客車(chē)電控空氣懸架系統研究及其發(fā)展趨勢

　　隨著(zhù)系統應用的推廣和車(chē)輛控制技術(shù)的發(fā)展，電子控制逐漸取代傳統的機械控制電子控制系統，不僅提高了操作的舒適性和反應的靈敏度，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、減振器行程，不斷研制成功了能適應各種行駛工況的最優(yōu)控制機構。

　　客車(chē)的電子控制主動(dòng)懸架

　　對主動(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)是執行器。最早的主動(dòng)懸架控制策略是天棚原理，假設車(chē)身上方有一固定的慣性參考，在車(chē)身和慣性參考之間有一阻尼器，執行器模擬此阻尼器的作用力來(lái)衰減車(chē)身的振動(dòng)。這種控制算法簡(jiǎn)單，在國外某些車(chē)型上已經(jīng)得到了應用。

　　隨著(zhù)現代控制理論的發(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)控制規律有三種:線(xiàn)性最優(yōu)控制、HQ最優(yōu)控制和最優(yōu)預見(jiàn)控制。

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

　　在德國大眾汽車(chē)公司的底盤(pán)上應用了自適應控制規律。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)調節輸入變量的組合、隸屬函數的參數和模糊規則數目等學(xué)習功能，計算機仿真結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(xiàn)性動(dòng)力系統，它能進(jìn)行數據融合、學(xué)習適應性和并行處理，研究表明它比傳統控制有更好的性能。

　　執行器是實(shí)現控制目標的重要環(huán)節，因此作對動(dòng)器的研究也是主動(dòng)懸架研究的重要內容。為保證主動(dòng)懸架的良好性能，執行器必須具有靈敏、隱定、可靠、能耗低、成本和總量低等特點(diǎn)。目前主動(dòng)懸架上應用的執行器主要是液力式結構。

　　日產(chǎn)公司則開(kāi)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合起來(lái)，使路面不平整引起的振動(dòng)被蓄能器吸收，車(chē)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(guò)液壓動(dòng)力系統尚有許多不足之處，比如對工作環(huán)境有一定要求;元件制造精度要求高、成本難以下降;處理小信號的數字運算，誤差的檢測與放大、測試與補償、自動(dòng)化與實(shí)現遠距離等功能不如電氣系統靈活準確等。因此現在執行器的研究主要集中在直線(xiàn)伺服電機、電磁蓄能器的方向。

　　電氣動(dòng)力系統中的直線(xiàn)伺服電機具有較多的優(yōu)點(diǎn)，永磁直流直線(xiàn)伺服電機，其驅動(dòng)性能優(yōu)于液壓系統，今后將會(huì )取代液壓執行機構。運用電磁蓄能原理，結合參數估計自校正控制器，可望設計出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應主動(dòng)懸架。

　　客車(chē)ECAS系統的功能和優(yōu)勢

　　汽車(chē)車(chē)架(或車(chē)身)若直接安裝于車(chē)橋(或車(chē)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，這是因為沒(méi)有懸架裝置的原因。汽車(chē)懸架是車(chē)架 (或車(chē)身)與車(chē)軸(或車(chē)輪)之間的彈性聯(lián)結裝置的統稱(chēng)。它的作用是彈性地連接車(chē)橋和車(chē)架(或車(chē)身)，緩和行駛中車(chē)輛受到的沖擊力。保證貨物完好和人員舒適；

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

　　并且當車(chē)輪相對車(chē)架跳動(dòng)時(shí)，特別在轉向時(shí)，車(chē)輪運動(dòng)軌跡要符合一定的要求，因此懸架還起使車(chē)輪按一定軌跡相對車(chē)身跳動(dòng)的導向作用?？蛙?chē)電子控制空氣懸架系統(ECAS)系統常有如下功能和優(yōu)勢。

　　(1)車(chē)輛升降功能。車(chē)輛行駛時(shí)，ECAS維持正常底盤(pán)高度，在特殊路況和行駛條件下，可通過(guò)控制開(kāi)關(guān)提升或者降低車(chē)輛的底盤(pán)高度，方便車(chē)輛輪渡或者通過(guò)隧道。ECAS還允許電控單元設置車(chē)輛速度，通過(guò)車(chē)速控制整車(chē)高度，比如當車(chē)速達到20km/h時(shí)，車(chē)輛可自動(dòng)回復正常行程高度。

　　(2)側傾功能。此功能是用于城市公交車(chē)的專(zhuān)用功能。當車(chē)輛到站時(shí)，車(chē)門(mén)側空氣氣囊放氣，如只有前車(chē)門(mén)則將該側前左右二個(gè)空氣氣囊同時(shí)放氣，如有前、后兩個(gè)車(chē)門(mén)，則該側后空氣氣囊放氣車(chē)門(mén)側的踏步高度可自動(dòng)降低，便于嬰兒車(chē)、輪椅車(chē)的上下，方便老、幼年乘客和殘障人士乘車(chē)。

