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基于空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”的智能空氣懸架系統(tǒng)
2022-02-11 17:26:19· 來源：焉知智能底盤
作者 | 張曉剛根據(jù)目前空氣懸架高度閥應(yīng)用實(shí)際情況，簡要分析了諸如常規(guī)高度閥、快速排氣高度閥以及多級高度調(diào)節(jié) 閥等各種不同類型高度閥和 ECAS 空氣懸架系統(tǒng)各
作者 | 張曉剛
根據(jù)目前空氣懸架高度閥應(yīng)用實(shí)際情況，簡要分析了諸如常規(guī)高度閥、快速排氣高度閥以及多級高度調(diào)節(jié) 閥等各種不同類型高度閥和 ECAS 空氣懸架系統(tǒng)各自的應(yīng)用技術(shù)狀態(tài)和特點(diǎn)?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，率先提出了空 氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”（UAM），該模型對目前所有商用車空氣懸架系統(tǒng)中包括高度閥在內(nèi)的閥類零部件 的應(yīng)用狀態(tài)進(jìn)行了高度概括和統(tǒng)一。并以此模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)長度的高度閥連桿，與最普通的高 度閥配合使用，在保留高度閥實(shí)時(shí)進(jìn)、排氣的優(yōu)勢下實(shí)現(xiàn)對氣囊高度無級、多樣化調(diào)節(jié)，再結(jié)合氣囊壓力監(jiān)測裝置 和中央處理單元，最終實(shí)現(xiàn)空氣懸架系統(tǒng)的智能控制。
關(guān)鍵詞：空氣懸架；高度閥；UAM 模型；統(tǒng)一應(yīng)用模型
商用車空氣懸架自誕生以來，除了ECAS系統(tǒng)之外，其它應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理和主體結(jié)構(gòu)至今并無根本性變化，主要包括高度閥，高度閥縱向連桿以及氣囊減震器等 元件。有一些全球化閥類制造廠為實(shí)現(xiàn)車身高度自動(dòng)升降或側(cè)跪，在普通高度閥基礎(chǔ)上陸續(xù)設(shè)計(jì)出了可以實(shí)現(xiàn)氣囊高度多級變化的多高度閥，這些閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大、 成本也相對普通高度閥增加了三四倍。這些閥與ECAS系統(tǒng)一起，基本上涵蓋了目前全球所有商用車空氣懸架應(yīng)用形態(tài)。
縱觀上述所有的空氣懸架應(yīng)用形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)特點(diǎn)， 這些閥類產(chǎn)品有著千差萬別的設(shè)計(jì)狀態(tài)，但是，連接高度閥（或 ECAS 傳感器）與車身（或底盤）的縱向連桿長度都是固定的。雖然它是設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的，但是在實(shí)際應(yīng)用中，只是偶爾手動(dòng)調(diào)節(jié)一下，然后重新鎖緊，其目的是為了補(bǔ)償車輛裝配誤差造成的多個(gè)氣囊之間的高度差異，在空氣懸架正常工作過程中，該連桿長度保持固定不變[1]。
一、目前商用車空氣懸架應(yīng)用中的問題
1.1 多氣囊高度調(diào)節(jié)閥
商用車駕駛室和底盤空氣懸架中，最普通的高度閥僅能維持一個(gè)氣囊高度，即正常情況下，車身相對底盤的高度始終不變[2]。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)車輛通過限高桿時(shí)需要適當(dāng)降低車身，或者通過壞路（或減速帶）時(shí)需要適當(dāng)抬高車身，或者客車需要進(jìn)行側(cè)跪（前跪）時(shí)需要降低部分氣囊高度[3]， 如圖 1 所示。此時(shí)，需要對全部或部分氣囊高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，但普通高度閥無法做到這一點(diǎn)。因此，全球很多閥類廠家根據(jù)各種實(shí)際需求，開發(fā)了多種多樣的多氣囊高度調(diào)節(jié)閥。
