內(nèi)容摘要：回顧了汽車空氣懸架發(fā)展的歷史，對汽車空氣懸架核心零部件和系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，包括空氣彈簧、液壓減振器或集成式液壓減振支柱、常規(guī)空氣懸架、電子控制空氣懸架(ECAS)、駕駛室和座椅空氣懸架。分析了中國汽車空氣懸架從關(guān)鍵零部件到系統(tǒng)研發(fā)過程中，尚存在的主要問題和技術(shù)難點(diǎn)，并對后續(xù)產(chǎn)品的發(fā)展方向、技術(shù)研發(fā)提出了建議：提高空氣彈簧的服役疲勞特性，加大帶附加氣室、內(nèi)置高度控制閥等復(fù)雜產(chǎn)品的研制和應(yīng)用力度；加大電控液壓減振器/ 減振支柱的研制力度，盡早形成自主產(chǎn)品目錄和標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)進(jìn)入批量生產(chǎn)與應(yīng)用；堅(jiān)持空氣懸架系統(tǒng)的自主研制，積累研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新，有效降低時(shí)間價(jià)格成本；ECAS 技術(shù)除了要加強(qiáng)關(guān)鍵零部件的研制、車輛動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)性能的提升之外，還要形成針對不同車型的快速設(shè)計(jì)和匹配能力，加強(qiáng)零部件與系統(tǒng)故障模式、診斷經(jīng)驗(yàn)的積累，增強(qiáng)ECAS 在各種復(fù)雜服役條件下的可靠性與安全性。

關(guān)鍵詞：汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；汽車零部件；空氣懸架；空氣彈簧；液壓減振器；集成式減振支柱；電子控制空氣懸架系統(tǒng)(ECAS)

    現(xiàn)代汽車越來越重視乘員的乘坐舒適性，而研究懸架系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)對保證車輛具有良好的乘坐舒適性具有重要意義。汽車懸架按照其彈性元件的材質(zhì)和特性可分為鋼彈簧懸架和以橡膠材料為主的空氣懸架。鋼彈簧( 螺旋彈簧、扭桿彈簧和疊板彈簧) 懸架的剛度特性是固定的，因此當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，汽車簧載質(zhì)量的偏頻相對于其設(shè)計(jì)點(diǎn)的頻率也是變化的，引起汽車的乘坐舒適性變差；另外鋼彈簧懸架的質(zhì)量大、偏硬，引起的車輪動(dòng)載較大，因此，車輛特別是重型車輛對道路的損傷作用較大。

     空氣懸架的彈性特性具有非線性、自適應(yīng)的特點(diǎn)，可使汽車簧載質(zhì)量的偏頻在負(fù)載變化的情況下保持相對穩(wěn)定，與傳統(tǒng)懸架相比，具有質(zhì)量輕、內(nèi)摩擦小、隔振消聲特性好的優(yōu)勢，使具有空氣懸架的汽車在運(yùn)行中能獲得良好的平順性和道路友好性( 小的車輪動(dòng)載)。隨著電子控制空氣懸架(electronically controlled air suspension, ECAS) 技術(shù)的發(fā)展，空氣懸架的功能、技術(shù)指標(biāo)、可靠性日趨完善，使得車輛水平控制、剛度和阻尼的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、底盤升降控制等性能得到改善，從而大大提高了汽車的綜合動(dòng)力學(xué)性能、使用性能。此外，目前空氣懸架也越來越好地應(yīng)用于商用汽車的駕駛室和座椅減振，并且有的懸掛系統(tǒng)的剛度和阻尼可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高了商用汽車的舒適性、減輕了駕駛員的駕駛疲勞。

    本文在簡要回顧國內(nèi)外汽車空氣懸架發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，對汽車空氣懸架零部件和系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了梳理，對國內(nèi)外在空氣彈簧、液壓減振器或集成式液壓減振支柱、常規(guī)空氣懸架、電子控制空氣懸架、駕駛室和座椅減振方面的先進(jìn)技術(shù)和研究進(jìn)展進(jìn)行了重點(diǎn)綜述，最后總結(jié)了汽車空氣懸架從關(guān)鍵零部件研發(fā)到系統(tǒng)集成過程中存在的主要問題和技術(shù)難點(diǎn)，為后續(xù)產(chǎn)品發(fā)展方向、產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)提出了建議。

一、空氣懸架發(fā)展簡史

1.1 國外汽車空氣懸架的發(fā)展簡史

    19 世紀(jì)中頁，人們就夢想能讓當(dāng)時(shí)的車輛浮在“空氣墊”之上，因?yàn)檫@樣的車輛肯定會很舒適。1844 年，Charles Goodyear 公開了橡膠硫化技術(shù)專利；1847 年，發(fā)明家John Lewis 被授權(quán)第1 個(gè)美國空氣彈簧專利[1]，該空氣彈簧主要用在鐵道車輛、機(jī)車、運(yùn)貨車和保險(xiǎn)杠上。在隨后的50 多年間，包括馬車型汽車彈簧[2]、自行車坐墊[3] 在內(nèi)的很多空氣彈簧專利被相繼授權(quán)，但第1 個(gè)具有現(xiàn)代運(yùn)輸意義的汽車空氣彈簧專利[4]，應(yīng)該是1901 年Warren Annable 發(fā)明的。

    20 世紀(jì)初，汽車開始奔跑在美國和歐洲的公路上，第1 個(gè)裝有空氣懸架的汽車是美國1914 年的Owen Magnetic[5] 轎車，在隨后汽車快速發(fā)展的幾十年間，美國FIRESTONE 公司和通用汽車公司成為了汽車空氣懸架研發(fā)的先驅(qū)。1950—1960 年，進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用的空氣懸架已經(jīng)批量應(yīng)用于美國的城市公交車和大巴上面，與此同時(shí)，英國、意大利、法國、德國及日本等國家也對汽車空氣懸架進(jìn)行了大量的產(chǎn)品研發(fā)工作。另外在此期間，帶有機(jī)械式高度控制閥的主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)概念以及原型車出現(xiàn)，在1958 年1 月美國汽車工程師學(xué)會(Society of Automotive Engineers，SAE) 年會上，有多篇技術(shù)論文介紹了包含氣源、空氣彈簧、機(jī)械式高度控制閥在內(nèi)的主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)[6-7]。在這類系統(tǒng)中，由機(jī)械式高度控制閥控制空氣彈簧的進(jìn)、排氣，使車身高度在負(fù)載和運(yùn)行狀態(tài)變化情況下保持不變，車身高度是唯一控制參數(shù)。

