客車電控空氣懸架系統(tǒng)研究及其發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著系統(tǒng)應(yīng)用的推廣和車輛控制技術(shù)的發(fā)展，電子控制逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械控制電子控制系統(tǒng)，不僅提高了操作的舒適性和反應(yīng)的靈敏度，而且可以附加很多輔助功能。

　　為了確保懸架的主要特性，即避振性(振動(dòng)衰減力)、彈性常數(shù)、減振器行程，不斷研制成功了能適應(yīng)各種行駛工況的最優(yōu)控制機(jī)構(gòu)。

　　客車的電子控制主動(dòng)懸架

　　對(duì)主動(dòng)懸架的研究目前主要集中兩個(gè)方面:一個(gè)是控制策略;另一個(gè)是執(zhí)行器。最早的主動(dòng)懸架控制策略是天棚原理，假設(shè)車身上方有一固定的慣性參考，在車身和慣性參考之間有一阻尼器，執(zhí)行器模擬此阻尼器的作用力來衰減車身的振動(dòng)。這種控制算法簡(jiǎn)單，在國(guó)外某些車型上已經(jīng)得到了應(yīng)用。

　　隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，提出了主動(dòng)懸架的最優(yōu)控制方法，它比天棚原理考慮了更多的變量，控制效果更好，目前最優(yōu)控制規(guī)律有三種:線性最優(yōu)控制、HQ最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)見控制。

　　由于實(shí)際懸架系統(tǒng)中有許多非線性的、時(shí)變的、高階動(dòng)力系統(tǒng)，使最優(yōu)控制方法變得不穩(wěn)定，為此又發(fā)展了自適應(yīng)控制方法。自適應(yīng)控制方法具有參數(shù)識(shí)別功能，能適應(yīng)懸架載荷和元件特性的變化，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，保持性能最優(yōu)。自適應(yīng)控制方法也有增益調(diào)度控制、模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制三類。

　　在德國(guó)大眾汽車公司的底盤上應(yīng)用了自適應(yīng)控制規(guī)律。目前發(fā)展最迅速的控制策略是智能控制(模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制)。模糊控制方法具有制動(dòng)調(diào)節(jié)輸入變量的組合、隸屬函數(shù)的參數(shù)和模糊規(guī)則數(shù)目等學(xué)習(xí)功能，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明該方法更有效。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量處理單元組成的高度并行的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，它能進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、學(xué)習(xí)適應(yīng)性和并行處理，研究表明它比傳統(tǒng)控制有更好的性能。

　　執(zhí)行器是實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，因此作對(duì)動(dòng)器的研究也是主動(dòng)懸架研究的重要內(nèi)容。為保證主動(dòng)懸架的良好性能，執(zhí)行器必須具有靈敏、隱定、可靠、能耗低、成本和總量低等特點(diǎn)。目前主動(dòng)懸架上應(yīng)用的執(zhí)行器主要是液力式結(jié)構(gòu)。

　　日產(chǎn)公司則開發(fā)了蓄能式減振器，它將壓力控制閥同小型蓄能器及液壓缸結(jié)合起來，使路面不平整引起的振動(dòng)被蓄能器吸收，車身隔振由主動(dòng)阻尼和被動(dòng)阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不過液壓動(dòng)力系統(tǒng)尚有許多不足之處，比如對(duì)工作環(huán)境有一定要求;元件制造精度要求高、成本難以下降;處理小信號(hào)的數(shù)字運(yùn)算，誤差的檢測(cè)與放大、測(cè)試與補(bǔ)償、自動(dòng)化與實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離等功能不如電氣系統(tǒng)靈活準(zhǔn)確等。因此現(xiàn)在執(zhí)行器的研究主要集中在直線伺服電機(jī)、電磁蓄能器的方向。

　　電氣動(dòng)力系統(tǒng)中的直線伺服電機(jī)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，永磁直流直線伺服電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)于液壓系統(tǒng)，今后將會(huì)取代液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。運(yùn)用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計(jì)自校正控制器，可望設(shè)計(jì)出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應(yīng)主動(dòng)懸架。