這些產(chǎn)品的應(yīng)用解決了氣囊高度多樣化的問題。但是，眾所周知，這些產(chǎn)品相對普通高度閥的尺寸、重量和成本等方面均大幅增加。另外，為實(shí)現(xiàn)氣囊高度調(diào)節(jié)功能，它們還需要布置相應(yīng)的控制電路、氣路等復(fù)雜的外圍零部件和系統(tǒng)。這兩方面的問題，將對各大車輛生產(chǎn)廠的整車總布置、輕量化設(shè)計(jì)以及成本控制等方面形成巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，也會(huì)造成行業(yè)發(fā)展的瓶頸，不利于空氣懸架在商用車領(lǐng)域的全面推廣。
1.2 ECAS 系統(tǒng)
ECAS系統(tǒng)涵蓋車輛氣囊高度信息采集、信息處理、信號(hào)輸出以及閥塊進(jìn)、排氣等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對車輛空氣懸架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。但是，其成本高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、標(biāo)定繁瑣，售后維修需要專業(yè)人員完成，這對車輛生產(chǎn)廠的空氣懸架推廣應(yīng)用同樣具有負(fù)面作用。
另外，相對普通高度閥，ECAS無法對氣囊的高度變化提供實(shí)時(shí)快速的響應(yīng)。大量道路對比試驗(yàn)已經(jīng)證明，高度閥快速的響應(yīng)對駕乘舒適性存在有利的影響[4]。
二、空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型
2.1 傳統(tǒng)空氣懸架多氣囊高度或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
典型的商用車空氣懸掛應(yīng)用系統(tǒng)如圖 2 所示。對于普通高度閥，氣囊高度始終維持在一個(gè)值不變。
如果要改變氣囊高度，則需要將普通高度閥更換為多氣囊高度閥或系統(tǒng)，同時(shí)增加復(fù)雜的控制電路、氣路等外圍零部件和系統(tǒng)。目前的商用車空氣懸掛應(yīng)用場景中，多氣囊高度閥或系統(tǒng)通常能實(shí)現(xiàn)下列單一或組合功能：
（1）鎖閉氣囊（防止氣囊無壓力時(shí)承載造成氣囊損壞）；
（2）比正常行駛高度高一些的第二行駛高度（便于通過壞路、減速帶等障礙物）；
（3）正常行駛高度（普通高度閥保持的高度）；
（4）比正常行駛高度低一些的第二行駛高度（便于通過限高或獲得更優(yōu)空氣動(dòng)力學(xué)性能）；
（5）排空氣囊（最低位置）；
（6）提升橋（多個(gè)氣囊和閥組合實(shí)現(xiàn)）；
（7）側(cè)跪（多個(gè)氣囊和閥組合實(shí)現(xiàn)）；
（8）前跪（多個(gè)氣囊和閥組合實(shí)現(xiàn)）；
（9）整體升降（多個(gè)氣囊和閥組合實(shí)現(xiàn)）；
（10）氣囊高度無極調(diào)節(jié)。
以上多種多樣的功能，在現(xiàn)有的空氣懸架應(yīng)用策略下，顯然無法用某個(gè)單一的系統(tǒng)將它們?nèi)扛爬ńy(tǒng)一起來。但是，在適當(dāng)改變現(xiàn)有應(yīng)用的模式的某些固有技術(shù)特征之后，這種概括統(tǒng)一則變成了一種可能。
2.2 空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型
如前文所述，目前商用車空氣懸架應(yīng)用中，連接高度閥（或 ECAS 傳感器）與車身（或底盤）的縱向連桿長度都是固定的。但是，當(dāng)把這個(gè)縱向連桿長度看成可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的時(shí)候，將它與一只最普通的高度閥組合成一個(gè)簡單的應(yīng)用模型——空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型（UAM 模型）?？梢园l(fā)現(xiàn)，這個(gè)模型能很容易地描述前文所述的所有高度閥（含 ECAS）的應(yīng)用形態(tài)，即，該模型可將上述所有應(yīng)用形態(tài)概括統(tǒng)一起來。
圖 3 是空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型的各種應(yīng)用形態(tài)與其它閥或系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系。此圖只展示了單獨(dú)一只高度閥的情形，對于需要多個(gè)氣囊和高度閥組合實(shí)現(xiàn)的功能，將該模型簡單疊加組合即可。
