客车电控空气悬架系统研究及其发展趋势

2008-08-19 09:35:49来源: 互联网

  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。E CAS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。

 

关键字:客车

编辑:潘争 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2008/0819/article_434.html
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