　　客車ECAS系統(tǒng)的功能和優(yōu)勢(shì)

　　汽車車架(或車身)若直接安裝于車橋(或車輪)上，由于道路不平，由于地面沖擊使貨物和人會(huì)感到十分不舒服，這是因?yàn)闆]有懸架裝置的原因。汽車懸架是車架 (或車身)與車軸(或車輪)之間的彈性聯(lián)結(jié)裝置的統(tǒng)稱。它的作用是彈性地連接車橋和車架(或車身)，緩和行駛中車輛受到的沖擊力。保證貨物完好和人員舒適；

　　衰減由于彈性系統(tǒng)引進(jìn)的振動(dòng)，使汽車行駛中保持穩(wěn)定的姿勢(shì)，改善操縱穩(wěn)定性；同時(shí)懸架系統(tǒng)承擔(dān)著傳遞垂直反力，縱向反力(牽引力和制動(dòng)力)和側(cè)向反力以及這些力所造成的力矩作用到車架(或車身)上，以保證汽車行駛平順；

　　并且當(dāng)車輪相對(duì)車架跳動(dòng)時(shí)，特別在轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪運(yùn)動(dòng)軌跡要符合一定的要求，因此懸架還起使車輪按一定軌跡相對(duì)車身跳動(dòng)的導(dǎo)向作用?？蛙囯娮涌刂瓶諝鈶壹芟到y(tǒng)(ECAS)系統(tǒng)常有如下功能和優(yōu)勢(shì)。

　　(1)車輛升降功能。車輛行駛時(shí)，ECAS維持正常底盤高度，在特殊路況和行駛條件下，可通過控制開關(guān)提升或者降低車輛的底盤高度，方便車輛輪渡或者通過隧道。ECAS還允許電控單元設(shè)置車輛速度，通過車速控制整車高度，比如當(dāng)車速達(dá)到20km/h時(shí)，車輛可自動(dòng)回復(fù)正常行程高度。

　　(2)側(cè)傾功能。此功能是用于城市公交車的專用功能。當(dāng)車輛到站時(shí)，車門側(cè)空氣氣囊放氣，如只有前車門則將該側(cè)前左右二個(gè)空氣氣囊同時(shí)放氣，如有前、后兩個(gè)車門，則該側(cè)后空氣氣囊放氣車門側(cè)的踏步高度可自動(dòng)降低，便于嬰兒車、輪椅車的上下，方便老、幼年乘客和殘障人士乘車。

　　ECAS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)傾高度的設(shè)定和控制，有單側(cè)側(cè)傾或單軸側(cè)傾多種方式供選擇，同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)視安裝在車門下的接觸開關(guān)來保證降低過程的安全性，如果接觸開關(guān)在降低過程中有反應(yīng)，客車將自動(dòng)回復(fù)到正常行車高度。

(3)車輛限高功能。E CAS可以設(shè)置車輛的最低和最高底盤高度。一旦達(dá)到設(shè)定的最低和最高位置，電控單元將自動(dòng)結(jié)束高度調(diào)節(jié)。

　　(4)高度集成化的系統(tǒng)。系統(tǒng)零部件少，安裝簡(jiǎn)單降低裝配成本。

　　(5)快速調(diào)節(jié)過程。由于采用大截面進(jìn)(出)氣口的電磁閥而使所有升降過程變得非常迅速。

　　(6)減少空氣消耗。避免車輛正常行駛振動(dòng)過程中的空氣消耗。以低地板城市客車為例與機(jī)械高度閥控制的空氣懸架系統(tǒng)相比，ECAS可節(jié)省大約25％的空氣消耗。

　　(7)壓力監(jiān)視功能。電控單元檢測(cè)供氣壓力，處于安全的考慮如果氣壓低于一定值，下降和側(cè)傾功能將受限。

　　(8)安全控制。電控單元根據(jù)當(dāng)前車門開關(guān)信息，判斷是否能提升/下降車輛。

　　(9)維修檢測(cè)。專用診斷軟件和檢測(cè)設(shè)備，可做到下線時(shí)快速檢測(cè)及調(diào)整；方便的閃碼功能，便于售后維修檢測(cè)。

