仇 義，戴曉鋒，王維偉，方學(xué)良，王曉敏，劉曉曉

（1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)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(jì)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(jī)動車安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB 7258-2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》 等標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)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(yīng)用，本文從車輛選型、試驗(yàn)分析、工作參數(shù)優(yōu)化、模擬仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等，對商用車空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并對響應(yīng)速度和能耗等進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

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(shí)時調(diào)節(jié)空氣彈簧內(nèi)的空氣，實(shí)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(shí)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(yīng)，才能保證執(zhí)行的靈敏性和快速性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(jī)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(jī)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(jī)一致循環(huán)利用，從而不會排放到大氣中，可以達(dá)到節(jié)能降耗和提高響應(yīng)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(zhǔn)度和響應(yīng)速度。

3 工作參數(shù)確認(rèn)和試驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)式空氣懸架。建立模型后，根據(jù)ADAMS/Car 仿真軟件需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(dǎo)出的簡化模型導(dǎo)入到ADAMS/Car 仿真軟件內(nèi)，見圖4。對模型進(jìn)行定義和結(jié)構(gòu)簡化，以方便模型參數(shù)設(shè)置。

圖4 模型參數(shù)設(shè)置

模型參數(shù)設(shè)置完成后，對整車空氣懸架模型進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行調(diào)整，并可以達(dá)到預(yù)定的支撐力。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

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

圖5 模擬仿真與測試結(jié)果

圖5 模擬了儲氣筒和氣囊間不同氣壓差及空壓機(jī)開啟時間對車身響應(yīng)的影響，模擬仿真結(jié)果見圖5 實(shí)線部分。同時，為了驗(yàn)證模擬仿真的準(zhǔn)確性，將與模擬仿真相同的參數(shù)設(shè)置在測試車輛上進(jìn)行測試分析，實(shí)際測試結(jié)果見圖5 虛線部分。

從模擬仿真和實(shí)際測試結(jié)果可以看出，模擬仿真與實(shí)際測試結(jié)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(jī)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(yīng)相對越高，因此通過模擬仿真后可得最優(yōu)結(jié)果為：空壓機(jī)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(yīng)最快，能耗最低。

4 結(jié)論

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

2）通過模擬仿真后，可得最優(yōu)結(jié)果為：空壓機(jī)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(yīng)最快，能耗最低。