    1960—1980 年是汽車空氣懸架大發(fā)展、大繁榮的時(shí)期。空氣彈簧、氣動(dòng)元件從形式上較早期發(fā)生了較大的變化，性能、可靠性也得到了很大的提升，包含機(jī)械控制式主動(dòng)懸架在內(nèi)的傳統(tǒng)空氣懸架技術(shù)趨于成熟。一大批世界著名的空氣懸架企業(yè)如FIRESTONE、WABCO、GOODYEAR、NEWAY、HENDRICKSON、CONTINENTAL、SAF 等已經(jīng)形成了品種齊、技術(shù)領(lǐng)先的產(chǎn)品體系和雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)。

   1984 年，ConTINENTAL 公司為林肯轎車研發(fā)成功了電控空氣懸架原型系統(tǒng)[8], 其構(gòu)成如圖1 所示。該系統(tǒng)除了包含帶有再生干燥器的空氣壓縮機(jī)、帶有電磁閥的空氣彈簧( 后懸架) 或空氣彈簧液壓減振支柱( 前懸架) 之外，還包含前后車高傳感器、車門開啟傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火傳感器、制動(dòng)傳感器、控制單元(electronic control unit, ECU) 在內(nèi)的測控模塊， 汽車后部還具有故障診斷接口和系統(tǒng)關(guān)閉開關(guān)。1986 年LEXUSLS400GT 車型和1989 年Range Rover 等車型也先后推出了各自的ECAS 系統(tǒng)。此時(shí)的ECAS 系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)的車輛水平控制之外，還具有空氣彈簧剛度調(diào)節(jié)、液壓減振器阻尼的有級調(diào)節(jié)和底盤高度的升降控制等功能。圖1所示原型系統(tǒng)定義了現(xiàn)代EACS 的主體框架。

圖1 1984 年林肯轎車電控空氣懸架原型系統(tǒng)

     現(xiàn)代控制和元器件技術(shù)極大促進(jìn)了ECAS 的發(fā)展，到2000 年前后，ECAS 研發(fā)基本成型。此時(shí)除了各種小型高檔轎車如Mercedes Benz、Audi Quattro、BMW普遍配備了性能優(yōu)異的ECAS 之外，各種大、中型商用車輛上的機(jī)械控制式主動(dòng)懸架也開始被性能更加優(yōu)良的ECAS 系統(tǒng)所取代，并且部分商用車輛的駕駛室和座椅也開始使用空氣懸架減振。

     從2000 年到現(xiàn)在的近20 年間，ECAS 技術(shù)仍處于不斷完善的階段。ECAS 元器件集成度、可靠性越來越高，控制功能繼續(xù)增多、性能繼續(xù)提高[9-10]，譬如空氣彈簧剛度、液壓減振器阻尼的無級[11] 匹配控制，通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network, CAN) 總線與其他系統(tǒng)的信息交互和協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)響應(yīng)更快、更節(jié)能等。在ECAS 技術(shù)發(fā)展歷程中，CONTINENTAL公司和WABCO 公司走在行業(yè)的前列，積累了近30 年的研發(fā)和工程匹配經(jīng)驗(yàn)。

    空氣懸架從進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用、發(fā)展到基本成熟，走過了六七十年的歷史，目前在歐洲、北美和亞洲發(fā)達(dá)國家，高速客車、豪華大巴上空氣懸架已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，中、重型卡車和掛車上空氣懸架的使用率也非常高，小型高級轎車和運(yùn)動(dòng)型多用途車(sport utility vehicle,SUV) 上一般都可供選配性能優(yōu)異的ECAS 系統(tǒng)。

1.2 中國大陸汽車空氣懸架發(fā)展歷程

   中國大陸汽車空氣懸架的發(fā)展歷程宏觀上可分為以下3 個(gè)階段。

    1） 早期探索階段：20 世紀(jì)50 年代，隨著國外汽車空氣懸架進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，中國大陸也啟動(dòng)了汽車空氣懸架的研究。1957 年，長春汽車研究所( 現(xiàn)中國第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心) 和北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院合作研制了中國第1 輛裝有空氣彈簧的載重汽車[12]，隨后又相繼研制了公共汽車、無軌電車和鐵道車輛使用的空氣懸架；1958 年，長春汽車研究所和北京交通運(yùn)輸局合作研制了中國第1 只高度控制閥，1959 年又研制了高級轎車使用的高度控制閥。這段時(shí)期，中國共研制出了10 余種空氣彈簧和3 種機(jī)械式高度控制閥，但由于當(dāng)時(shí)整體民族工業(yè)水平的限制，所研制的樣機(jī)在密封性、穩(wěn)定性和可靠性方面存在不少問題，加上當(dāng)時(shí)各種社會原因，這些產(chǎn)品后續(xù)都沒有得到完善和推廣應(yīng)用。

     進(jìn)入80 年代以后，中國大陸宏觀經(jīng)濟(jì)、各行各業(yè)開始向好，長春汽車研究所再次啟動(dòng)了空氣懸架研發(fā)。在1980—1987 年，該研究所先后為武漢客車廠、沈陽電車公司、沈陽飛機(jī)制造公司汽車廠研制了多種客車或電車的空氣懸架。這個(gè)時(shí)期國產(chǎn)空氣懸架存在的主要問題是橡膠氣囊的疲勞壽命偏低、高度控制閥漏氣和動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。

    2） 引進(jìn)消化吸收階段：1990—2000 年，中國大陸高速公路網(wǎng)從開始建設(shè)到迅速發(fā)展，很多運(yùn)輸公司從國外進(jìn)口了帶有空氣懸架的豪華客車投入運(yùn)營，如尼奧普蘭、歐洲之星、沃爾沃系列和福特系列豪華大巴車型。為了提高在運(yùn)輸市場上的占有份額，中國大陸客車廠開始直接從國外購置空氣懸架或空氣懸架底盤進(jìn)行裝車，如北方車輛制造廠、沈陽飛機(jī)制造公司汽車廠、宇通客車、廈門金龍、亞星客車等廠家。

    與此同時(shí)，為了滿足空氣懸架維修配件市場的需求，中國大陸一些零部件企業(yè)也開始研制和生產(chǎn)空氣彈簧等配件，如四方車輛研究所、貴州前進(jìn)橡膠有限公司、交通部重慶公路科研所、株洲時(shí)代新材等公司。同時(shí)一些外資企業(yè)也開始在中國生產(chǎn)和銷售空氣懸架配件，如NEWWAY、SAF、ConTINENTAL 等公司。