　　在我國(guó)，ECAS已走進(jìn)了高檔公交車和旅游車市場(chǎng)，它的功能性和便利性越來越多的被市場(chǎng)所接受。在我國(guó)公交市場(chǎng)上，已經(jīng)開始規(guī)模使用帶ECAS 的城市公交車，相信隨著我國(guó)城市公交車的性能提升和產(chǎn)品換代，可以實(shí)現(xiàn)車身“側(cè)傾”功能的ECAS系統(tǒng)，將越來越多的出現(xiàn)在城市公交市場(chǎng)，給公共交通事業(yè)增添人文色彩。

　　客車ECAS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

　　ECAS系統(tǒng)主要由電控單元(ECU)、電磁閥、高度傳感器、空氣氣囊等部件組成。它的基本工作原理是高度傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)車輛高度(車架和車橋間的距離) 的變化，并把這一信息傳遞給電控單元，除高度信息外，電控單元還接受其它的輸入信息，如車速信息、制動(dòng)信息、車門信息和供氣壓力信息等，然后電控單元綜合所有的輸入信息，判斷當(dāng)前車輛狀態(tài)按照其內(nèi)部的控制邏輯，激發(fā)電磁閥工作，電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)空氣氣囊的充放氣調(diào)節(jié)。

　　ECAS的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能快速的達(dá)到所需的控制高度，這是由于ECAS電磁閥采用大截面的進(jìn)出氣口，然而不管電磁閥的反應(yīng)有多快，可能過量的空氣仍被充入空氣氣囊，并導(dǎo)致隨后的高度高于期望的標(biāo)準(zhǔn)高度，即“過沖”。當(dāng)車輛處于空載狀態(tài)時(shí)，由于系統(tǒng)儲(chǔ)氣筒壓力和空載時(shí)，空氣氣囊間大的壓差造成氣流速度非?？?，導(dǎo)致這種“過沖”更加頻繁。有時(shí)“過沖”能導(dǎo)致高度在標(biāo)準(zhǔn)高度周圍長(zhǎng)久的振蕩，這種控制過程不是我們所期望的，同時(shí)也減少了電磁閥的壽命。因此，要想達(dá)到精確的標(biāo)準(zhǔn)高度，控制過程需按照下面的方式進(jìn)行：在即將達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)高度前，減少氣流量，降低上升速度。如果系統(tǒng)調(diào)整的恰當(dāng)，將不會(huì)出現(xiàn)任何 “過沖”。因?yàn)殡姶砰y只能控制氣流的通斷，不能減少氣體的體積，如果用脈沖電流控制電磁閥，那么電磁閥就能短時(shí)的中斷氣體的流通起到了節(jié)流的效果。

　　ECAS電控單元采用脈沖方式控制電磁閥的開啟，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際高度與預(yù)期調(diào)節(jié)高度的偏差，電控單元計(jì)算電磁閥的調(diào)節(jié)脈沖長(zhǎng)度，如果需要調(diào)節(jié)的高度量大、由于沒有“過沖”的危險(xiǎn)，電控單元將給出一個(gè)長(zhǎng)的脈沖，同時(shí)，快的上升速度將減小脈沖長(zhǎng)度，這樣就能精確控制車輛的高度調(diào)節(jié)速度，極大的避免了高度的“過沖”及振蕩調(diào)節(jié)。

　　(1)電控單元。電控單元(電控單元)通常安裝在駕駛室或者電氣盒內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)不同高度值的管理和儲(chǔ)存，控制包括正常高度在內(nèi)的多個(gè)車輛高度，電控單元負(fù)責(zé)與診斷工具進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有部件的操作，檢測(cè)并儲(chǔ)存系統(tǒng)故障。

