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【技術(shù)分享】空氣懸掛系統(tǒng)在重型商用車上的應(yīng)用

2018-12-18 23:46:31·  來源：李海波；王俊偉等 NGA集團  
　
摘要：分別對空氣懸掛系統(tǒng)的特點、結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用現(xiàn)狀等進行了闡述，并分析了空氣懸掛系統(tǒng)在重型商用車上的技術(shù)實現(xiàn)，為空氣懸掛系統(tǒng)在國內(nèi)重型商用車上的應(yīng)用推廣
摘要：分別對空氣懸掛系統(tǒng)的特點、結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用現(xiàn)狀等進行了闡述，并分析了空氣懸掛系統(tǒng)在重型商用車上的技術(shù)實現(xiàn)，為空氣懸掛系統(tǒng)在國內(nèi)重型商用車上的應(yīng)用推廣提供了理論基礎(chǔ)。 
 
關(guān)鍵詞：空氣懸掛系統(tǒng)；重型商用車；應(yīng)用；技術(shù) 
一、前言 
 
目前，空氣懸掛系統(tǒng)（原稱為空氣懸架系統(tǒng)）雖然已在歐美等國家和地區(qū)的公路型車輛上得到了普及，在國內(nèi)的客車上也得到了廣泛的應(yīng)用，但是基于成本等因素的原因，在國內(nèi)重型商用車領(lǐng)域內(nèi)并未得到推廣。然而，隨著相關(guān)法律法規(guī)的深入實施，高速公路及物流業(yè)的進一步發(fā)展，以及駕駛?cè)藛T對駕乘舒適性的要求，空氣懸掛系統(tǒng)在重型商用車（自卸車除外）的應(yīng)用必將成為國內(nèi)商用車的主要發(fā)展方向。本文將分別對空氣懸掛系統(tǒng)的特點、結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用現(xiàn)狀等進行闡述，并分析空氣懸掛系統(tǒng)技術(shù)如何在重型商用車上得以實現(xiàn)。 
二、空氣懸掛系統(tǒng)的特點
 
空氣懸掛系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)與功能的特點，其在重型商用車上的應(yīng)用相對于鋼板彈簧懸掛系統(tǒng)而言具有獨有的特點。 
2.1 主要優(yōu)點 
a. 平順性好：由于空氣懸掛系統(tǒng)的主要承載部件為空氣彈簧，系統(tǒng)的頻率較低，并且空氣彈簧的特性是隨著載荷的增加，系統(tǒng)的剛度逐漸增加。因此，空氣彈簧可實現(xiàn)整車懸掛系統(tǒng)在空、滿載情況下系統(tǒng)頻率基本上能保持恒定，從而實現(xiàn)整車良好的平順性和舒適性。此外，由于車輛的振動減小，在一定程度上有利于整車壽命的提高。 
b. 操控方便：目前空氣懸掛系統(tǒng)的控制系統(tǒng)多采用[3]ECAS（電子空氣懸掛控制系統(tǒng)），通過遙控器或操作面板可以方便地調(diào)節(jié)整車高度，從而實現(xiàn)車輛與物流平臺的無縫連接，極大地提高了貨物的運輸效率，并且對高速物流的甩掛運輸具有重要意義。 
c. 運輸效率高：空氣懸掛系統(tǒng)的承載介質(zhì)為空氣，相比于鋼板彈簧懸掛系統(tǒng)可以實現(xiàn)整車降重2%～4%，從而提高貨物運輸量。此外，根據(jù)GB1589《道路車輛外輪廓尺寸、軸荷及質(zhì)量質(zhì)量限值》的標準規(guī)定，裝配有空氣懸掛車輛的最大總質(zhì)量比普通鋼板彈簧車輛可提高1t，這對于提高車輛的運輸效率具有重要意義。 
d. 維護方便：空氣懸掛系統(tǒng)的導(dǎo)向機構(gòu)與承載機構(gòu)多采用免維護設(shè)計，消除了鋼板彈簧懸掛系統(tǒng)定期潤滑維護的弊端，降低了車輛的維護成本，提高了出車率；并且由于導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與承載機構(gòu)為分離設(shè)計，系統(tǒng)的維修方便性較鋼板彈簧懸掛系統(tǒng)也有更大提高。 
2.2 主要缺點 
a. 成本高：由于空氣懸掛系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得空氣懸掛系統(tǒng)較普通鋼板彈簧懸掛成本約高4000～8000元，導(dǎo)致整車成本有所增加，對普通用戶的購買具有一定的制約性。 
b. 時效性：空氣懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件為空氣彈簧總成，其主要材料為橡膠，由于橡膠材料隨著使用時間的推移，材料本身會發(fā)生老化、蠕變、龜裂等時效性問題，因此空氣懸掛系統(tǒng)相比鋼板彈簧懸掛的使用壽命會受到一定的限制，一般壽命為3～5年，則需要對空氣彈簧進行維護與更換。 
c. 超載性能：空氣彈簧為空氣懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵承載元件之一，由于受到裝配空間的限制，很難同鋼板彈簧懸掛一樣實現(xiàn)較大的超載余量設(shè)計，設(shè)計超載系數(shù)較?。豢諝鈶覓煜到y(tǒng)的承載由系統(tǒng)的空氣壓力所決定，在系統(tǒng)壓力的許可范圍內(nèi)可以實現(xiàn)整車的短時間超載需求，但是長時間的超載對空氣彈簧的壽命影響較大，因此，采用空氣懸掛系統(tǒng)的車輛不適合超載運營。 
三、空氣懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)
 
