1、悬架是车辆的组成部件之一，它弹性地连结着车桥和车身，缓冲车辆在行驶中遇到的冲击力。电子控制空气悬架系统 ECAs( Eleetronically controlled Air SusPention System)是目前比较先进的一种悬架系统，它以优良的减振性能，在车辆振动控制中得到越来越广泛的应用。与国外相比，我国电子控制空气悬架系统的开发还处于起步阶段，因此，对空气悬架系统进行研究与开发具有非常重要的意义。悬架系统是车辆的重要组成部件之一，它将车身和车轮弹性地连接在一起，传递路面作用于车轮的支撑力、牵引力、制动力和侧向反力，以及这些力所产生的力矩，并缓和由于不平路面传给车身的冲击载荷，衰减引
2、起的震动，从而保证车辆的操纵稳定性、行驶平顺性和轮胎接地等性能。传统的被动式悬架系统因为弹簧刚度和减振器阻尼系数等参数一旦确定，悬架刚度和阻尼不再可调，不能根据路况、载荷对相应的参数进行实时调节，即无法实现最优匹配。自上世纪 70 年代以来，汽车工业发达国家开始研究基于振动主动控制的主动、半主动悬架系统。主要从两方面开展研究工作，其一是研制主动、半主动悬架刚度可调的弹簧(如空气弹簧等 )，结合传感器和电子控制单元，可对悬架系统的阻尼和刚度进行控制; 其二是研制主动或半主动悬架的可调阻尼减振器，fZ。电子控制空气悬架系统 (EleetronieallyControlledAirSuspentio
3、nsystem，简称 EcAS)已在国外客车、重型汽车上得到应用，高档轿车上也开始应用。国内近几年开始研究电子控制空气悬架系统，但少见有在汽车上使用具有自主知识产权的成熟产品。因此，积极开展对电子控制空气悬架系统的开发与应用方面的研究，既可提高国产汽车的减震性能，又能为车辆悬架企业参与国际市场竞争提供支持。车辆悬架系统的发展经历了一个从被动到主动的过程，在主动悬架中有半主动和全主动两大类。全主动悬架指刚度和阻尼均可调，通常采用一个力发生器(或称为作动器) 来取代传统被动悬架中的弹簧和减振器;半主动悬架的刚度或阻尼可调。弹簧刚度可调构成的半主动悬架是由 Hubbard 等人于 1976 年提出，
4、弹簧刚度的改变是通过空气弹簧来实现的。与主动悬架相比，半主动悬架生产成本较低，能量消耗较小，在商业应用上早于主动悬架。但随着对汽车平顺性、操稳性和接地性要求的提高，研制和应用具有非线性刚度特性的空气悬架系统成为业内的又一热点。国外大的空气悬架关键零部件生产企业、著名的专业悬架生产企业及汽车制造商在这方面表现的十分活跃。目前国内还未研制出具有自主知识产权的电子控制空气悬架系统。电子控制空气悬架系统是以空气弹簧作为弹性元件，利用压缩空气的反作用力作为弹性力。ECAS 是通过电子控制单元 ECU 对空气悬架实现多种功能的控制系统。ECAS 与机械式控制系统有着显著的不同，在机械式控制系统中，高度阀不
5、仅测量整车高度，同时控制空气弹簧的充气与排气。ECAS 则是通过电子控制单元 ECU 进行整车控制，高度传感器将整车身高度转换为电子信号，然后传递给 ECU，ECU 接受传感器传递的信号，然后向电磁阀发出指令，并通过电磁阀驱动空气弹簧的充排气等过程。电子控制空气悬架系统能够自动适应车辆行驶状态，表现出极佳的性能网侧10j，气固藕合的电子控制空气悬架系统涉及多个领域，较为复杂，电控系统算法的研究及其与整车性能匹配的研究是电子控制空气悬架系统的关键。随着现代控制理论、方法以及计算机技术的发展，空气悬架的控制理论和控制方一法成为研究的热点和重点，长期以来，国内外汽车界对此进行了大量的研究。(10)空
6、气悬架的不足空气弹簧悬架结构较复杂，制造成本高;空气弹簧只能承受垂向载荷，所以应设置相应的导向机构;空气弹簧尺寸大，布置困难;空气悬架系统对气路系统的气密性要求较高。ECAS 系统构成电子控制系统主要由电子控制单元 ECU(EletronieControlUnit)、检测传感器、减震器、空气弹簧、导向机构、缓冲限位块、稳定杆等组成。根据电控系统的总体设计，ECU 系统构成如下:(l)系统须具备如下几个类型的信号检测电路 :l)无源开关信号的检测:储气罐压力信号以无源开关形式给出，ECU 内部须提供激励电压，在开关通断状态下分别给出不同的电平状态。2)开关信号检测: 制动踏板、车门位置和点火开关
