客车电控空气悬架系统及其发展趋势

威巴克空气弹簧在客车上应用

    随着人们对车辆乘坐舒适性要求的提高和我国客车悬架技术的发展，空气悬架在客车上的应用日益广泛。传统的空气悬架控制模式是采用机械高度阀，即通过高度阀阀门的开启调节对空气悬架气囊的充放气，从而保持车辆恒定的行驶高度。随着系统应用的推广和车辆控制技术的发展， 电子 控制逐渐取代传统的机械控制 电子 控制系统，不仅提高了操作的舒适性和反应的灵敏度，而且可以附加很多辅助功能。

    为了确保悬架的主要特性，即避振性(振动衰减力)、弹性常数、 减振 器行程，不断研制成功了能适应各种行驶工况的最优控制机构。

    客车的 电子 控制主动悬架

    对主动悬架的研究目前主要集中两个方面:一个是控制策略;另一个是执行器。最早的主动悬架控制策略是天棚原理，假设车身上方有一固定的惯性参考，在车身和惯性参考之间有一阻尼器，执行器模拟此阻尼器的作用力来衰减车身的振动。这种控制算法简单，在国外某些车型上已经得到了应用。随着现代控制理论的发展，提出了主动悬架的最优控制方法，它比天棚原理考虑了更多的变量，控制效果更好，目前最优控制规律有三种:线性最优控制、HQ最优控制和最优预见控制。由于实际悬架系统中有许多非线性的、时变的、高阶动力系统，使最优控制方法变得不稳定，为此又发展了自适应控制方法。自适应控制方法具有参数识别功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持性能最优。自适应控制方法也有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制三类。在德国大众汽车公司的 底盘 上应用了自适应控制规律。目前发展最迅速的控制策略是智能控制(模糊控制和神经网络控制)。模糊控制方法具有制动调节输入变量的组合、隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能，计算机仿真结果表明该方法更有效。神经网络是一个由大量处理单元组成的高度并行的非线性动力系统，它能进行数据融合、学习适应性和并行处理，研究表明它比传统控制有更好的性能。

    执行器是实现控制目标的重要环节，因此作对动器的研究也是主动悬架研究的重要内容。为保证主动悬架的良好性能，执行器必须具有灵敏、隐定、可靠、能耗低、成本和总量低等特点。目前主动悬架上应用的执行器主要是液力式结构。日产公司则开发了蓄能式 减振 器，它将压力控制阀同小型蓄能器及液压缸结合起来，使路面不平整引起的振动被蓄能器吸收，车身隔振由主动阻尼和被动阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不过液压动力系统尚有许多不足之处，比如对工作环境有一定要求;元件制造精度要求高、成本难以下降;处理小信号的数字运算，误差的检测与放大、测试与补偿、自动化与实现远距离等功能不如电气系统灵活准确等。因此现在执行器的研究主要集中在直线伺服电机、电磁蓄能器的 方向 。

    电气动力系统中的直线伺服电机具有较多的优点，永磁直流直线伺服电机，其驱动性能优于液压系统，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架。

    客车ECAS系统的功能和优势

    汽车车架(或车身)若直接安装于车桥(或车轮)上，由于道路不平，由于地面冲击使货物和人会感到十分不舒服，这是因为没有悬架装置的原因。汽车悬架是车架(或车身)与车轴(或车轮)之间的弹性联结装置的统称。它的作用是弹性地连接车桥和车架(或车身)，缓和行驶中车辆受到的冲击力。保证货物完好和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力以及这些力所造成的力矩作用到车架(或车身)上，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。客车 电子 控制空气悬架系统(ECAS)系统常有如下功能和优势。

    (1)车辆升降功能。车辆行驶时，ECAS维持正常 底盘 高度，在特殊路况和行驶条件下，可通过控制开关提升或者降低车辆的 底盘 高度，方便车辆轮渡或者通过隧道。ECAS还允许电控单元设置车辆速度，通过车速控制整车高度，比如当车速达到20km/h时，车辆可自动回复正常行程高度。

    (2)侧倾功能。此功能是用于城市公交车的专用功能。当车辆到站时， 车门 侧空气气囊放气，如只有前 车门 则将该侧前左右二个空气气囊同时放气，如有前、后两个 车门 ，则该侧后空气气囊放气 车门 侧的踏步高度可自动降低，便于婴儿车、轮椅车的上下，方便老、幼年乘客和残障人士乘车。

    ECAS可以实现对侧倾高度的设定和控制，有单侧侧倾或单轴侧倾多种方式供选择，同时系统监视安装在 车门 下的接触开关来保证降低过程的安全性，如果接触开关在降低过程中有反应，客车将自动回复到正常行车高度。

