減速帶）時需要適當抬高車身，或者客車需要進行側跪（前跪）時需要降低部分氣囊高度[3]，如圖1所示。此時，需要對全部或部分氣囊高度進行適當?shù)恼{節(jié)，但普通高度閥無法做到這一點。因此，全球很多閥類廠家根據(jù)各種實際需求，開發(fā)了多種多樣的多氣囊高度調節(jié)閥。

圖1 客車側跪（部分氣囊高度減?。?/p>

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

1.2 ECAS系統(tǒng)

ECAS系統(tǒng)涵蓋車輛氣囊高度信息采集、信息處理、信號輸出以及閥塊進、排氣等執(zhí)行機構，對車輛空氣懸架系統(tǒng)實現(xiàn)了精準控制。但是，其成本高昂、結構復雜、標定繁瑣，售后維修需要專業(yè)人員完成，這對車輛生產(chǎn)廠的空氣懸架推廣應用同樣具有負面作用。

另外，相對普通高度閥，ECAS無法對氣囊的高度變化提供實時快速的響應。大量道路對比試驗已經(jīng)證明，高度閥快速的響應對駕乘舒適性存在有利的影響[4]。

2 空氣懸架高度閥統(tǒng)一應用模型

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

典型的商用車空氣懸掛應用系統(tǒng)如圖2所示。對于普通高度閥，氣囊高度始終維持在一個值不變。

圖2 典型的空氣懸架高度閥應用

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)，同時增加復雜的控制電路、氣路等外圍零部件和系統(tǒng)。目前的商用車空氣懸掛應用場景中，多氣囊高度閥或系統(tǒng)通常能實現(xiàn)下列單一或組合功能：

（1）鎖閉氣囊（防止氣囊無壓力時承載造成氣囊損壞）；

（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（便于通過限高或獲得更優(yōu)空氣動力學性能）；

（5）排空氣囊（最低位置）；

（6）提升橋（多個氣囊和閥組合實現(xiàn)）；

（7）側跪（多個氣囊和閥組合實現(xiàn)）；

（8）前跪（多個氣囊和閥組合實現(xiàn)）；

（9）整體升降（多個氣囊和閥組合實現(xiàn)）；

（10）氣囊高度無極調節(jié)。

以上多種多樣的功能，在現(xiàn)有的空氣懸架應用策略下，顯然無法用某個單一的系統(tǒng)將它們全部概括統(tǒng)一起來。但是，在適當改變現(xiàn)有應用的模式的某些固有技術特征之后，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)一應用模型

如前文所述，目前商用車空氣懸架應用中，連接高度閥（或ECAS傳感器）與車身（或底盤）的縱向連桿長度都是固定的。但是，當把這個縱向連桿長度看成可以實時調節(jié)的時候，將它與一只最普通的高度閥組合成一個簡單的應用模型——空氣懸架高度閥統(tǒng)一應用模型（UAM模型）?？梢园l(fā)現(xiàn)，這個模型能很容易地描述前文所述的所有高度閥（含ECAS）的應用形態(tài)，即，該模型可將上述所有應用形態(tài)概括統(tǒng)一起來。

圖3 高度閥統(tǒng)一應用模型與其它閥或系統(tǒng)應用形態(tài)對應關系

圖3是空氣懸架高度閥統(tǒng)一應用模型的各種應用形態(tài)與其它閥或系統(tǒng)的對應關系。此圖只展示了單獨一只高度閥的情形，對于需要多個氣囊和高度閥組合實現(xiàn)的功能，將該模型簡單疊加組合即可。

上述模型中，連桿長度在C位置時，高度閥維持氣囊的正常高度。連桿長度在A位置（稍高于氣囊拉伸極限位置）時最長，將使高度閥擺臂始終處于進氣位置，氣囊無法通過高度閥排氣從而保持內壓，此長度需要根據(jù)車橋和車身具體限位確定合適的值。當連桿長度位于A和C之間時，氣囊（車身）將會高于正常高度，當連桿長度位于C和E之間時，氣囊（車身）將會低于正常高度，這兩個第二高度具體取值，同樣要根據(jù)車身和車橋具體設計來確定。連桿長度在E位置（稍低于氣囊壓縮極限位置）時最短，此時氣囊排空。

特別注意，在確定A和E兩個位置的連桿長度時，要仔細研究各個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，應該在臨界位置附近合理取值。

如果將該縱向連桿設計成連續(xù)可調節(jié)的，對于專業(yè)人員，可以設置合理調節(jié)步長，方便快速調整；對于一般駕駛員等非專業(yè)人員，則可在人機接口處，合理設置“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)一應用模型”的智能空氣懸架系統(tǒng)

3.1 基本原理和結構

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

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

圖4是不帶壓力監(jiān)測的基礎型應用原理圖，操作者通過人機接口的控制器，在一定范圍內自行調節(jié)部分或者所有氣囊高度，快速實現(xiàn)車身高度的調節(jié)。

圖5是帶氣囊壓力監(jiān)測并采集車速等信息的擴展型應用原理圖，操作者通過人機接口的控制器，在一定范圍內自行調節(jié)部分或者所有氣囊高度，快速實現(xiàn)車身高度的調節(jié)，但這些操作受限于氣囊壓力、車速等信息的限制，能更加確保調節(jié)過程不影響車輛安全性。同時，對車輛自身在焊接、裝配過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，提供聲光報警等提示信息。

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

3.2 關于人機接口的控制器功能

人機接口的控制器，應該能提供便利的操作，以便快速準確地調節(jié)氣囊高度，同時也要防止操作者將氣囊高度調節(jié)到極限狀態(tài)（例如氣囊高度過高，各個氣囊高度偏差過大造成車身傾斜或扭曲）造成行車安全隱患。對于各個氣囊，既要能單獨調節(jié)，也要能組合部分或全部氣囊統(tǒng)一調節(jié)，以實現(xiàn)側跪、前跪、整體升降、提升橋等功能。

4 結論

商用車空氣懸架應用是大勢所趨，目前使用空氣懸架高度閥或系統(tǒng)應用中，縱向連桿均是固定長度，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時調節(jié)的形式，創(chuàng)立了一種簡單模型——空氣懸架高度閥統(tǒng)一應用模型（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，并基于此模型，提出智能空氣懸架系統(tǒng)的構想，以期推動整個空氣懸架行業(yè)的技術進步和更廣泛的應用。

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

[2] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,第5版,2009,3.

[3] 張小剛.空氣懸架高度閥對卡車駕駛室舒適性影響的試驗研究[J].汽車實用技術,2019(11):85-88.

[4] 張小剛.陜重汽某車型駕駛室高度閥若干應用問題分析和研究[J].汽車實用技術,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，高級應用工程師，主要研究方向為商用車空氣懸架系統(tǒng)。