空氣懸掛系統(tǒng)主要由導(dǎo)向機構(gòu)、承載元件以及控制系統(tǒng)三個部分組成。 
3.1 導(dǎo)向機構(gòu)
導(dǎo)向機構(gòu)是空氣懸掛系統(tǒng)的支撐，它對空氣懸掛系統(tǒng)的運動學(xué)與動力學(xué)特性具有決定性作用。目前，重型商用車空氣懸掛系統(tǒng)的導(dǎo)向機構(gòu)采用的導(dǎo)向元件主要有導(dǎo)向臂和導(dǎo)向簧兩種結(jié)構(gòu)（如圖1、2）。導(dǎo)向臂多為推力桿結(jié)構(gòu)，如圖1（a、b）所示。其兩端采用橡膠球鉸連接結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性化連接。該類結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向元件技術(shù)已經(jīng)相當成熟?；诩苫陌l(fā)展，現(xiàn)在某些空氣懸掛系統(tǒng)采用集成型的導(dǎo)向臂結(jié)構(gòu)，如圖1（c）所示。該結(jié)構(gòu)由推力桿及穩(wěn)定桿集成而成，兼具導(dǎo)向推力桿及穩(wěn)定桿的作用，對于空氣懸掛系統(tǒng)的減重作出了重要貢獻。該結(jié)構(gòu)多由高強度彈簧鋼焊接而成，對材料的焊接工藝具有很高的要求。 
導(dǎo)向簧結(jié)構(gòu)應(yīng)用于復(fù)合式空氣懸掛系統(tǒng)中（如圖2），除具有導(dǎo)向功能外，還有一定的承載功能。導(dǎo)向簧一般分為直型與Z型兩種類型，如圖2所示。導(dǎo)向簧的前半段結(jié)構(gòu)與普通鋼板彈簧結(jié)構(gòu)相似，主要起到導(dǎo)向與承載的功能，后半段為懸臂梁結(jié)構(gòu)，用于空氣彈簧的裝配。
圖1 導(dǎo)向臂
圖2 導(dǎo)向簧
3.2 承載元件
承載元件是影響空氣懸掛系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件，它決定了空氣懸掛系統(tǒng)的承載能力、舒適性水平以及運動行程，主要包括空氣彈簧、承載梁，以及減振器等。 
空氣彈簧是空氣懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵件，它決定了空氣懸掛系統(tǒng)剛度特性與承載性能，空氣彈簧的可靠性決定著空氣懸掛系統(tǒng)的可靠性?？諝鈴椈傻慕Y(jié)構(gòu)主要有兩種：膜式、囊式，如圖3（a、b）所示。由于膜式空氣彈簧具有良好的剛度特性，所以在商用車空氣懸掛系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。目前，國內(nèi)商用車空氣懸掛系統(tǒng)的空氣彈簧設(shè)計多采用選型設(shè)計，即依據(jù)空氣懸掛系統(tǒng)的承載能力、運動行程以及裝配空間等要素，通過空氣彈簧供應(yīng)商（如康迪泰克，凡士通等）現(xiàn)有產(chǎn)品進行選型設(shè)計。因此，目前空氣彈簧總成多為外資品牌，國內(nèi)幾家空氣彈 簧生產(chǎn)廠家也多為現(xiàn)有型號的仿制產(chǎn)品，設(shè)計開發(fā)能力欠缺。 
承載梁是空氣彈簧總成裝配與承載的部件，如圖3（c）所示。主要應(yīng)用于全氣囊空氣懸掛系統(tǒng)，多為鑄造結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)空氣彈簧與驅(qū)動橋的連接。 
空氣懸掛系統(tǒng)所配套的減振器具有行程限位功能，在某些極端情況下承擔(dān)空氣懸掛系統(tǒng)的簧下質(zhì)量，以保證空氣彈簧處于合理的行程范圍之內(nèi)。此外，減振器也是空氣懸掛系統(tǒng)的重要減振元件，對于提高空氣懸掛系統(tǒng)的舒適性具有重要作用。
圖3 承載元件
3.3 控制系統(tǒng)
空氣懸掛系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要分為機械式、電控式（ECAS）兩種類型。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，CAN總線的普遍應(yīng)用，目前機械式控制方式已基本上被電控式所取代。 ECAS控制系統(tǒng)如圖4所示，一般由ECU、高度傳感器、壓力傳感器、電磁閥、遙控器等組成。ECU通過對路況、車速、車身 姿態(tài)、壓力等信息的輸入并經(jīng)計算，再通過控制電磁閥的充放氣達到對空氣懸掛系統(tǒng)的控制，從而保證車輛的舒適性與操縱穩(wěn)定性。遙控器可以方便地控制車身高度，實現(xiàn)車身高度與物流平臺的無縫連接。此外，ECAS控制系統(tǒng)還可以方便地實現(xiàn)提升懸掛系統(tǒng)的控制，以達到提升橋的提升、載荷的控制，保證車輛的驅(qū)動性能。 
圖4 ECAS控制系統(tǒng) 
ECAS控制系統(tǒng)根據(jù)整車懸掛的機構(gòu)予以匹配設(shè)計：一般整車前后懸掛均為空氣懸掛時，ECAS系統(tǒng)采用三點控制，即前懸掛采用1個高度傳感器控制，后懸掛采用2個高度傳感器控制；如果整車僅只是后懸掛采用空氣懸掛時，可采用兩點控制或一點控制。一點控制布置相對簡單，成本低，并且調(diào)校方便，但相較于兩點控制，其道路的適應(yīng)性較差，對于車輛側(cè)傾等無法進行有效控制。 
目前ECAS控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟，對于重型商用車空氣懸掛系統(tǒng)的匹配應(yīng)用而言，難點主要集中于系統(tǒng)的標定、關(guān)鍵參數(shù)的確定上，尚需主機廠進行大量的試驗與驗證。
四、空氣懸掛系統(tǒng)的應(yīng)用
 