上述模型中，連桿長度在 C 位置時(shí)，高度閥維持氣囊的正常高度。連桿長度在 A 位置（稍高于氣囊拉伸極限位置）時(shí)最長，將使高度閥擺臂始終處于進(jìn)氣位置，氣囊無法通過高度閥排氣從而保持內(nèi)壓，此長度需要根據(jù)車橋和車身具體限位確定合適的值。當(dāng)連桿長度位于 A 和 C 之間時(shí)，氣囊（車 身）將會(huì)高于正常高度，當(dāng)連桿長度位于 C 和 E 之間時(shí)，氣囊（車身）將會(huì)低于正常高度，這兩個(gè)第二高度具體取值， 同樣要根據(jù)車身和車橋具體設(shè)計(jì)來確定。連桿長度在 E 位置 （稍低于氣囊壓縮極限位置）時(shí)最短，此時(shí)氣囊排空。
特別注意，在確定 A 和 E 兩個(gè)位置的連桿長度時(shí)，要仔細(xì)研究各個(gè)限位的幾何尺寸并考慮高度閥的死區(qū)范圍，為確保可靠地保持氣囊壓力或者可靠地排空氣囊，應(yīng)該在臨界位置附近合理取值。
如果將該縱向連桿設(shè)計(jì)成連續(xù)可調(diào)節(jié)的，對于專業(yè)人員，可以設(shè)置合理調(diào)節(jié)步長，方便快速調(diào)整；對于一般駕駛員等非專業(yè)人員，則可在人機(jī)接口處，合理設(shè)置“一鍵到位”的按鍵，便于快速操作。
三、基于空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”的智能 空氣懸架系統(tǒng)
3.1 基本原理和結(jié)構(gòu)
如前文所述，上述空氣懸架“高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型”可以便捷地描述目前所有高度閥（含 ECAS）的應(yīng)用形態(tài)，而且其在產(chǎn)品尺寸、重量、成本、簡潔度等方面具有無可比擬的優(yōu)勢，因此，以此模型為基礎(chǔ)建立一個(gè)商用車智能空氣懸架系統(tǒng)具有較大可行性。
圖 4 是不帶壓力監(jiān)測的基礎(chǔ)型應(yīng)用原理圖，操作者通過人機(jī)接口的控制器，在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié)部分或者所有氣囊高度，快速實(shí)現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié)。
圖5 是帶氣囊壓力監(jiān)測并采集車速等信息的擴(kuò)展型應(yīng)用原理圖，操作者通過人機(jī)接口的控制器，在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié)部分或者所有氣囊高度，快速實(shí)現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié)，但這些操作受限于氣囊壓力、車速等信息的限制，能更加確保調(diào)節(jié)過程不影響車輛安全性。同時(shí)，對車輛自身在焊接、裝配過程中造成的累積誤差具有更好的兼容性。另外，在氣囊高度變化時(shí)，提供聲光報(bào)警等提示信息。
3.2 關(guān)于人機(jī)接口的控制器功能
人機(jī)接口的控制器，應(yīng)該能提供便利的操作，以便快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)氣囊高度，同時(shí)也要防止操作者將氣囊高度調(diào)節(jié)到極限狀態(tài)（例如氣囊高度過高，各個(gè)氣囊高度偏差過大造成車身傾斜或扭曲）造成行車安全隱患。對于各個(gè)氣囊，既要能單獨(dú)調(diào)節(jié)，也要能組合部分或全部氣囊統(tǒng)一調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)側(cè)跪、前跪、整體升降、提升橋等功能。
四、結(jié)論
商用車空氣懸架應(yīng)用是大勢所趨，目前使用空氣懸架高度閥或系統(tǒng)應(yīng)用中，縱向連桿均是固定長度，這就造成了各種不同樣式的空氣懸架高度閥或系統(tǒng)。本文率先將縱向連桿 變成可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的形式，創(chuàng)立了一種簡單模型——空氣懸架高度閥統(tǒng)一應(yīng)用模型（UAM 模型），將目前所有空氣懸架高度閥或系統(tǒng)概括統(tǒng)一起來，并基于此模型，提出智能空氣懸架系統(tǒng)的構(gòu)想，以期推動(dòng)整個(gè)空氣懸架行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和更 廣泛的應(yīng)用。
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