    在此期間，中國大陸制造企業(yè)對進(jìn)口汽車空氣懸架技術(shù)，從零部件到系統(tǒng)，都有了一定程度的學(xué)習(xí)、消化和探索。

     3） 創(chuàng)業(yè)發(fā)展階段：到2000 年左右，中國大陸隨著社會的大發(fā)展，汽車及零部件市場需求急劇擴(kuò)大，中國重汽集團(tuán)、東風(fēng)汽車懸架彈簧有限公司、上?？坡囕v部件系統(tǒng)有限公司等廠家，在前期消化吸收的基礎(chǔ)上開始匹配、研制空氣懸架，并且不斷有新的廠家加入研制行列。到2010 年，中國大陸已經(jīng)研制了近100多個(gè)品種的傳統(tǒng)空氣懸架產(chǎn)品投入應(yīng)用[13]，擁有了包括重汽HOWO-A7、東風(fēng)EQ6850KR、一汽解放J6、蘇州金龍KLQ6128Q 等車型在內(nèi)的大批空氣懸架汽車，并遠(yuǎn)銷東南亞、中東、澳大利亞等國外市場。

    到目前為止，中國大陸汽車空氣懸架產(chǎn)業(yè)總體處于歐美20 世紀(jì)90 年代初的水平，主體就是傳統(tǒng)空氣懸架，具有了從零部件到系統(tǒng)的集成配套能力。但從產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用效果上看，國產(chǎn)空氣懸架性能尤其是穩(wěn)定性、疲勞耐久性不及進(jìn)口空氣懸架，關(guān)鍵零部件與國外相比尚存在一定差距，這種差距也是當(dāng)前不少企業(yè)采取從國外進(jìn)口空氣彈簧、電磁閥、傳感器等關(guān)鍵零部件，自己以研制結(jié)構(gòu)件、進(jìn)行系統(tǒng)集成為主的主要原因。從應(yīng)用層面來看，中國大陸客車空氣懸架裝車率還在穩(wěn)步提升，但中、重型卡車空氣懸架裝車率，由于不適合于超載運(yùn)輸?shù)仁袌鲈蚨恢逼汀?/p>

    近些年隨著大量配置ECAS 的國外車輛進(jìn)入中國，以及國外公司如WABCO 公司開始將ECAS 引入中國生產(chǎn)，帶動(dòng)了中國大陸EACS 技術(shù)的研究開發(fā)。目前，已經(jīng)有一些公司在為主機(jī)廠（如長城汽車、廣汽、奇瑞等）進(jìn)行配套試裝和試驗(yàn)，也有少數(shù)零部件企業(yè)開始試制ECAS 零部件，進(jìn)入進(jìn)口車維修配件市場，但從宏觀上，中國產(chǎn)ECAS 技術(shù)尚處于起步階段。

2 空氣懸架研究進(jìn)展

2.1 空氣彈簧

    空氣彈簧產(chǎn)品是由內(nèi)外層橡膠、簾線層和鋼絲圈，經(jīng)硫化工藝?yán)喂陶澈显谝黄鸬南鹉z金屬復(fù)合物，其結(jié)構(gòu)型式主要包括囊式和膜式。

    針對空氣彈簧的理論研究主要有3 類模型：多物理參數(shù)化模型、等效參數(shù)化( 或力元) 模型和有限元分析模型，第4 類黑箱模型研究相對較少。實(shí)驗(yàn)研究主要測試空氣彈簧的垂向或橫向靜剛度特性、垂向動(dòng)剛度和阻尼系數(shù)的頻變特性等，測試結(jié)果往往用來驗(yàn)證理論模型的正確性以及進(jìn)行空氣彈簧模型或參數(shù)的辨識。理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果用來明確各種材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣彈簧技術(shù)性能的影響，并指導(dǎo)空氣彈簧的設(shè)計(jì)與制造。

    1） 多物理參數(shù)化模型：多物理參數(shù)化模型基于壓縮空氣的熱力學(xué)定律和流體力學(xué)定律，涉及包含氣體壓力、體積、密度、多變指數(shù)、彈簧作用面積、節(jié)流孔尺寸和流量系數(shù)，以及各種傳熱參數(shù)在內(nèi)的整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的物理參數(shù)，涉及空氣彈簧本體、附加氣室、節(jié)流孔、管路等各部件的建模，整個(gè)模型具有較強(qiáng)的非線性，早期Quaglia 等[14] 和Docquier 等[15-16] 的工作具有代表性。

   空氣彈簧帶附加氣室的目的是進(jìn)一步降低彈簧剛度，相當(dāng)于兩個(gè)空氣彈簧通過節(jié)流孔串聯(lián)，理論上對節(jié)流孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以獲得更為寬的剛度變化范圍。Liu[17] 等建立了帶附加氣室、節(jié)流孔的空氣彈簧多物理參數(shù)化模型，研究了激振頻率、節(jié)流孔面積和附加氣室容積對動(dòng)剛度的影響，臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。

    在帶附加氣室的空氣彈簧中，節(jié)流孔有一定程度的耗能作用，但這不能是它的主要功用，并且節(jié)流孔不能被高頻調(diào)節(jié)，否則動(dòng)剛度特性將會變差。因此，現(xiàn)代ECAS 在工程應(yīng)用上，往往對液壓減振器進(jìn)行阻尼連續(xù)調(diào)節(jié)，對空氣彈簧采取有級簡單調(diào)節(jié)。事實(shí)上，由于空氣彈簧本身就具有剛度自適應(yīng)性，再加上2 到3 級的基點(diǎn)剛度變化，已經(jīng)足夠獲得寬廣的剛度變化范圍了。

    在空氣彈簧多物理參數(shù)化建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)影響研究領(lǐng)域，同類研究還包括Lee[18]、Zargar[19] 等對汽車空氣彈簧和Li 等[20-21]、Gao 等[22] 對列車空氣彈簧開展的研究。

     2） 等效參數(shù)化模型：該模型采用剛度、阻尼、慣性、摩擦等標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)單元構(gòu)建，含有參數(shù)較少，物理意義明確，因此更適合用于車輛動(dòng)力學(xué)的仿真研究。

    圖2 所示是幾種常見的空氣彈簧等效參數(shù)化模型，雖然它們主要用于列車空氣彈簧建模，但在很大程度上值得借鑒。圖2a 是一種彈簧－阻尼等效模型，將空氣彈簧簡化為一個(gè)線性剛度K 和一個(gè)線性阻尼C 的并聯(lián)。圖2b 稱為Nishimura 模型[23]，模型中K1、K2、K3分別為由于氣體壓縮產(chǎn)生的剛度、附加氣室剛度和有效作用面積變化產(chǎn)生的剛度，λ 是氣囊與附加氣室的容積比，C 為氣體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生的阻尼系數(shù)，C 可以是線性阻尼或者是與速度成二次方[24] 規(guī)律的非線性阻尼。圖2c 是多體動(dòng)力學(xué)軟件Vampire 中空氣彈簧的主要模型，K1、K2、K3、C 的意義與圖2b 中的一樣，K4 是串聯(lián)橡膠堆的剛度；M 是排氣管內(nèi)的可變空氣質(zhì)量，其受空氣彈簧有效作用面積與排氣管截面積之比n 的放大作用。圖2d 是Berg 三維模型[25] 中的垂向模型，該模型將空氣彈簧描述為彈性力元、摩擦力元和阻尼力元的疊加，還包括管路空氣流動(dòng)產(chǎn)生的非線性慣性因素。模型中包含7 個(gè)參數(shù)：彈性力元的等效剛度Kez，摩擦力元的最大值Ffz-max 和位置參數(shù)Z2，阻尼力元的等效剛度Kvz、等效阻尼系數(shù)Czβ 和速度指數(shù)β，管路空氣質(zhì)量M。