由于重型商用車前后懸掛載荷巨大的差異性（特別是牽引車，前懸掛系統(tǒng)載荷較?。ㄟ^采用剛度較小的少片簧即可以取得優(yōu)異的舒適性效果，因此空氣懸掛系統(tǒng)在重型商用車中多應(yīng)用于后懸掛系統(tǒng)。基于國外空氣懸掛系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，目前應(yīng)用于重型商用車上的空氣懸掛結(jié)構(gòu)主要全氣囊式空氣懸掛和復(fù)合式空氣兩種懸掛結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 空氣懸掛結(jié)構(gòu)
全氣囊式空氣懸掛結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，通過4個空氣彈簧平均承擔(dān)后橋的豎直載荷。因此，空氣彈簧的剛度就是懸掛系統(tǒng)的剛度；系統(tǒng)剛度較低，則可實現(xiàn)整車較好的舒適性。全氣囊式空氣懸掛采用四連桿機構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的導(dǎo)向功能，一般上桿采用V型推力桿結(jié)構(gòu)，下杠采用I型推力桿結(jié)構(gòu)，同時為提高系統(tǒng)的抗側(cè)傾性能，還會裝配有橫向穩(wěn)定桿。四連桿導(dǎo)向機構(gòu)可實現(xiàn)空氣懸掛系統(tǒng)的水平跳動，對后橋定位參數(shù)的變化、軸距的變化影響均較小，因此全空氣懸掛系統(tǒng)性能較為優(yōu)異。然而，由于全氣囊式空氣懸掛系統(tǒng)導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計相當復(fù)雜，并且桿系間采用襯套柔性連接，所以系統(tǒng)的整備質(zhì)量及成本較高， 并且維修方便性相對較差，目前僅為奔馳等歐系重型商用車空氣懸掛系統(tǒng)的首選配置。 
全氣囊式空氣懸掛系統(tǒng)由于自重大、成本高，國內(nèi)某些主機廠在高端重卡有作為選裝配置，但基于成本及承載性能以及用戶認可度等因素，目前該配置的重型商用車在國內(nèi)的銷量較小。 
復(fù)合式空氣懸掛為采用導(dǎo)向簧進行導(dǎo)向并承擔(dān)部分載荷的空氣懸掛結(jié)構(gòu)，如圖5（b）所示。該結(jié)構(gòu)的空氣懸掛系統(tǒng)采用兩個空氣彈簧實現(xiàn)系統(tǒng)的大部分承載，由于空氣彈簧總成與導(dǎo) [4]向簧采用并聯(lián)的關(guān)系，空氣懸掛系統(tǒng)的剛度K可表達為 ： 
式中，導(dǎo)向簧的杠桿比LAR=B/A，即氣囊、鋼板到車橋中心線的距離；Kа為空氣彈簧的剛度；KA為導(dǎo)向簧前半段剛度。 
當KA >>Kа時，空氣懸掛系統(tǒng)剛度Ks可整理簡化為： 
        