7、等信号以 24V 高电平形式给出，ECU须响应外部输入电平的变化。3)数字频率信号的检测: 车速信号以幅值为 24V 的脉冲波形式给出，ECU 须响应输出电平变化，并计测脉冲信号的周期。4)无源电感的检测: 车身高度以无源电感的形式给出，当车身高度变化时，传感器电感量也发生相应变化。ECU 内部须给出某种激励信号，使得传感器适配电路的响应与电感量相关。ECU 即检测该响应信号。5)输出信号:系统仅向外输出开关信号以控制空气弹簧充排气阀门和减振器摆动汽缸控制阀门。这两个控制对象均为感性负载，因此采用相同的控制驱动电路。(2)存储器:ECU 内部非易失性保存若干设置数据。(3)通信:ECU 须具备
8、对外数据通信能力，完成向外输出各类检测数据、运行参数和外部控制指令等功能。(4)电源:车载环境提供 24V 直流电源，须根据内部电路要求进行适当变换，产生合适电压等级的电源。检测传感器:用于获取车身的各项状态参数以及行驶姿态和路面信息，其中包括:空气弹簧高度、空气压缩机输出压力、车身倾角、制动、转向、加速等。导向机构:空气弹簧只承受垂直载荷，必须有导向机构承受纵向力、侧向力及其力矩。减振器:空气悬架的减振器主要起到限制向下行程的作用和防止空气弹簧与底座分离。一般多用双向简式液压减振器，其内部装有行程限位装置。3.1.2ECAS 的工作原理ECAs 通过信号采集系统 (传感器 )将车身高度变化、
9、车身速度转换为电子信号，然后将其输入至控制器 (ECU)，ECu 将信号进行数据处理，将处理后的信号向电磁阀发出指令，通过电磁阀控制空气弹簧的进、排气来调节车身高度，并通过气缸或步进电机控制减振器节流口的大小来调节阻尼力大小，如图 3.1 所示。3.1.3ECAS 的主要功能EcAs 是一个高度集合的模块化设计产品，它利用电子控制单元 ECU，根据传感器的读数，通过电磁阀来控制气囊的动作。除控制正常行车高度外，与开关配合。ECU 还可实现其它控制功能:(1)自动控制车身高度这是 ECAS 的基本功能，通过比较传感器提供的读数和储存在 ECU 中的标定高度，ECAS 在所有时间内识别车辆运行中的
10、高度，只要高度差超过了设定的公差范围，电磁阀就通过增加或减少气囊的压力( 充气或放气) 将实际高度调整到标定高度。与常规空气悬架系统不同的是，ECAS 不仅可以控制正常高度，而且可以控制任何预先设定的高度。这就意味着不管上、下车的乘客多少，都保持任何预先设定的高度。为防止上升时超越目标，一旦达到标定的上下位置，即自动结束调整。所有控制过程能同时作用于前后桥。(2)正常高度 I/11正常高度 I 是指车辆生产厂家设置的正常行驶高度，这一正常高度决定了车辆的舒适性、驾驶安全性和满足法规的车身高度。正常高度 11 与标准正常高度 I 不同，它是为特殊驾驶条件而设置的，已输入 ECU 中。一般在仪表板
11、附近安装一翘板开关选择正常高度 I 或正常高度 n，而且可安装选择一正常高度 n 的指示灯。在某种情况下，需要设置一个与正常高度 I 或正常高度 n 不同的高度，那就需要一个开关来控制预选择的轴的提升或降低。(3)限高一旦达到标定的最低或最高位置，电子控制器将自动结束高度调节。(4)侧跪功能侧跪是用于城市客车的一种特殊功能。根据设置在 ECU 中的参数，可使客车整个一侧、一个轮子或整车进行升降，以便于乘客上、下车。ECAS 也考虑了门的位置，通过安装在门下的触片簧，使降低过程安全可靠，这个触片由 ECAS 监控。如果触片在降低过程中发出故障信号，客车将恢复到它的正常高度。电子控制空气悬架系统控