    (3)车辆限高功能。ECAS可以设置车辆的最低和最高 底盘 高度。一旦达到设定的最低和最高位置，电控单元将自动结束高度调节。

    (4)高度集成化的系统。系统零部件少，安装简单降低装配成本。

    (5)快速调节过程。由于采用大截面进(出)气口的电磁阀而使所有升降过程变得非常迅速。

    (6)减少空气消耗。避免车辆正常行驶振动过程中的空气消耗。以低地板城市客车为例与机械高度阀控制的空气悬架系统相比，ECAS可节省大约25％的空气消耗。

    (7)压力监视功能。电控单元检测供气压力，处于安全的考虑如果气压低于一定值，下降和侧倾功能将受限。

    (8)安全控制。电控单元根据当前 车门 开关信息，判断是否能提升/下降车辆。

    (9)维修检测。专用诊断软件和检测设备，可做到下线时快速检测及调整；方便的闪码功能，便于售后维修检测。

    在我国，ECAS已走进了高档公交车和旅游车市场，它的功能性和便利性越来越多的被市场所接受。在我国公交市场上，已经开始规模使用带ECAS的城市公交车，相信随着我国城市公交车的性能提升和产品换代，可以实现车身“侧倾”功能的ECAS系统，将越来越多的出现在城市公交市场，给公共交通事业增添人文色彩。

    客车ECAS系统的结构原理

    ECAS系统主要由电控单元(ECU)、电磁阀、高度传感器、空气气囊等部件组成。它的基本工作原理是高度传感器负责检测车辆高度(车架和车桥间的距离)的变化，并把这一信息传递给电控单元，除高度信息外，电控单元还接受其它的输入信息，如车速信息、制动信息、 车门 信息和供气压力信息等，然后电控单元综合所有的输入信息，判断当前车辆状态按照其内部的控制逻辑，激发电磁阀工作，电磁阀实现对各个空气气囊的充放气调节。

    ECAS的一个主要优点是能快速的达到所需的控制高度，这是由于ECAS电磁阀采用大截面的进出气口，然而不管电磁阀的反应有多快，可能过量的空气仍被充入空气气囊，并导致随后的高度高于期望的标准高度，即“过冲”。当车辆处于空载状态时，由于系统储气筒压力和空载时，空气气囊间大的压差造成气流速度非常快，导致这种“过冲”更加频繁。有时“过冲”能导致高度在标准高度周围长久的振荡，这种控制过程不是我们所期望的，同时也减少了电磁阀的寿命。因此，要想达到精确的标准高度，控制过程需按照下面的方式进行：在即将达到标准高度前，减少气流量，降低上升速度。如果系统调整的恰当，将不会出现任何“过冲”。因为电磁阀只能控制气流的通断，不能减少气体的体积，如果用脉冲电流控制电磁阀，那么电磁阀就能短时的中断气体的流通起到了节流的效果。

    ECAS电控单元采用脉冲方式控制电磁阀的开启，根据当前实际高度与预期调节高度的偏差，电控单元计算电磁阀的调节脉冲长度，如果需要调节的高度量大、由于没有“过冲”的危险，电控单元将给出一个长的脉冲，同时，快的上升速度将减小脉冲长度，这样就能精确控制车辆的高度调节速度，极大的避免了高度的“过冲”及振荡调节。

    (1)电控单元。电控单元(电控单元)通常安装在驾驶室或者电气盒内，可实现不同高度值的管理和储存，控制包括正常高度在内的多个车辆高度，电控单元负责与诊断工具进行数据交换，同时监测系统所有部件的操作，检测并储存系统故障。

    (2)电磁阀。电磁阀通常安装在车架或车架横梁上。ECAS电磁阀是高度集成化和模块化的设计。取决于不同的配置，在通用的外部壳体内可以布置不同数量的电磁阀部件。ECAS组合电磁阀可大大节省了零部件数量和安装空间以及装配费用。为了降低排气噪声，电磁阀排气口带有消音器。例如，带侧倾功能的ECAS电磁阀，其内部就包含6个小的电磁阀，它们组合在一个壳体内，实现对前后桥所有空气气囊的单独控制和侧倾控制。4×2客车上前桥装一个高度传感器，后桥装二个高度传感器。

    (3)高度传感器。高度传感器的外形看起来与机械高度阀相似，它们的安装方式和安装位置完全相同，通常布置在车架上。传感器内部包含线圈和枢轴，当车桥与车身之间的距离发生变化时，高度横摆杆转动并带动相应的电枢在线圈中上下直线运动，造成线圈的感应系数变化，电控单元检测此感应系数的变化并将其转换成高度数字信号。

    电子 控制空气悬架的市场前景和发展趋势

    不久前，在北京商用车展上，厦门金龙、丹东黄海等客车厂家展出的大型铰接BRT城市客车均采用了一种新配置—— 电子 控制空气悬架(ECAS系统)。该系统能够实现整车高度的自动升降，还具有侧倾功能，方便行动不便者上下车，大大提高了车辆的舒适性，体现了人性化设计理念。