　　ECAS可以實(shí)現對側傾高度的設定和控制，有單側側傾或單軸側傾多種方式供選擇，同時(shí)系統監視安裝在車(chē)門(mén)下的接觸開(kāi)關(guān)來(lái)保證降低過(guò)程的安全性，如果接觸開(kāi)關(guān)在降低過(guò)程中有反應，客車(chē)將自動(dòng)回復到正常行車(chē)高度。

(3)車(chē)輛限高功能。E CAS可以設置車(chē)輛的最低和最高底盤(pán)高度。一旦達到設定的最低和最高位置，電控單元將自動(dòng)結束高度調節。

　　(4)高度集成化的系統。系統零部件少，安裝簡(jiǎn)單降低裝配成本。

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

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

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

　　(8)安全控制。電控單元根據當前車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)信息，判斷是否能提升/下降車(chē)輛。

　　(9)維修檢測。專(zhuān)用診斷軟件和檢測設備，可做到下線(xiàn)時(shí)快速檢測及調整；方便的閃碼功能，便于售后維修檢測。

　　在我國，ECAS已走進(jìn)了高檔公交車(chē)和旅游車(chē)市場(chǎng)，它的功能性和便利性越來(lái)越多的被市場(chǎng)所接受。在我國公交市場(chǎng)上，已經(jīng)開(kāi)始規模使用帶ECAS 的城市公交車(chē)，相信隨著(zhù)我國城市公交車(chē)的性能提升和產(chǎn)品換代，可以實(shí)現車(chē)身“側傾”功能的ECAS系統，將越來(lái)越多的出現在城市公交市場(chǎng)，給公共交通事業(yè)增添人文色彩。

　　客車(chē)ECAS系統的結構原理

　　ECAS系統主要由電控單元(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責檢測車(chē)輛高度(車(chē)架和車(chē)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(chē)速信息、制動(dòng)信息、車(chē)門(mén)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，判斷當前車(chē)輛狀態(tài)按照其內部的控制邏輯，激發(fā)電磁閥工作，電磁閥實(shí)現對各個(gè)空氣氣囊的充放氣調節。

　　ECAS的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能快速的達到所需的控制高度，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有多快，可能過(guò)量的空氣仍被充入空氣氣囊，并導致隨后的高度高于期望的標準高度，即“過(guò)沖”。當車(chē)輛處于空載狀態(tài)時(shí)，由于系統儲氣筒壓力和空載時(shí)，空氣氣囊間大的壓差造成氣流速度非?？?，導致這種“過(guò)沖”更加頻繁。有時(shí)“過(guò)沖”能導致高度在標準高度周?chē)L(cháng)久的振蕩，這種控制過(guò)程不是我們所期望的，同時(shí)也減少了電磁閥的壽命。因此，要想達到精確的標準高度，控制過(guò)程需按照下面的方式進(jìn)行：在即將達到標準高度前，減少氣流量，降低上升速度。如果系統調整的恰當，將不會(huì )出現任何 “過(guò)沖”。因為電磁閥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流的效果。

　　ECAS電控單元采用脈沖方式控制電磁閥的開(kāi)啟，根據當前實(shí)際高度與預期調節高度的偏差，電控單元計算電磁閥的調節脈沖長(cháng)度，如果需要調節的高度量大、由于沒(méi)有“過(guò)沖”的危險，電控單元將給出一個(gè)長(cháng)的脈沖，同時(shí)，快的上升速度將減小脈沖長(cháng)度，這樣就能精確控制車(chē)輛的高度調節速度，極大的避免了高度的“過(guò)沖”及振蕩調節。

　　(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，可實(shí)現不同高度值的管理和儲存，控制包括正常高度在內的多個(gè)車(chē)輛高度，電控單元負責與診斷工具進(jìn)行數據交換，同時(shí)監測系統所有部件的操作，檢測并儲存系統故障。

　　(2)電磁閥。電磁閥通常安裝在車(chē)架或車(chē)架橫梁上。ECAS電磁閥是高度集成化和模塊化的設計。取決于不同的配置，在通用的外部殼體內可以布置不同數量的電磁閥部件。ECAS組合電磁閥可大大節省了零部件數量和安裝空間以及裝配費用。為了降低排氣噪聲，電磁閥排氣口帶有消音器。例如，帶側傾功能的ECAS 電磁閥，其內部就包含6個(gè)小的電磁閥，它們組合在一個(gè)殼體內，實(shí)現對前后橋所有空氣氣囊的單獨控制和側傾控制。4×2客車(chē)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(lái)與機械高度閥相似，它們的安裝方式和安裝位置完全相同，通常布置在車(chē)架上。傳感器內部包含線(xiàn)圈和樞軸，當車(chē)橋與車(chē)身之間的距離發(fā)生變化時(shí)，高度橫擺桿轉動(dòng)并帶動(dòng)相應的電樞在線(xiàn)圈中上下直線(xiàn)運動(dòng)，造成線(xiàn)圈的感應系數變化，電控單元檢測此感應系數的變化并將其轉換成高度數字信號。