12、制方式通常包含高度控制和阻尼控制。(l)高度的控制高度控制是车辆空气悬架系统的基本功能，通过比较高度传感器实时采集的数据和储存在控制器(ECU)中的指标高度，系统跟踪当前的车身高度，为避免频繁充放气 (车身高度调节)，设置车身高度控制的不敏感区域，只有当前车身高度超过不敏感区域，其控制电磁阀工作，通过增加和减少空气弹簧内的气体质量，将实际车身高度调整到指标高度。电磁阀激发后，当车辆车身高度快要到达指标高度时，通过高度信息预估计，实行电磁阀关闭，防止车身高度过充或者过放。其中，车身控制过程能同时作用在前后桥。空气弹簧有两种高度模式并能实现限高和全跪功能:正常模式是车辆正常行驶高度，这一高度决定了
13、弹簧的舒适性、驾驶安全性和与应用规范保持一致的车身高度。高位模式是不同于标准正常高度的高度，确定这一高度时考虑了特定的驾驶条件。高位模式通过设定参数值由控制器(ECU)确定。高位模式通常在低速 (ZOkm/h)下使用。限高:一旦达到输入的最低和最高位置，电子控制器将自动结束高度调节。全跪功能:全跪功能是用于客车的一种特殊功能。 “全跪”意味着使客车降低以便于乘客上、下车。客车只有在静止的情况下，才能全跪，并且必须有足够的供气压力，使降低的并且满载的车辆能回复到正常高度。(2)阻尼的控制减振器阻尼控制有软模式和硬模式两种:软模式是车辆正常行驶时减振器的阻尼，这一阻尼决定了减振器的吸振效果。硬模式
14、是不同于车辆正常驶时的阻尼，确定这一阻尼时考虑了特定的驾驶条件。当车辆在低速(ZOkm/h)并且空气弹簧在高位模式时，减振器阻尼采用硬模式。由以上的分析可以看到，空气弹簧现代设计方法应该是设计理论、CAD 技术、有限元分析三者相结合的一种设计方法，三者缺一不可。5.1.2 基于现代设计方法的空气弹簧设计方案结合结构设计理论、以 D 技术、有限元分析等现代设计方法的主要内容，根据空气弹簧的设计特征，提出基于现代设计方法的空气弹簧设计方案，如图 5 一 1 所示，主要由四个步骤构成:(1)技术参数确定技术参数确定环节的主要目的是初步确定一些关键参数，为空气弹簧橡胶气囊的设计创造条件。根据空气弹簧技
15、术要求利用前面提出相应的理论公式确定关键结构参数，它所确定的参数作为结构设计的初始条件，在后续设计中，这些参数可根据强度要求、预测力学性能进行适当调整。(2)轮廓设计获得基本结构参数后，采用橡胶气囊平衡轮廓理论，设计橡胶气囊平衡轮廓模型。为了验证初步设计结果是否合理，应用刚度和频率等理论进行性能检验，通过检验可以比较粗略地预测初步设计的空气弹簧性能。将预测性能与设计要求进行对比。(3)有限元分析建立空气弹簧三维模型，利用一定的商业 FEA 软件(如 ABAQUS、MARc 等)建立空气弹簧有限元模型，根据有限元理论和方法进行数值计算。根据各部件的应力场或应变场校核空气弹簧的静强度;根据有限元比
16、较准确地预估空气弹簧的承载力、垂向刚度等力学性能与其设计要求进行比较。(4)灵敏度分析及结构优化以橡胶气囊中帘线层的应变能密度作为橡胶气囊疲劳寿命的定性指标，建立空气弹簧有限元 DSA 模型，进行应变能密度灵敏度分析。根据参数对应变能密度的影响规律( 包括中周线半径、中周线帘线角影响规律、帘线密度影响规律和帘线层厚度影响规律等)建立橡胶气囊结构优化数学模型，选取优化算法，以易疲劳断裂处应变能密度最小为目标函数和车辆悬架对空气弹簧刚度要求作为约束条件进行结构优化。参数优化后，再次进入轮廓设计环节和有限元分析环节，直至空气弹簧各项性能满足设计要求。5.3.2 空气悬架电子控制软件设计1.软件系统功
17、能分析软件设计在系统开发过程中有着极其重要的作用，通过软件设计实现信号检测与处理、控制算法以及控制输出。ECAS 系统包含的主要功能有:车身高度信号、车速信号、储气罐压力信号、点火开关信号、车门开关信号和制动信号的采集与处理，与上位机(或者驾驶员手动操作面板)的串口通信程序，控制信号的输出等。(1)车辆行驶状态的检测实时检测车身高度变化，并通过离散求导间接获得车身高度变化速度及其加速度;实时检测脉冲输出车速;点火开关;储气罐压力;车门开关状态; 制动信息以及环境温度。(2)信息输出与操作采用串行通信方式接收输入指令或者输出系统各项检测数据、系统状态等。(3)指标高度控制ECU 内的指标高度:
