仇 義，戴曉鋒，王維偉，方學良，王曉敏，劉曉曉

（1.揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225127；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運輸事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，商用車市場需求也隨之增加，2021 年商用車總銷量突破800 萬臺。隨著商用車保有量的增加，商用車暴露的問題也越來越多，主要是車輛超載和由于車輛超載等造成的車輛事故[1-3]。為此，國家更新了機動車安全技術標準GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》 等標準，修正了《中華人民共和國道路交通安全法》等法律法規(guī)，從車輛生產(chǎn)源頭上避免車輛超載現(xiàn)象，主機廠主要通過加裝空氣懸架系統(tǒng)避免車輛超載。此外，空氣懸架系統(tǒng)還可以有效減少車輛對路面的損壞、提高駕駛舒適性和操控穩(wěn)定性等[4]。

針對商用車配備空氣懸架的迫切性和空氣懸架的應用，本文從車輛選型、試驗分析、工作參數(shù)優(yōu)化、模擬仿真分析和試驗驗證等，對商用車空氣懸架系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，并對響應速度和能耗等進行詳細分析。

1 整體結構和工作原理

1.1 整體結構

閥體和傳感器的整體布置方案見圖1。將車輛傳統(tǒng)的板簧更換為空氣彈簧，通過控制空氣彈簧內(nèi)的空氣壓力，從而調(diào)節(jié)空氣彈簧高低和空氣彈簧支撐力。

圖1 閥體和傳感器的整體布置方案

1.2 工作原理

車輛通過實時調(diào)節(jié)空氣彈簧內(nèi)的空氣，實現(xiàn)對車輛車身高度、車身姿態(tài)和空氣彈簧支撐力的控制，以保證實現(xiàn)不同車速下的車身高度調(diào)節(jié)、保持車輛轉(zhuǎn)彎和剎車狀態(tài)下的車身姿態(tài)及保證通過起伏路面時的舒適性。以上均需要系統(tǒng)的及時響應，才能保證執(zhí)行的靈敏性和快速性。

2 控制系統(tǒng)設計

圖2 為優(yōu)化后的商用車空氣懸架的控制系統(tǒng)原理圖。該控制系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

2.1 控制系統(tǒng)硬件

該商用車空氣懸架控制系統(tǒng)硬件部分主要由嵌入式微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）、基于控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線協(xié)議的車輛信息通信設備、信息采集傳感器組、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）驅(qū)動模塊和電機驅(qū)動模塊等組成。

2.2 控制策略

該控制策略采用帶增壓機式閉環(huán)控制邏輯，閉環(huán)控制是指在控制過程中壓縮空氣通過增壓機一致循環(huán)利用，從而不會排放到大氣中，可以達到節(jié)能降耗和提高響應的目的。同時，借鑒現(xiàn)有商用車控制方式，增加換向閥，可有效提高控制的精準度和響應速度。

3 工作參數(shù)確認和試驗驗證

3.1 模擬仿真分析

利用Creo 三維建模軟件，建立空氣懸架系統(tǒng)模型，見圖3。在該系統(tǒng)模型中，前后橋空氣懸架系統(tǒng)均采用單點式空氣懸架。建立模型后，根據(jù)ADAMS/Car 仿真軟件需求進行結構簡化和格式轉(zhuǎn)化。

圖3 空氣懸架系統(tǒng)模型

將Creo 三維建模軟件導出的簡化模型導入到ADAMS/Car 仿真軟件內(nèi)，見圖4。對模型進行定義和結構簡化，以方便模型參數(shù)設置。

圖4 模型參數(shù)設置

模型參數(shù)設置完成后，對整車空氣懸架模型進行不同路況下的模擬仿真。通過ADAMS/Car 仿真軟件對空氣彈簧垂直支撐力和相對高度進行不同路況下的模擬仿真可以得出，在不同路況下該帶增壓機式閉環(huán)控制均可迅速根據(jù)不同路況和車速，對車身姿態(tài)進行調(diào)整，并可以達到預定的支撐力。

3.2 試驗驗證

為驗證控制邏輯的可行性、響應速度、平衡性和能耗性等，將該控制邏輯添加到數(shù)學模型中，然后通過模擬仿真對該控制邏輯進行優(yōu)化，模擬仿真與實際測試結果見圖5。

圖5 模擬仿真與測試結果

圖5 模擬了儲氣筒和氣囊間不同氣壓差及空壓機開啟時間對車身響應的影響，模擬仿真結果見圖5 實線部分。同時，為了驗證模擬仿真的準確性，將與模擬仿真相同的參數(shù)設置在測試車輛上進行測試分析，實際測試結果見圖5 虛線部分。

從模擬仿真和實際測試結果可以看出，模擬仿真與實際測試結果相似，偏差在3%以內(nèi)。此外，圖5 中的4 條曲線分別為不同氣壓差下的氣囊壓力變化曲線，由于空壓機開始時間越長能耗越高，氣壓差越小充氣時間越短但放氣時間越長，閥體開啟頻率越高響應相對越高，因此通過模擬仿真后可得最優(yōu)結果為：空壓機開啟時間為3.5 s、電磁閥頻率為22 kHz 和氣壓差為0.56 MPa時，系統(tǒng)響應最快，能耗最低。

4 結論

1）從模擬仿真和實際測試結果可以看出，模擬仿真與實際測試結果相似，偏差在3%以內(nèi)。

2）通過模擬仿真后，可得最優(yōu)結果為：空壓機開啟時間為3.5 s、電磁閥頻率為22 kHz 和氣壓差為0.56 MPa時，系統(tǒng)響應最快，能耗最低。