由式（2）可以看出，對于復(fù)合式空氣懸掛系統(tǒng)受到導(dǎo)向簧剛度以及導(dǎo)向簧杠桿比的影響，其系統(tǒng)剛度相對較大，對整車舒適性的貢獻比全氣囊式空氣懸掛小，并且由于系統(tǒng)采用導(dǎo)向簧進行導(dǎo)向，懸掛跳動非平動形式，因此對傳動系角度及輪距等均有不同程度的影響。然而，由于復(fù)合式空氣懸掛結(jié)構(gòu)簡單，自重相對較輕，且成本低、維修方便，筆者認為該結(jié)構(gòu)的空氣懸掛更適合目前中國的重型商用車。
復(fù)合式空懸掛系統(tǒng)既滿足了重型商用車空氣懸掛的配置要求和提高了整車的舒適性，又迎合了當前用戶的使用需求（較低的購車成本和較高的運輸效率），特別在高速物流行業(yè)，該空氣懸掛結(jié)構(gòu)更適合國內(nèi)的客戶需要。 
此外，為實現(xiàn)重型商用車的減重與降耗，配有提升機構(gòu)的空氣懸掛系統(tǒng)也已成為未來重型商用車懸掛系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。如圖6為幾種主要的提升空氣懸掛結(jié)構(gòu)，通過中置或側(cè)置的提升空氣彈簧實現(xiàn)系統(tǒng)的提升，一般中置式的提升懸掛系統(tǒng)應(yīng)用于驅(qū)動橋之后，而側(cè)置式的提升空氣懸掛系統(tǒng)用于驅(qū)動橋之前。提升空氣懸掛系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵在于提升過程中能對導(dǎo)向機構(gòu)的運動進行校核，以降低運動干涉，減小系統(tǒng)的內(nèi)摩擦， 從而保證提升空氣彈簧的提升。
圖6 提升空氣懸掛結(jié)構(gòu)
五、綜述
 
綜上所述，目前國內(nèi)空氣懸掛系統(tǒng)在重型商用車上的應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟，但是基于整車成本及承載性能等因素的影響，國內(nèi)用戶對采用空氣懸掛系統(tǒng)的重型商用車仍抱有觀望態(tài)度。隨著重型商用車技術(shù)的快速發(fā)展，基于整車減重、可靠性提高等效益的進一步體現(xiàn)，以及物流行業(yè)對運輸效率要求的進一步提高，空氣懸掛系統(tǒng)在國內(nèi)重型商用車上的應(yīng)用將成為必然。

 
本文來自期刊《專用汽車》
作者：李海波；王俊偉；趙剛 
整理編輯：Zoe
 
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