　　電子控制空氣懸架的市場(chǎng)前景和發(fā)展趨勢

　　不久前，在北京商用車(chē)展上，廈門(mén)金龍、丹東黃海等客車(chē)廠(chǎng)家展出的大型鉸接BRT城市客車(chē)均采用了一種新配置——電子控制空氣懸架(ECAS系統)。該系統能夠實(shí)現整車(chē)高度的自動(dòng)升降，還具有側傾功能，方便行動(dòng)不便者上下車(chē)，大大提高了車(chē)輛的舒適性，體現了人性化設計理念。

　　目前空氣懸架控制模式主要有兩種，一種是采用機械高度閥手動(dòng)調節，即通過(guò)高度閥閥門(mén)的開(kāi)啟調節對空氣氣囊的充放氣，從而保持車(chē)輛恒定的行駛高度。另一種為電子控制，使傳統空氣懸架系統的性能得到很大改善，汽車(chē)在各種路況、各種工況條 件下能實(shí)現主動(dòng)調節、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靈敏度。

電子控制空氣懸架代表了目前汽車(chē)空氣懸架的發(fā)展方向。據了解，國際上汽車(chē)懸架的發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧→氣囊復合式懸架→被動(dòng)全空氣懸架→主動(dòng)全空氣懸架 (即ECAS系統)”的變化過(guò)程。目前ECAS系統在歐洲部分大客車(chē)上已經(jīng)開(kāi)始應用。隨著(zhù)車(chē)輛控制技術(shù)的發(fā)展，電子控制逐漸取代傳統的機械控制，ECAS 系統這種先進(jìn)的空氣懸架系統將成為汽車(chē)懸架的一個(gè)發(fā)展方向。

　　目前電子控制空氣懸架在國內客車(chē)上已經(jīng)開(kāi)始應用，尤其是城市客車(chē)，比如北京等城市的BRT客車(chē)都采用了這種先進(jìn)的懸架系統，方便老人或殘疾人上下車(chē)。

　　雖然電子控制空氣懸架被認為是客車(chē)的發(fā)展趨勢之一，但距離大面積市場(chǎng)推廣還有很長(cháng)的路。目前電子控制空氣懸架的應用領(lǐng)域還非常窄。僅有少量高檔公交車(chē)以及某些特殊用途的車(chē)輛，為滿(mǎn)足降低車(chē)身高度的要求而采用電子控制空氣懸架。目前空氣懸架在國內客車(chē)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(cháng)的一段時(shí)間內，電子控制空氣懸架在客車(chē)上大量應用不太現實(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(chē)廠(chǎng)都在控制成本，對于懸架，只要空氣氣囊高度可調就基本滿(mǎn)足要求了，不需要昂貴的電控系統來(lái)自動(dòng)調節。一種先進(jìn)產(chǎn)品的推廣主要靠政府法規的引導，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(méi)有大幅提高，也沒(méi)有法規強制安裝的情況下，電子控制空氣懸架的市場(chǎng)前景并不被看好。

　　客車(chē)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)間內仍將是應用最廣泛的懸架系統，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化懸架結構和參數可以繼續提升懸架性能。主動(dòng)懸架性能優(yōu)越，出于成本原因還只能成為高級轎車(chē)和賽車(chē)的裝備。它的研究重點(diǎn)在于高性能的執行器和基于神經(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，應該是今后懸架系統的主要發(fā)展方向。研究性能可靠，調節方便的可調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(chē)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共同支撐車(chē)體，根據汽車(chē)變化的承載量，由油氣部件調節懸架的水平位置，使彈簧保持正常的使用位置；阻尼可調節減振器：由傳感器感知汽車(chē)行駛時(shí)的狀況，包括載荷的大小、路面的不平、是否轉向、是否加速或制動(dòng)等，經(jīng)電控單元分析判斷，通過(guò)電磁閥液壓系統，調節減振器的阻尼。此項技術(shù)又成為半主動(dòng)懸架技術(shù)；全主動(dòng)懸架技術(shù)：通過(guò)電液系統不僅調節阻尼而且調節彈力、水平位置等。

　　針對懸架系統的非線(xiàn)性特點(diǎn)，研究適宜的懸架系統電控技術(shù)是汽車(chē)懸架系統振動(dòng)性能改進(jìn)的方向。懸架位于車(chē)身與輪胎之間，對車(chē)輛的運動(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(chē)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)現這種對懸架的優(yōu)化控制的方式之一，是利用“預知傳感器”進(jìn)行預知控制的“預知控制懸架”。目前已提出了多種的方案，并期待著(zhù)這種新式傳感器的出現。另一方面，從地球環(huán)境來(lái)考慮，為進(jìn)一步節約能源，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 )控制等應用于懸架方面的研究。

　　從外表上看似簡(jiǎn)單的懸架，包含著(zhù)多種力的合作，是現代客車(chē)十分關(guān)鍵的部件之一。隨著(zhù)客車(chē)結構和功能的不斷改進(jìn)和完善，研究客車(chē)振動(dòng)，設計新型懸架電控系統，將振動(dòng)控制到最低水平是提高現代客車(chē)品質(zhì)的重要措施。目前，客車(chē)懸架系統已進(jìn)入到利用電子控制器進(jìn)行控制的時(shí)代。運用較優(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(chē)懸架系統發(fā)展的主要方向。