圖2 幾種常見的空氣彈簧等效參數(shù)化模型

    Facchinetti 等[26] 對以上不同空氣彈簧模型進(jìn)行了對比，并研究了采用不同模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)對車輛動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明采用簡化的空氣彈簧模型，如圖2a 所示的彈簧－阻尼等效模型會造成較大誤差。

    Mazzola 等[23] 和Alonso 等[24] 則采用了實(shí)驗(yàn)方法對比，評估了以上模型的精確性，結(jié)果表明彈簧－阻尼等效模型和線性Nishimura 模型不適合于研究3 Hz 以上的振動(dòng)，Vampire 模型和Berg 模型具有較高的預(yù)測精確度。

   3） 有限元分析模型：空氣彈簧有限元(finiteelement analysis, FEA) 分析模型主要基于有限元建模理論、材料力學(xué)理論和接觸力學(xué)理論獲得。由于空氣彈簧剛度特性跟其結(jié)構(gòu)、材料特性息息相關(guān)，因此通過FEA 建模和分析可以獲得更為直接的影響參數(shù)和靈敏度結(jié)果。Lee 等[27] 對某汽車膜式空氣彈簧進(jìn)行了FEA數(shù)學(xué)建模，建模中考慮了尼龍纖維增強(qiáng)橡膠的正交各向異性、大變形幾何非線性以及氣囊與鋼絲圈的接觸特性，基于所建FEA 模型重點(diǎn)研究了簾線層角度對空氣彈簧變形和靜剛度特性的影響。近些年，許多國內(nèi)學(xué)者也直接運(yùn)用有限元商業(yè)軟件開展了一些應(yīng)用研究[28-29]，內(nèi)容包括分析氣壓、簾線層角度和層數(shù)、附加氣室容積等參數(shù)對空氣彈簧靜剛度特性的影響。

    從空氣彈簧產(chǎn)品角度來看，由于國內(nèi)橡膠技術(shù)起步早且具有較好的工業(yè)基礎(chǔ)，加上改革開放后巨大的市場推動(dòng)，到現(xiàn)在中國大陸車用( 汽車、列車) 空氣彈簧產(chǎn)品的研發(fā)、原材料、制造工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)已經(jīng)基本成熟，形成了較完整的產(chǎn)品系列。但從產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用效果上看，國產(chǎn)空氣彈簧還是在耐久性、可靠性方面與國外產(chǎn)品存在差距，國內(nèi)公司也一直在致力于這些方面的研究、開發(fā)和試驗(yàn)工作。

2.2 液壓減振器/ 減振支柱

    液壓減振器是汽車空氣懸架系統(tǒng)的阻尼部件，對迅速耗散振動(dòng)能量起著關(guān)鍵作用。針對液壓減振器模型的研究方法與針對空氣彈簧的研究方法有類似之處，也可大致分為多物理參數(shù)化建模、簡化參數(shù)化( 力元)建模、非參數(shù)化( 黑箱) 建模和混合建模方法。

    集成式液壓減振支柱( 簡稱減振支柱，下同) 一般是指螺旋鋼彈簧或空氣彈簧與液壓減振器的集成式產(chǎn)品，如圖3 所示為某型鋼彈簧液壓減振支柱和空氣彈簧液壓減振支柱。由于采用了集成式設(shè)計(jì)方法，懸架零件數(shù)量減少，重量減輕，有效節(jié)省了安裝空間，還便于實(shí)現(xiàn)電子控制。從理論上講，集成式減振支柱的輸出力和采用分散設(shè)計(jì)時(shí)的輸出力大小一樣，力作用點(diǎn)稍有變化，但由于阻尼力和彈簧力是耦合在一起的，給懸架分析、標(biāo)定帶來一定困難。馬莉等[31] 通過特性方程推導(dǎo)，解耦出了減振支柱空氣彈簧部分的靜剛度特性，并通過臺架試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了靜剛度特性方程的正確性。目前，減振支柱特別是空氣彈簧液壓減振支柱在國內(nèi)尚沒有產(chǎn)品目錄、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和專用試驗(yàn)方法。

圖3 集成式液壓減振支柱[30]

    可變阻尼液壓減振器、可變剛度和阻尼的空氣彈簧液壓減振支柱一直是汽車智能懸架的核心部件，下面就這部分內(nèi)容進(jìn)行簡要分類和介紹。

     1） 行程敏感、負(fù)載敏感液壓減振器/ 減振支柱：這是一類通過結(jié)構(gòu)變化或者負(fù)載關(guān)聯(lián)方式獲得可變(自適應(yīng)) 阻尼的液壓減振器/ 減振支柱，本質(zhì)上屬于被動(dòng)式液壓減振器/ 減振支柱的范疇，無需傳感器和電子控制。圖4 是一種行程敏感(stroke-dependent) 液壓減振器及其阻尼力－速度特性[11,30]。當(dāng)車輛承受額定負(fù)載在良好路面上勻速行駛時(shí)，減振器活塞振動(dòng)平衡位置處于中部區(qū)域，由于缸筒內(nèi)壁在此區(qū)域內(nèi)開有旁通槽，因此減振器阻尼力較小，特性較軟，車輛能獲得較好的舒適性；當(dāng)車輛處于側(cè)傾、縱傾或振動(dòng)較大工況，或處于重載或空載工況時(shí)，減振器活塞振動(dòng)平衡位置處于兩端區(qū)域，由于缸筒內(nèi)壁在此區(qū)域內(nèi)沒有旁通槽，因此減振器阻尼力較大，特性變硬，車輛此時(shí)又能獲得良好的操縱穩(wěn)定性；一般由于旁通槽的加工工藝保障，減振器在軟、硬阻尼切換區(qū)域能獲得良好的過渡特性。行程敏感液壓減振器/ 減振支柱適合配置于承載變化范圍大又具有良好舒適性和安全性的商用車輛懸架中。

圖4 一種行程敏感液壓減振器及其阻尼力- 速度特性[11,30]

