客車電控空氣懸架系統(tǒng)研究及其發(fā)展趨勢

　　隨著系統(tǒng)應用的推廣和車輛控制技術(shù)的發(fā)展，電子控制逐漸取代傳統(tǒng)的機械控制電子控制系統(tǒng)，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(振動衰減力)、彈性常數(shù)、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(gòu)。

　　客車的電子控制主動懸架

　　對主動懸架的研究目前主要集中兩個方面:一個是控制策略;另一個是執(zhí)行器。最早的主動懸架控制策略是天棚原理，假設(shè)車身上方有一固定的慣性參考，在車身和慣性參考之間有一阻尼器，執(zhí)行器模擬此阻尼器的作用力來衰減車身的振動。這種控制算法簡單，在國外某些車型上已經(jīng)得到了應用。

　　隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，提出了主動懸架的最優(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(guī)律有三種:線性最優(yōu)控制、HQ最優(yōu)控制和最優(yōu)預見控制。

　　由于實際懸架系統(tǒng)中有許多非線性的、時變的、高階動力系統(tǒng)，使最優(yōu)控制方法變得不穩(wěn)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(shù)識別功能，能適應懸架載荷和元件特性的變化，自動調(diào)整控制參數(shù)，保持性能最優(yōu)。自適應控制方法也有增益調(diào)度控制、模型參考自適應控制和自校正控制三類。

　　在德國大眾汽車公司的底盤上應用了自適應控制規(guī)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調(diào)節(jié)輸入變量的組合、隸屬函數(shù)的參數(shù)和模糊規(guī)則數(shù)目等學習功能，計算機仿真結(jié)果表明該方法更有效。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個由大量處理單元組成的高度并行的非線性動力系統(tǒng)，它能進行數(shù)據(jù)融合、學習適應性和并行處理，研究表明它比傳統(tǒng)控制有更好的性能。

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

　　日產(chǎn)公司則開發(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(jié)合起來，使路面不平整引起的振動被蓄能器吸收，車身隔振由主動阻尼和被動阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不過液壓動力系統(tǒng)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(shù)字運算，誤差的檢測與放大、測試與補償、自動化與實現(xiàn)遠距離等功能不如電氣系統(tǒng)靈活準確等。因此現(xiàn)在執(zhí)行器的研究主要集中在直線伺服電機、電磁蓄能器的方向。

　　電氣動力系統(tǒng)中的直線伺服電機具有較多的優(yōu)點，永磁直流直線伺服電機，其驅(qū)動性能優(yōu)于液壓系統(tǒng)，今后將會取代液壓執(zhí)行機構(gòu)。運用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計自校正控制器，可望設(shè)計出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應主動懸架。

　　客車ECAS系統(tǒng)的功能和優(yōu)勢

　　汽車車架(或車身)若直接安裝于車橋(或車輪)上，由于道路不平，由于地面沖擊使貨物和人會感到十分不舒服，這是因為沒有懸架裝置的原因。汽車懸架是車架 (或車身)與車軸(或車輪)之間的彈性聯(lián)結(jié)裝置的統(tǒng)稱。它的作用是彈性地連接車橋和車架(或車身)，緩和行駛中車輛受到的沖擊力。保證貨物完好和人員舒適；

　　衰減由于彈性系統(tǒng)引進的振動，使汽車行駛中保持穩(wěn)定的姿勢，改善操縱穩(wěn)定性；同時懸架系統(tǒng)承擔著傳遞垂直反力，縱向反力(牽引力和制動力)和側(cè)向反力以及這些力所造成的力矩作用到車架(或車身)上，以保證汽車行駛平順；

　　并且當車輪相對車架跳動時，特別在轉(zhuǎn)向時，車輪運動軌跡要符合一定的要求，因此懸架還起使車輪按一定軌跡相對車身跳動的導向作用。客車電子控制空氣懸架系統(tǒng)(ECAS)系統(tǒng)常有如下功能和優(yōu)勢。

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

　　(2)側(cè)傾功能。此功能是用于城市公交車的專用功能。當車輛到站時，車門側(cè)空氣氣囊放氣，如只有前車門則將該側(cè)前左右二個空氣氣囊同時放氣，如有前、后兩個車門，則該側(cè)后空氣氣囊放氣車門側(cè)的踏步高度可自動降低，便于嬰兒車、輪椅車的上下，方便老、幼年乘客和殘障人士乘車。

　　ECAS可以實現(xiàn)對側(cè)傾高度的設(shè)定和控制，有單側(cè)側(cè)傾或單軸側(cè)傾多種方式供選擇，同時系統(tǒng)監(jiān)視安裝在車門下的接觸開關(guān)來保證降低過程的安全性，如果接觸開關(guān)在降低過程中有反應，客車將自動回復到正常行車高度。