18、标准车身高度位，行驶车身高度位 H，停车时车身高度下降位。各指标高度的控制方式包括手动和自动两种。手动控制方式下，驾驶员直接操作按钮后向ECU 发送动作指令。可选择的高度为:停车状态下可选择标准高度位和下降高度位，行驶状态下可选择标准高度位和行驶高度位工工。行驶状态自动控制方式下，ECU 自动根据车辆行驶速度选择指标高度，选择依据见工作模式选择策略。选定指标高度后，若车身实测高度与指标高度偏差超过了一定范围，ECU 即控制电磁阀进行充气或放气，将实际高度调整到指标高度。停车自动控制模式下，若车速低于 Ikm/h 以下，ECU 视为停车状态且车门打开，即降低车身至停车高度位置。(4)减振器阻尼控
19、制两档阻尼可调减振器包含软、硬两档阻尼，在车辆行驶状态下 ECU 可采用手动方式和自动方式进行控制。手动控制方式下，驾驶员通过操作面板向 ECU 发送期望控制，ECU 响应动作指令，选择期望的阻尼档位。自动控制方式下，根据车速的变化，ECU 自动选择阻尼档位并输出控制指令，自动实现阻尼档位的切换。(5)其它控制功能停车状态下，减振器始终为“硬”状态;点火开关关闭状态下所有控制操作失效;储气罐压力不足状态下所有控制操作也失效;制动踏板开关闭合时前悬处减振器“硬”状态，后悬处减振器“软”状态，制动踏板开关断开后恢复原始状态。(6)指标高度标定ECAS 系统装车出厂前经专用系统标定，通过串行通信设置
20、 ECU 内部各项数据，包括:三个指标高度位置，自动控制车速闭值，车身高度控制不灵敏区，自动控制状态切换延时等。2.系统软件结构空气悬架电子控制系统软件结构总流程如图 5 一 29 所示，程序初始化可以设置单片机的系统时钟、1/0 口的分配以及中断等。有以下几个子程序组成整个 ECAS 程序:开关信号输入检测子程序 Read 工 N。主要检测、处理并读入当前的状态信息(制动、点火、储气罐气压、车门状态);三点车身高度检测子程序 DetectHeight。由单片机输入下降沿捕捉中断检测到的车身高度数据，程序中需要对车身高度数据进行滤波和差分值计一算;车辆行驶速度检测子程序 DetectVeloC
21、ity。通过变速器输出轴的车速里程表传感器信息，采集脉冲并计算当前车速;系统状态生成子程序 makesyS 二 de。可选择系统的工作模式(手动或者自动、调试状态或运行状态)，根据操作开关、通信指令确定系统响应满足要求的控制方式;控制信号生成子程序 makeCtr1Command。根据系统工作模式、车速等信息确定指标高度、减振器目标阻尼档位，并响应控制指令;控制信号分解子程序 makeCtr1SC0mmand。根据指标高度、实时高度及高度变化率确定各悬架处空气弹簧组的充放气控制指令;控制执行子程序 Ctr10utput，向单片机的工/O 端口发出控制信号，通过驱动电路激励电磁阀工作;通信信息处
22、理子程序 SC 工 ProCeSS。与调试上位机通信，根据不同车辆参数，标定空气悬架的三个指标高度并检测的充放气响应性能、阻尼切换响应性能;写 Flash 存储器 WriteFlash 和读 Flash 存储器 ReadFlash 子程序。通过串口通信存储和读出下载的信息。空气悬架的指标高度和目标阻尼是在经过系统匹配、仿真及部分性能试验获得的，在程序中运用相对简单的查表法实现系统的控制。17谢东.汽车电控空气悬架控制系统研究 Dl.硕士学位论文，哈尔滨工业大学，2006，6:12 一 15l】汪卫东 .汽车空气悬架的发展及我国研发对策思考J.客车技术与研究， 2005(5):1 一 36lWABco 客车用电子控制悬架系统7陈小东，黄永勇.电子控制空气悬架系统在城市客车上的应用J. 客车技术与研究，2003(15):18 一 1917谢东.汽车电控空气悬架控制系统研究 Dl.硕士学位论文，哈尔滨工业大学，2006，6:12 一 15彭桂雪.客车用电子控制空气悬架系统研究Dl.硕士学位论文，江苏 2010,6 大学:19-21