    目前空气悬架控制模式主要有两种，一种是采用机械高度阀手动调节，即通过高度阀阀门的开启调节对空气气囊的充放气，从而保持车辆恒定的行驶高度。另一种为 电子 控制，使传统空气悬架系统的性能得到很大改善，汽车在各种路况、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制，并增加了许多辅助功能(如故障诊断功能等)，提高了悬架操作舒适性和反应灵敏度。

    电子 控制空气悬架代表了目前汽车空气悬架的发展 方向 。据了解，国际上汽车悬架的发展经历了“钢板弹簧→气囊复合式悬架→被动全空气悬架→主动全空气悬架(即ECAS系统)”的变化过程。目前ECAS系统在欧洲部分大客车上已经开始应用。随着车辆控制技术的发展， 电子 控制逐渐取代传统的机械控制，ECAS系统这种先进的空气悬架系统将成为汽车悬架的一个发展 方向 。

    目前 电子 控制空气悬架在国内客车上已经开始应用，尤其是城市客车，比如北京等城市的BRT客车都采用了这种先进的悬架系统，方便老人或残疾人上下车。

    虽然 电子 控制空气悬架被认为是客车的发展趋势之一，但距离大面积市场推广还有很长的路。目前 电子 控制空气悬架的应用领域还非常窄。仅有少量高档公交车以及某些特殊用途的车辆，为满足降低车身高度的要求而采用 电子 控制空气悬架。目前空气悬架在国内客车上的使用率仅有10%左右， 电子 控制空气悬架更是不足1%，市场容量非常小。在很长的一段时间内， 电子 控制空气悬架在客车上大量应用不太现实。毕竟这种高端产品的价格比普通空气悬架高2~3倍，而整车厂都在控制成本，对于悬架，只要空气气囊高度可调就基本满足要求了，不需要昂贵的电控系统来自动调节。一种先进产品的推广主要靠政府法规的引导，以及市场需求的发展， 电子 控制空气悬架也不例外。在市场需求还没有大幅提高，也没有法规强制安装的情况下， 电子 控制空气悬架的市场前景并不被看好。

    客车电控悬架今后须要解决的技术

    被动悬架在一定的时间内仍将是应用最广泛的悬架系统，通过进一步优化悬架结构和参数可以继续提升悬架性能。主动悬架性能优越，出于成本原因还只能成为高级轿车和赛车的装备。它的研究重点在于高性能的执行器和基于神经网络的控制策略方面。半主动悬架性能优于被动悬架，成本比主动悬架低得多，应该是今后悬架系统的主要发展 方向 。研究性能可靠，调节方便的可调阻尼 减振 器和算法简单有效的控制策略将是半主动悬架走向大众的必经之路。

    客车悬架今后须要解决的技术有：油气悬架技术：由油气部件和弹簧系统共同支撑车体，根据汽车变化的承载量，由油气部件调节悬架的水平位置，使弹簧保持正常的使用位置；阻尼可调节 减振 器：由传感器感知汽车行驶时的状况，包括载荷的大小、路面的不平、是否转向、是否加速或制动等，经电控单元分析判断，通过电磁阀液压系统，调节 减振 器的阻尼。此项技术又成为半主动悬架技术；全主动悬架技术：通过电液系统不仅调节阻尼而且调节弹力、水平位置等。

    针对悬架系统的非线性特点，研究适宜的悬架系统电控技术是汽车悬架系统振动性能改进的 方向 。悬架位于车身与 轮胎 之间，对车辆的运动性能、乘坐舒适性有重大的影响。按照路面行驶工况最优控制，悬架性能以确保车辆行驶性能与乘坐舒适性， 电子 控制悬架将进一步向高性能 方向 发展。作为实现这种对悬架的优化控制的方式之一，是利用“预知传感器”进行预知控制的“预知控制悬架”。目前已提出了多种的方案，并期待着这种新式传感器的出现。另一方面，从地球环境来考虑，为进一步节约能源，悬架控制向高压力化、高电压化、小型轻量化发展。在控制理论方面正在致力于模糊逻辑控制、神经网络控制等应用于悬架方面的研究。

    从外表上看似简单的悬架，包含着多种力的合作，是现代客车十分关键的部件之一。随着客车结构和功能的不断改进和完善，研究客车振动，设计新型悬架电控系统，将振动控制到最低水平是提高现代客车品质的重要措施。目前，客车悬架系统已进入到利用 电子 控制器进行控制的时代。运用较优的控制方法，得到高性能的 减振 效果，且使能耗尽可能的低，是客车悬架系统发展的主要 方向 。

    随着人民生活水平的提高，城市客车的设计越来越考虑以人为本的思想。采用 电子 控制空气悬架系统(ECAS)不仅可提高乘坐舒适性，而且其高度调节功能的实现使乘客上下车更方便，同时因为空气弹簧的动态运动影响控制过程，与传统空气悬架相比，其耗气量较少。ECAS系统通过在低地板城市客车上应用，可靠性试验及实际使用情况看是非常成功的。城市客车安装ECAS系统必将成为未来的发展趋势。