(3)車輛限高功能。E CAS可以設(shè)置車輛的最低和最高底盤高度。一旦達到設(shè)定的最低和最高位置，電控單元將自動結(jié)束高度調(diào)節(jié)。

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

　　(5)快速調(diào)節(jié)過程。由于采用大截面進(出)氣口的電磁閥而使所有升降過程變得非常迅速。

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

　　(7)壓力監(jiān)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(cè)傾功能將受限。

　　(8)安全控制。電控單元根據(jù)當前車門開關(guān)信息，判斷是否能提升/下降車輛。

　　(9)維修檢測。專用診斷軟件和檢測設(shè)備，可做到下線時快速檢測及調(diào)整；方便的閃碼功能，便于售后維修檢測。

　　在我國，ECAS已走進了高檔公交車和旅游車市場，它的功能性和便利性越來越多的被市場所接受。在我國公交市場上，已經(jīng)開始規(guī)模使用帶ECAS 的城市公交車，相信隨著我國城市公交車的性能提升和產(chǎn)品換代，可以實現(xiàn)車身“側(cè)傾”功能的ECAS系統(tǒng)，將越來越多的出現(xiàn)在城市公交市場，給公共交通事業(yè)增添人文色彩。

　　客車ECAS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

　　ECAS系統(tǒng)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輛高度(車架和車橋間的距離) 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，如車速信息、制動信息、車門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，判斷當前車輛狀態(tài)按照其內(nèi)部的控制邏輯，激發(fā)電磁閥工作，電磁閥實現(xiàn)對各個空氣氣囊的充放氣調(diào)節(jié)。

　　ECAS的一個主要優(yōu)點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出氣口，然而不管電磁閥的反應有多快，可能過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“過沖”。當車輛處于空載狀態(tài)時，由于系統(tǒng)儲氣筒壓力和空載時，空氣氣囊間大的壓差造成氣流速度非常快，導致這種“過沖”更加頻繁。有時“過沖”能導致高度在標準高度周圍長久的振蕩，這種控制過程不是我們所期望的，同時也減少了電磁閥的壽命。因此，要想達到精確的標準高度，控制過程需按照下面的方式進行：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(tǒng)調(diào)整的恰當，將不會出現(xiàn)任何 “過沖”。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的中斷氣體的流通起到了節(jié)流的效果。

　　ECAS電控單元采用脈沖方式控制電磁閥的開啟，根據(jù)當前實際高度與預期調(diào)節(jié)高度的偏差，電控單元計算電磁閥的調(diào)節(jié)脈沖長度，如果需要調(diào)節(jié)的高度量大、由于沒有“過沖”的危險，電控單元將給出一個長的脈沖，同時，快的上升速度將減小脈沖長度，這樣就能精確控制車輛的高度調(diào)節(jié)速度，極大的避免了高度的“過沖”及振蕩調(diào)節(jié)。

　　(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(nèi)，可實現(xiàn)不同高度值的管理和儲存，控制包括正常高度在內(nèi)的多個車輛高度，電控單元負責與診斷工具進行數(shù)據(jù)交換，同時監(jiān)測系統(tǒng)所有部件的操作，檢測并儲存系統(tǒng)故障。

　　(2)電磁閥。電磁閥通常安裝在車架或車架橫梁上。ECAS電磁閥是高度集成化和模塊化的設(shè)計。取決于不同的配置，在通用的外部殼體內(nèi)可以布置不同數(shù)量的電磁閥部件。ECAS組合電磁閥可大大節(jié)省了零部件數(shù)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(cè)傾功能的ECAS 電磁閥，其內(nèi)部就包含6個小的電磁閥，它們組合在一個殼體內(nèi)，實現(xiàn)對前后橋所有空氣氣囊的單獨控制和側(cè)傾控制。4×2客車上前橋裝一個高度傳感器，后橋裝二個高度傳感器。

　　(3)高度傳感器。高度傳感器的外形看起來與機械高度閥相似，它們的安裝方式和安裝位置完全相同，通常布置在車架上。傳感器內(nèi)部包含線圈和樞軸，當車橋與車身之間的距離發(fā)生變化時，高度橫擺桿轉(zhuǎn)動并帶動相應的電樞在線圈中上下直線運動，造成線圈的感應系數(shù)變化，電控單元檢測此感應系數(shù)的變化并將其轉(zhuǎn)換成高度數(shù)字信號。