    圖5 所示是在奧迪A6[9] 空氣懸架中配置的一種氣動(dòng)阻尼控制(pneumatic damping control, PDC) 負(fù)載敏感(load-dependent) 空氣彈簧液壓減振支柱的結(jié)構(gòu)原理圖。減振器的工作原理是：主壓力缸筒通過孔道與副壓力缸筒相通，油液在副壓力缸筒與儲油缸之間的流動(dòng)則由一個(gè)PDC 閥來控制；PDC 閥實(shí)際上是一個(gè)由氣囊氣壓控制的節(jié)流閥，氣壓增大，節(jié)流口關(guān)小，直至關(guān)閉；氣壓減小，節(jié)流口增大，直至最大。當(dāng)車輛因承載減小或者底盤控制高度降低而引起氣囊氣壓減小時(shí)，PDC 閥節(jié)流口增大，引起減振器阻尼力減小，特性變軟；反之則引起減振器阻尼力增大，特性變硬。也就是說，不管車輛負(fù)載怎么變化，懸架阻尼總能與空氣彈簧剛度自適應(yīng)形成匹配，使得車輛具有良好的舒適性和操縱穩(wěn)定性。

圖5 一種氣動(dòng)阻尼控制(PDC) 負(fù)載敏感空氣彈簧液壓減振支柱[9]

    由于行程敏感、負(fù)載敏感型液壓減振器/ 減振支柱無需傳感器和電子控制，成本低、可靠性高，還能獲得自適應(yīng)阻尼特性，近年來，國外通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新[30]不斷有新型被動(dòng)式可變阻尼減振器產(chǎn)品推出，其研發(fā)熱度有增高的趨勢。

     近年來，隨著國外產(chǎn)品進(jìn)入中國市場，國內(nèi)學(xué)者開展了一些有意義的消化和科研工作，譬如針對行程敏感液壓減振器[32-33] 和PDC 空氣彈簧液壓減振支柱[34]的研究，其主題包括多物理參數(shù)化建模、阻尼特性仿真、臺架實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證分析。

     2） 電控液壓減振器/ 減振支柱：早期的電控減振器[35] 產(chǎn)品采用微小電機(jī)控制與活塞桿同軸的閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變活塞上轉(zhuǎn)閥節(jié)流孔的大小，實(shí)現(xiàn)對阻尼的調(diào)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)的減振器/ 減振支柱產(chǎn)品目前還有應(yīng)用。江浩斌等[36-37] 研究了這種結(jié)構(gòu)減振支柱的多物理參數(shù)化建模、特性仿真、臺架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及采用這種減振支柱的半主動(dòng)懸架汽車的動(dòng)力學(xué)仿真分析。

    隨著加工制造工藝和電磁閥技術(shù)的發(fā)展，近十幾年又出現(xiàn)了以副壓力缸筒作為分流控制源、以電磁閥控制節(jié)流的結(jié)構(gòu)形式，如圖6a 所示是一種連續(xù)阻尼控制(continuous damping control, CDC) 液壓減振器[30]。該減振器由一個(gè)反比例電磁閥連續(xù)控制處于副壓力缸筒和儲油缸之間節(jié)流口的大小，從而實(shí)現(xiàn)對阻尼力的連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)反比例電磁閥無控制電流或失效時(shí)，其節(jié)流口關(guān)閉，減振器相當(dāng)于常規(guī)被動(dòng)式減振器，此時(shí)阻尼特性最硬；當(dāng)反比例電磁閥有控制，電流逐漸增大時(shí)，其節(jié)流口開啟并逐漸增大，此時(shí)阻尼特性變軟，直至最軟。圖6b 所示為該減振器的阻尼特性變化范圍[30]，在深色區(qū)域內(nèi)，減振器特性較硬，車輛以獲得良好操縱穩(wěn)定性為主；在淺色區(qū)域內(nèi)，減振器特性較軟，車輛以獲得良好舒適性為主。圖6c 所示則是在CDC 減振器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種CDC 空氣彈簧液壓減振支柱[30]，空氣彈簧帶有附加氣室，因此該減振支柱剛度、阻尼都可以變化，是當(dāng)前汽車主動(dòng)控制懸架中最先進(jìn)的減振支柱產(chǎn)品之一。

圖6 連續(xù)阻尼控制(CDC) 液壓減振器、空氣彈簧液壓減振支柱[30]

    Witters 等[38] 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對某CDC 液壓減振器進(jìn)行了黑箱建模，通過最優(yōu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸向量選擇和參數(shù)估計(jì)進(jìn)行了模型辨識。王洪成[39] 研究了CDC 液壓減振器的參數(shù)化建模、仿真與臺架實(shí)驗(yàn)分析，并針對某車型研制了半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)硬件和軟件，進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)。李明[40] 也研究了CDC液壓減振器的原理、結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了阻尼特性臺架試驗(yàn)和實(shí)車道路試驗(yàn)。任欣[41] 則基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamic, CFD) 方法，分析了某半主動(dòng)葉片式減振器上配置的比例閥的流量、開度與驅(qū)動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性，為減振器的設(shè)計(jì)和控制提供了基礎(chǔ)。

    奔馳系列車型上使用了一種類似以上CDC 減振器結(jié)構(gòu)的半主動(dòng)電控減振器，其不同點(diǎn)是采用了兩只開關(guān)型電磁閥，對兩套外置式活塞及閥門進(jìn)行組合控制，一共能獲得四檔阻尼特性。近年來，部分國內(nèi)學(xué)者針對這種減振器進(jìn)行了學(xué)習(xí)、研究。此外，近5 年針對電、磁流變半主動(dòng)減振器/ 減振支柱產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)展很快?？梢灶A(yù)見將來該類產(chǎn)品和油壓式減振器/ 減振支柱產(chǎn)品一樣，能批量應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)。由于這部分研究涉及另外一個(gè)主題，本文不再論述。

    綜上所述，傳統(tǒng)固定阻尼特性的液壓減振器向可變阻尼特性液壓減振器方向發(fā)展，向集成式減振支柱方向發(fā)展?？諝鈴椈梢簤簻p振支柱當(dāng)前的發(fā)展趨勢是：空氣彈簧帶小型附加氣室，基點(diǎn)靜剛度2~3 級可調(diào)；液壓減振器具有有級或連續(xù)可調(diào)阻尼，通過行程敏感、負(fù)載敏感或電子控制方式與剛度形成實(shí)時(shí)最佳匹配；減振支柱總體具有水平控制、底盤升降和剛度阻尼自適應(yīng)控制等功能。