　　(2)電磁閥。電磁閥通常安裝在車架或車架橫梁上。ECAS電磁閥是高度集成化和模塊化的設(shè)計(jì)。取決于不同的配置，在通用的外部殼體內(nèi)可以布置不同數(shù)量的電磁閥部件。ECAS組合電磁閥可大大節(jié)省了零部件數(shù)量和安裝空間以及裝配費(fèi)用。為了降低排氣噪聲，電磁閥排氣口帶有消音器。例如，帶側(cè)傾功能的ECAS 電磁閥，其內(nèi)部就包含6個(gè)小的電磁閥，它們組合在一個(gè)殼體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)前后橋所有空氣氣囊的單獨(dú)控制和側(cè)傾控制。4×2客車上前橋裝一個(gè)高度傳感器，后橋裝二個(gè)高度傳感器。

　　(3)高度傳感器。高度傳感器的外形看起來與機(jī)械高度閥相似，它們的安裝方式和安裝位置完全相同，通常布置在車架上。傳感器內(nèi)部包含線圈和樞軸，當(dāng)車橋與車身之間的距離發(fā)生變化時(shí)，高度橫擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)相應(yīng)的電樞在線圈中上下直線運(yùn)動(dòng)，造成線圈的感應(yīng)系數(shù)變化，電控單元檢測(cè)此感應(yīng)系數(shù)的變化并將其轉(zhuǎn)換成高度數(shù)字信號(hào)。

　　電子控制空氣懸架的市場(chǎng)前景和發(fā)展趨勢(shì)

　　不久前，在北京商用車展上，廈門金龍、丹東黃海等客車廠家展出的大型鉸接BRT城市客車均采用了一種新配置——電子控制空氣懸架(ECAS系統(tǒng))。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整車高度的自動(dòng)升降，還具有側(cè)傾功能，方便行動(dòng)不便者上下車，大大提高了車輛的舒適性，體現(xiàn)了人性化設(shè)計(jì)理念。

　　目前空氣懸架控制模式主要有兩種，一種是采用機(jī)械高度閥手動(dòng)調(diào)節(jié)，即通過高度閥閥門的開啟調(diào)節(jié)對(duì)空氣氣囊的充放氣，從而保持車輛恒定的行駛高度。另一種為電子控制，使傳統(tǒng)空氣懸架系統(tǒng)的性能得到很大改善，汽車在各種路況、各種工況條 件下能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)節(jié)、主動(dòng)控制，并增加了許多輔助功能(如故障診斷功能等)，提高了懸架操作舒適性和反應(yīng)靈敏度。

電子控制空氣懸架代表了目前汽車空氣懸架的發(fā)展方向。據(jù)了解，國(guó)際上汽車懸架的發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧→氣囊復(fù)合式懸架→被動(dòng)全空氣懸架→主動(dòng)全空氣懸架 (即ECAS系統(tǒng))”的變化過程。目前ECAS系統(tǒng)在歐洲部分大客車上已經(jīng)開始應(yīng)用。隨著車輛控制技術(shù)的發(fā)展，電子控制逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械控制，ECAS 系統(tǒng)這種先進(jìn)的空氣懸架系統(tǒng)將成為汽車懸架的一個(gè)發(fā)展方向。

　　目前電子控制空氣懸架在國(guó)內(nèi)客車上已經(jīng)開始應(yīng)用，尤其是城市客車，比如北京等城市的BRT客車都采用了這種先進(jìn)的懸架系統(tǒng)，方便老人或殘疾人上下車。

　　雖然電子控制空氣懸架被認(rèn)為是客車的發(fā)展趨勢(shì)之一，但距離大面積市場(chǎng)推廣還有很長(zhǎng)的路。目前電子控制空氣懸架的應(yīng)用領(lǐng)域還非常窄。僅有少量高檔公交車以及某些特殊用途的車輛，為滿足降低車身高度的要求而采用電子控制空氣懸架。目前空氣懸架在國(guó)內(nèi)客車上的使用率僅有10%左右，電子控制空氣懸架更是不足 1%，市場(chǎng)容量非常小。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，電子控制空氣懸架在客車上大量應(yīng)用不太現(xiàn)實(shí)。畢竟這種高端產(chǎn)品的價(jià)格比普通空氣懸架高2~3倍，而整車廠都在控制成本，對(duì)于懸架，只要空氣氣囊高度可調(diào)就基本滿足要求了，不需要昂貴的電控系統(tǒng)來自動(dòng)調(diào)節(jié)。一種先進(jìn)產(chǎn)品的推廣主要靠政府法規(guī)的引導(dǎo)，以及市場(chǎng)需求的發(fā)展，電子控制空氣懸架也不例外。在市場(chǎng)需求還沒有大幅提高，也沒有法規(guī)強(qiáng)制安裝的情況下，電子控制空氣懸架的市場(chǎng)前景并不被看好。