　　電子控制空氣懸架的市場前景和發(fā)展趨勢

　　不久前，在北京商用車展上，廈門金龍、丹東黃海等客車廠家展出的大型鉸接BRT城市客車均采用了一種新配置——電子控制空氣懸架(ECAS系統(tǒng))。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整車高度的自動升降，還具有側(cè)傾功能，方便行動不便者上下車，大大提高了車輛的舒適性，體現(xiàn)了人性化設(shè)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調(diào)節(jié)，即通過高度閥閥門的開啟調(diào)節(jié)對空氣氣囊的充放氣，從而保持車輛恒定的行駛高度。另一種為電子控制，使傳統(tǒng)空氣懸架系統(tǒng)的性能得到很大改善，汽車在各種路況、各種工況條 件下能實現(xiàn)主動調(diào)節(jié)、主動控制，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空氣懸架的發(fā)展方向。據(jù)了解，國際上汽車懸架的發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧→氣囊復合式懸架→被動全空氣懸架→主動全空氣懸架 (即ECAS系統(tǒng))”的變化過程。目前ECAS系統(tǒng)在歐洲部分大客車上已經(jīng)開始應用。隨著車輛控制技術(shù)的發(fā)展，電子控制逐漸取代傳統(tǒng)的機械控制，ECAS 系統(tǒng)這種先進的空氣懸架系統(tǒng)將成為汽車懸架的一個發(fā)展方向。

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

　　雖然電子控制空氣懸架被認為是客車的發(fā)展趨勢之一，但距離大面積市場推廣還有很長的路。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以及某些特殊用途的車輛，為滿足降低車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(nèi)客車上的使用率僅有10%左右，電子控制空氣懸架更是不足 1%，市場容量非常小。在很長的一段時間內(nèi)，電子控制空氣懸架在客車上大量應用不太現(xiàn)實。畢竟這種高端產(chǎn)品的價格比普通空氣懸架高2~3倍，而整車廠都在控制成本，對于懸架，只要空氣氣囊高度可調(diào)就基本滿足要求了，不需要昂貴的電控系統(tǒng)來自動調(diào)節(jié)。一種先進產(chǎn)品的推廣主要靠政府法規(guī)的引導，以及市場需求的發(fā)展，電子控制空氣懸架也不例外。在市場需求還沒有大幅提高，也沒有法規(guī)強制安裝的情況下，電子控制空氣懸架的市場前景并不被看好。

　　客車電控懸架今后須要解決的技術(shù)

　　被動懸架在一定的時間內(nèi)仍將是應用最廣泛的懸架系統(tǒng)，通過進一步優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以繼續(xù)提升懸架性能。主動懸架性能優(yōu)越，出于成本原因還只能成為高級轎車和賽車的裝備。它的研究重點在于高性能的執(zhí)行器和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制策略方面。半主動懸架性能優(yōu)于被動懸架，成本比主動懸架低得多，應該是今后懸架系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。研究性能可靠，調(diào)節(jié)方便的可調(diào)阻尼減振器和算法簡單有效的控制策略將是半主動懸架走向大眾的必經(jīng)之路。

　　客車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(tǒng)共同支撐車體，根據(jù)汽車變化的承載量，由油氣部件調(diào)節(jié)懸架的水平位置，使彈簧保持正常的使用位置；阻尼可調(diào)節(jié)減振器：由傳感器感知汽車行駛時的狀況，包括載荷的大小、路面的不平、是否轉(zhuǎn)向、是否加速或制動等，經(jīng)電控單元分析判斷，通過電磁閥液壓系統(tǒng)，調(diào)節(jié)減振器的阻尼。此項技術(shù)又成為半主動懸架技術(shù)；全主動懸架技術(shù)：通過電液系統(tǒng)不僅調(diào)節(jié)阻尼而且調(diào)節(jié)彈力、水平位置等。

　　針對懸架系統(tǒng)的非線性特點，研究適宜的懸架系統(tǒng)電控技術(shù)是汽車懸架系統(tǒng)振動性能改進的方向。懸架位于車身與輪胎之間，對車輛的運動性能、乘坐舒適性有重大的影響。按照路面行駛工況最優(yōu)控制，懸架性能以確保車輛行駛性能與乘坐舒適性，電子控制懸架將進一步向高性能方向發(fā)展。作為實現(xiàn)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，并期待著這種新式傳感器的出現(xiàn)。另一方面，從地球環(huán)境來考慮，為進一步節(jié)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。

　　從外表上看似簡單的懸架，包含著多種力的合作，是現(xiàn)代客車十分關(guān)鍵的部件之一。隨著客車結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進和完善，研究客車振動，設(shè)計新型懸架電控系統(tǒng)，將振動控制到最低水平是提高現(xiàn)代客車品質(zhì)的重要措施。目前，客車懸架系統(tǒng)已進入到利用電子控制器進行控制的時代。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，是客車懸架系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。