    以上技術(shù)都來源于國外，國內(nèi)在常規(guī)液壓減振器技術(shù)方面已有規(guī)模和基礎(chǔ)，但在減振支柱尤其是可變剛度和阻尼的支柱方面，目前處于起步階段，只有部分企業(yè)在進(jìn)行研究、試制。其難點(diǎn)在于電磁閥、空氣彈簧和液壓減振器的集成工藝以及上批量后產(chǎn)品質(zhì)量的控制問題。雖然減振支柱目前在國內(nèi)還沒有產(chǎn)生有效的市場驅(qū)動(dòng)，也沒有批量產(chǎn)品和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，但其發(fā)展和普及已是大勢所趨，在未來具有很好的應(yīng)用前景。

2.3 常規(guī)空氣懸架

    空氣懸掛動(dòng)力學(xué)是空氣懸架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，空氣懸架部件建模、車輛系統(tǒng)建模、車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析，是空氣懸掛動(dòng)力學(xué)研究的基本課題。Darris[42] 建立了具有轉(zhuǎn)臂式空氣懸架重卡的側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型，研究了空氣。懸架水平控制系統(tǒng)參數(shù)，如高度控制閥流量、死區(qū)、響應(yīng)時(shí)間對車輛側(cè)向穩(wěn)定性的影響。Chang 等[43] 研究了汽車空氣彈簧建模，進(jìn)行了仿真與臺架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將空氣彈簧Matlab 仿真模型與整車機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems, ADAMS)、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(multibody system, MBS)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，研究了車輛空氣懸掛動(dòng)力學(xué)特性。Ranjit[44] 設(shè)計(jì)開發(fā)了一種由阻尼孔聯(lián)接氣缸上、下氣室的空氣懸架( 即氣體彈簧、氣體阻尼)，對該空氣懸架進(jìn)行了建模和集成到1/4 汽車模型的動(dòng)力學(xué)研究。Bollishetty 等[45] 也研究了某商用汽車空氣彈簧的參數(shù)化建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、整車MBS 建模和車輛動(dòng)力學(xué)仿真。

    常規(guī)空氣懸架研發(fā)與優(yōu)化基于空氣懸掛動(dòng)力學(xué)理論，借助系列計(jì)算機(jī)輔助工具、臺架與道路試驗(yàn)驗(yàn)證平臺。Ashley 等[46] 介紹了翰德森(Hendrickson) 公司基于并行工程、先進(jìn)制造和試驗(yàn)技術(shù)，以輕量化、提高舒適性和操縱穩(wěn)定性為目標(biāo)，成功研制的一種商用車前空氣懸架和轉(zhuǎn)向橋模塊。Leandro 等[47] 和Dean[48]分別介紹了其空氣懸架的設(shè)計(jì)、調(diào)試過程，體現(xiàn)了如何在車輛舒適性、操縱穩(wěn)定性指標(biāo)之間獲得平衡的難點(diǎn)和解決方案。Zhang 等[49] 介紹了采用有限元對某具有空氣懸架廂式貨車進(jìn)行模態(tài)和功率譜分析的計(jì)算機(jī)輔助方法，以期用于商用車輛的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞設(shè)計(jì)。Nikolai 等[50] 借助AMEsim 商業(yè)軟件，通過對整個(gè)空氣懸架系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、管路、閥、空氣彈簧等部件的建模和施加控制，探索了汽車空氣懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而Eskandary 等[51] 則通過對一種能獨(dú)立調(diào)節(jié)高度和剛度的汽車空氣懸架的數(shù)學(xué)建模進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該懸架的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。

    互聯(lián)懸架[52] 的設(shè)計(jì)初衷是通過機(jī)械、液壓或氣壓方式將車輛各懸架的負(fù)載、運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)起來，促進(jìn)載荷在各車軸上的分配，增加車輛的側(cè)傾或縱傾剛度，提高車輛的穩(wěn)定性。Chen 等[53] 建立了某三軸半掛車縱向互聯(lián)空氣懸架的數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模型驗(yàn)證，研究了駕駛工況、懸掛參數(shù)對車輛動(dòng)態(tài)載荷分配、道路友好性的影響。Hua 等[54] 對一種空氣彈簧加液壓互聯(lián)橫向穩(wěn)定系統(tǒng)的懸架進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該懸架在提高車輛橫向穩(wěn)定性的同時(shí)也具有良好的舒適性。Li[55] 采用實(shí)驗(yàn)和仿真方法研究了具有空氣互聯(lián)懸架車輛的隔振和消扭特性，結(jié)果表明管路長短、壁厚對互聯(lián)效果影響較大，橫向互聯(lián)空氣懸架能有效消除車輛的扭轉(zhuǎn)負(fù)載, 減小側(cè)傾角，但對車輛縱傾角影響有限。

    常規(guī)空氣懸架產(chǎn)品的研發(fā)，國外從設(shè)計(jì)匹配方法、計(jì)算工具、原型樣機(jī)制造到試驗(yàn)，早已形成了成熟的規(guī)范，其零部件和系統(tǒng)形成了產(chǎn)品系列，并經(jīng)過了多年的實(shí)車運(yùn)行和不斷優(yōu)化。國內(nèi)常規(guī)空氣懸架產(chǎn)品的研發(fā)，已進(jìn)入自主研發(fā)的階段，但在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證條件、時(shí)間價(jià)格成本、零部件基礎(chǔ)、系統(tǒng)性能及可靠性方面，與國外相比還是有差距。

2.4 電子控制空氣懸架(ECAS)

    電子控制空氣懸架系統(tǒng)（ECAS）是一個(gè)完整的氣動(dòng)控制系統(tǒng)，主要包括氣源裝置、控制元件、執(zhí)行元件、傳感器和控制單元（ECU）。氣源裝置一般包括由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)、干燥器、排氣閥和儲氣罐，控制元件包括各控制電磁閥及其他閥門，執(zhí)行元件就是氣囊和液壓減振器，傳感器一般包括用來檢測氣源狀態(tài)的壓力和溫度傳感器、檢測車身水平的車高傳感器，而車輛其他狀態(tài)與控制信息如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、車輛加速、制動(dòng)或轉(zhuǎn)向等信息，一般通過CAN 總線交互獲得。ECU接收來自各傳感器、CAN 和駕駛員輸入信息( 如運(yùn)動(dòng)模式、車高選擇)，通過信息處理后，控制氣囊的充放氣和液壓減振器的阻尼。在工程實(shí)施上，ECU 一般采用簡單、可靠的算法，如天棚阻尼控制算法等。隨著元器件質(zhì)量的提高，目前ECAS 系統(tǒng)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間在5 ms 左右，電控減振器變阻尼時(shí)間小于10 ms，氣囊變剛度時(shí)間小于100 ms。