　　客車電控懸架今后須要解決的技術(shù)

　　被動(dòng)懸架在一定的時(shí)間內(nèi)仍將是應(yīng)用最廣泛的懸架系統(tǒng)，通過進(jìn)一步優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以繼續(xù)提升懸架性能。主動(dòng)懸架性能優(yōu)越，出于成本原因還只能成為高級(jí)轎車和賽車的裝備。它的研究重點(diǎn)在于高性能的執(zhí)行器和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制策略方面。半主動(dòng)懸架性能優(yōu)于被動(dòng)懸架，成本比主動(dòng)懸架低得多，應(yīng)該是今后懸架系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。研究性能可靠，調(diào)節(jié)方便的可調(diào)阻尼減振器和算法簡(jiǎn)單有效的控制策略將是半主動(dòng)懸架走向大眾的必經(jīng)之路。

　　客車懸架今后須要解決的技術(shù)有：油氣懸架技術(shù)：由油氣部件和彈簧系統(tǒng)共同支撐車體，根據(jù)汽車變化的承載量，由油氣部件調(diào)節(jié)懸架的水平位置，使彈簧保持正常的使用位置；阻尼可調(diào)節(jié)減振器：由傳感器感知汽車行駛時(shí)的狀況，包括載荷的大小、路面的不平、是否轉(zhuǎn)向、是否加速或制動(dòng)等，經(jīng)電控單元分析判斷，通過電磁閥液壓系統(tǒng)，調(diào)節(jié)減振器的阻尼。此項(xiàng)技術(shù)又成為半主動(dòng)懸架技術(shù)；全主動(dòng)懸架技術(shù)：通過電液系統(tǒng)不僅調(diào)節(jié)阻尼而且調(diào)節(jié)彈力、水平位置等。

　　針對(duì)懸架系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，研究適宜的懸架系統(tǒng)電控技術(shù)是汽車懸架系統(tǒng)振動(dòng)性能改進(jìn)的方向。懸架位于車身與輪胎之間，對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)性能、乘坐舒適性有重大的影響。按照路面行駛工況最優(yōu)控制，懸架性能以確保車輛行駛性能與乘坐舒適性，電子控制懸架將進(jìn)一步向高性能方向發(fā)展。作為實(shí)現(xiàn)這種對(duì)懸架的優(yōu)化控制的方式之一，是利用“預(yù)知傳感器”進(jìn)行預(yù)知控制的“預(yù)知控制懸架”。目前已提出了多種的方案，并期待著這種新式傳感器的出現(xiàn)。另一方面，從地球環(huán)境來考慮，為進(jìn)一步節(jié)約能源，懸架控制向高壓力化、高電壓化、小型輕量化發(fā)展。在控制理論方面正在致力于模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等應(yīng)用于懸架方面的研究。

　　從外表上看似簡(jiǎn)單的懸架，包含著多種力的合作，是現(xiàn)代客車十分關(guān)鍵的部件之一。隨著客車結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進(jìn)和完善，研究客車振動(dòng)，設(shè)計(jì)新型懸架電控系統(tǒng)，將振動(dòng)控制到最低水平是提高現(xiàn)代客車品質(zhì)的重要措施。目前，客車懸架系統(tǒng)已進(jìn)入到利用電子控制器進(jìn)行控制的時(shí)代。運(yùn)用較優(yōu)的控制方法，得到高性能的減振效果，且使能耗盡可能的低，是客車懸架系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。