    圖7 所示為奧迪A6 車型[10]ECAS 的氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖和主要元器件的布置圖。由圖7a 可見：該車型兩個(gè)后減振支柱具有PDC 阻尼自適應(yīng)功能；氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置了5 個(gè)電磁閥，用來分別控制1 個(gè)儲氣罐和4個(gè)減振支柱的進(jìn)排氣；由1 個(gè)電磁排氣閥和1 個(gè)氣控排氣閥配合控制排氣過程，并且氣控排氣閥還具有限制空壓機(jī)最高壓力的功能；當(dāng)車速大于36 km/h 時(shí)系統(tǒng)主要由空壓機(jī)供氣，儲氣罐同時(shí)被充滿，當(dāng)車速小于36km/h 時(shí)，儲氣罐則充當(dāng)輔助氣源。由圖7b 可見ECAS系統(tǒng)一般采用集成度非常高或者一體化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)在有限的空間內(nèi)予以布置。從某種程度上講，ECAS 系統(tǒng)的水平和可靠性取決于各元器件的設(shè)計(jì)制造水平和可靠性。

圖7 奧迪A6 車型ECAS 的氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖和主要元器件布置圖[10]

    ECAS 針對乘用車的應(yīng)用一直多于針對商用車輛的應(yīng)用，但隨著技術(shù)進(jìn)步和市場推動(dòng)，近十幾年來ECAS在商用車輛上的應(yīng)用已越來越多。商用車輛ECAS 除了替代過去由機(jī)械式高度控制閥操作的水平控制之外，還能進(jìn)行底盤升降等控制，便于裝卸貨物、提高燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性。圖8 所示是WABCO 公司[56] 用于商用車輛ECAS 系統(tǒng)的部分零部件產(chǎn)品。

圖8 商用車輛ECAS 系統(tǒng)主要元器件[56]

    針對ECAS 的研究一般偏重信號處理和控制算法。Toshio 等[57] 針對配置主動(dòng)空氣懸架的1/4 汽車動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了模糊控制算法和干擾觀測器的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證達(dá)到了較好控制效果。Porumamilla[ 等58]則針對配置主動(dòng)空氣懸架1/4 汽車動(dòng)力學(xué)模型中的不確定性，設(shè)計(jì)了魯棒LQG 和H∞ 控制器，并進(jìn)行了仿真分析。Kim 等對某ECAS 氣動(dòng)控制系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了閉環(huán)容錯(cuò)[59-60] 控制算法和滑模[61] 控制算法，其中滑?？刂扑惴ㄖ饕槍ζ囘M(jìn)行高度和水平控制，所提出的控制算法及效果均得到了仿真和實(shí)車道路試驗(yàn)的驗(yàn)證。Zhao 等[62] 則在對某車輛空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)建模的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了Fuzzy PID 控制算法，通過將Matlab 控制模型與ADAMS 動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，表明達(dá)到了較好的控制效果。

    Nieto 等[63] 研究了一種能利用電控閥切換氣動(dòng)回路的自適應(yīng)空氣懸架，車輛通過全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）接收器預(yù)測道路狀況，然后切換“軟”或“硬”氣動(dòng)回路以提高車輛的舒適性或操縱穩(wěn)定性。Sun 等[64] 建立了車輛高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，提出了一種混合邏輯動(dòng)態(tài)控制方法用于對ECAS 電磁閥的控制，仿真與實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了所提出控制算法對車輛高度和水平控制的效果。Xu 等[65] 則基于1/4 汽車動(dòng)力學(xué)建模，分別采用擴(kuò)展卡爾曼濾波、強(qiáng)跟蹤濾波和容積卡爾曼濾波3 種方法，研究了ECAS傳感器的故障識別和隔離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表明采用容積卡爾曼濾波方法效果最好。

    目前，乘用車ECAS 技術(shù)在國外已經(jīng)成熟，但是元器件技術(shù)還在不斷完善，系統(tǒng)技術(shù)還在不斷融入到整車電子控制當(dāng)中；商用車ECAS 技術(shù)和市場也在不斷提升和擴(kuò)展。中國大陸汽車ECAS 技術(shù)，從零部件到系統(tǒng)集成，目前都處于起步階段，雖然技術(shù)進(jìn)步和積累有個(gè)過程，但可以預(yù)見未來的市場前景是廣闊的。

2.5 駕駛室與座椅減振

    空氣懸架已廣泛應(yīng)用于商用車輛駕駛室的減振，進(jìn)一步提高了駕駛室的舒適性和穩(wěn)定性。圖9 所示是一種卡車駕駛室的空氣懸掛系統(tǒng)[30], 該懸掛系統(tǒng)使用4只帶內(nèi)置式[11] 高度控制閥和行程敏感式液壓減振器的空氣彈簧液壓減振支柱，來保持駕駛室的水平和動(dòng)力學(xué)控制；懸掛系統(tǒng)后部取消了傳統(tǒng)的被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿，采用由一個(gè)液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)側(cè)向穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的主動(dòng)防側(cè)傾穩(wěn)定系統(tǒng)，由此可以獲得極好的穩(wěn)定性。部分高端商用車輛駕駛室還采用了帶CDC控制的ECAS系統(tǒng)，即懸掛阻尼能根據(jù)車輛狀態(tài)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，從而消除了被動(dòng)式空氣懸架在舒適性和穩(wěn)定性之間的設(shè)計(jì)矛盾。

     McKenzie 等[66] 介紹了荷蘭NEWAY公司研發(fā)的傳統(tǒng)空氣懸掛系統(tǒng)，用作卡車駕駛室懸架。該系統(tǒng)由傾斜配置的空氣彈簧和可變力臂的液壓減振器組成，這種設(shè)計(jì)使得該懸架固有頻率被控制在1 Hz 左右的水平，避開了人體的敏感頻率，提高了乘坐舒適性和駕駛員的抗疲勞特性。Gross 等[67] 介紹了所開發(fā)的配置4 只空氣彈簧液壓減振支柱和1 根橫向穩(wěn)定桿的某重卡駕駛室空氣懸掛系統(tǒng)，該減振支柱配置了行程敏感式液壓減振器，還可選配內(nèi)置式高度控制閥。Andou 等[68]研究了一種由硅油阻尼器和空氣彈簧組成的用于某液壓挖掘機(jī)駕駛室減振的復(fù)合懸掛，建立了該復(fù)合懸掛系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。Yan 等[69]基于遺傳算法研究了某駕駛室半主動(dòng)空氣懸掛系統(tǒng)的模糊控制。Tang 等[70] 則使用AMEsim 軟件針對某商用汽車空氣彈簧進(jìn)行建模，并與整車ADAMS 動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，研究了在隨機(jī)激勵(lì)下空氣彈簧參數(shù)對商用車駕駛室乘坐舒適性的影響。

    空氣懸架目前也廣泛應(yīng)用于商用車輛駕駛員座椅的減振，如圖10 所示[71]。采用空氣懸架的座椅具有較好的負(fù)載適應(yīng)性和很低的固有頻率，因此乘坐舒適性和駕駛員的抗疲勞特性得到了極大的提高。Ahmadian等[72] 采用實(shí)驗(yàn)方法對比研究了常規(guī)泡沫坐墊和充氣坐墊在硬化、壓力分布和阻尼方面的特性，結(jié)果表明充氣坐墊無硬化，負(fù)載壓力分布均勻，因此舒適性和抗疲勞特性更好。作者還提出了兩種[73] 用于對坐墊進(jìn)行長期動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行測試的方法。Inendino 等[74] 建立了某高速卡車空氣懸掛座椅系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，基于道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證和優(yōu)化。Jin 等[75] 也建立了某重卡帶附加氣室空氣懸掛座椅系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證。

圖10 一種商用車輛駕駛員座椅空氣懸架[71]

    商用車輛空氣懸掛座椅系統(tǒng)的( 半) 主動(dòng)控制也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。Zikrija 等[76] 建立了某重型車輛空氣懸掛座椅系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對半主動(dòng)液壓減振器進(jìn)行控制，并進(jìn)行了仿真與臺架實(shí)驗(yàn)研究。Salihbegovic 等[77] 研究了由主動(dòng)空氣彈簧和被動(dòng)式液壓減振器組成的越野車輛司機(jī)座椅空氣懸架系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了模糊控制器，仿真和臺架實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明達(dá)到了好的控制效果。Gu 等[78] 研究了汽車座椅主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的魯棒控制。Zheng 等[79] 則建立了某輪式拖拉機(jī)由帶附加氣室空氣彈簧和磁流變減振器組成的座椅系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該非線性模型較常規(guī)等效線性化模型具有較高的表現(xiàn)精度，最后研究了車速、空氣彈簧與附加氣室容積比、阻尼孔截面積對拖拉機(jī)底盤、駕駛室和座椅振動(dòng)特性的影響，為后續(xù)半主動(dòng)控制器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

    綜上所述，為了追求更好的舒適性和穩(wěn)定性，與車輛空氣懸架一樣，用于商用車駕駛室和座椅減振的空氣懸架系統(tǒng)也朝著主動(dòng)控制的方向發(fā)展。目前，國外有關(guān)公司[31] 仍是這些技術(shù)的領(lǐng)跑者。國內(nèi)在駕駛室和座椅空氣懸架研發(fā)方面投入很大，產(chǎn)品還是集中在常規(guī)空氣懸架零部件和系統(tǒng)，有不少單位如中國北方車輛研究所等已經(jīng)形成了批量生產(chǎn)和配套能力，但主動(dòng)控制空氣懸架不管是在研發(fā)還是應(yīng)用層面，目前還是處于起步階段。

3 結(jié) 論

    為了同時(shí)獲得舒適性、操縱穩(wěn)定性和運(yùn)行便利性，不論是車輛底盤的減振，還是駕駛室、座椅的減振，傳統(tǒng)空氣懸架朝著ECAS 方向發(fā)展，而ECAS 技術(shù)則朝著更加智能、節(jié)能以及與整車電子控制、網(wǎng)絡(luò)控制融合的方向發(fā)展；元器件和系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性進(jìn)一步提高，并朝著集成度更高或一體化設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。預(yù)計(jì)未來10 年，國外一些具有歷史沉淀、技術(shù)積累和先進(jìn)技術(shù)研發(fā)實(shí)力的公司，還將在全球汽車空氣懸架領(lǐng)域起引領(lǐng)作用。

    目前，中國大陸汽車空氣懸架，從關(guān)鍵零部件到系統(tǒng)集成，尚存在以下主要問題和技術(shù)難點(diǎn)：

     1） 空氣彈簧在服役疲勞、耐久性、可靠性方面與國外產(chǎn)品存在一定差距。應(yīng)加強(qiáng)針對該類產(chǎn)品在模擬實(shí)際服役工況下的耐久性試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集分析研究，重點(diǎn)從材料、設(shè)計(jì)的角度進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)要加大對帶附加氣室、內(nèi)置高度控制閥等復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)和試驗(yàn)力度。

     2） 電控液壓減振器的關(guān)鍵問題在電磁閥以及電磁閥與減振器油路的集成，技術(shù)難點(diǎn)在加工、裝配工藝對產(chǎn)品性能的保證。電控空氣彈簧液壓減振支柱，除了存在上述關(guān)鍵問題外，還存在空氣彈簧與減振器集成的密封、聯(lián)動(dòng)控制問題；電控液壓減振器/ 減振支柱均存在可靠性、耐久性的問題。

    針對電控液壓減振器/ 減振支柱的研究雖然不少，但這類產(chǎn)品在國內(nèi)畢竟還沒有形成正式的產(chǎn)品目錄和進(jìn)入批量生產(chǎn)及應(yīng)用，因此關(guān)于這類產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法以及性能方面的理論研究尚待繼續(xù)深入。

     3） 常規(guī)空氣懸架的研發(fā)，以前過多依賴和參考基于國外道路、運(yùn)輸和試驗(yàn)條件研制的進(jìn)口產(chǎn)品，造成了一些被動(dòng)局面。目前已進(jìn)入自主研發(fā)的階段，存在的主要問題體現(xiàn)在研發(fā)經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證條件、時(shí)間價(jià)格成本、零部件基礎(chǔ)、系統(tǒng)性能及可靠性等方面。

     4） ECAS 技術(shù)( 包括駕駛室和座椅減振)，從零部件到系統(tǒng)集成，目前均處于初級階段。存在的主要問題和技術(shù)難點(diǎn)：一是關(guān)鍵零部件的研制，譬如高可靠電控空氣彈簧液壓減振支柱、高度傳感器、氣動(dòng)電磁閥集成件的研制；二是控制與車輛動(dòng)力學(xué)性能的提升，這方面還需要做大量的理論分析研究、道路試驗(yàn)評價(jià)和算法版本升級工作；三是形成針對不同車型的快速設(shè)計(jì)和匹配能力；四是加強(qiáng)零部件與系統(tǒng)故障模式、診斷經(jīng)驗(yàn)的積累，增強(qiáng)ECAS 在各種復(fù)雜服役條件下的可靠性與安全性。

    空氣懸架是中國未來汽車懸架發(fā)展的必然方向，具有廣闊的市場和應(yīng)用前景。中國汽車空氣懸架行業(yè)要蓬勃地發(fā)展，必須堅(jiān)持自主創(chuàng)新，從基礎(chǔ)零部件到系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)的技術(shù)積累、經(jīng)驗(yàn)積累和產(chǎn)品升級。

本文來自期刊《汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)》2018年01期

作者：王文林，侯之超，鄒 軍

整理編輯：Zoe