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【技术分享】空气悬挂系统在重型商用车上的应用

2018-12-18 23:46:31·  来源：李海波；王俊伟等 NGA集团  
　
摘要：分别对空气悬挂系统的特点、结构以及应用现状等进行了阐述，并分析了空气悬挂系统在重型商用车上的技术实现，为空气悬挂系统在国内重型商用车上的应用推广
摘要：分别对空气悬挂系统的特点、结构以及应用现状等进行了阐述，并分析了空气悬挂系统在重型商用车上的技术实现，为空气悬挂系统在国内重型商用车上的应用推广提供了理论基础。 
 
关键词：空气悬挂系统；重型商用车；应用；技术 
一、前言 
 
目前，空气悬挂系统（原称为空气悬架系统）虽然已在欧美等国家和地区的公路型车辆上得到了普及，在国内的客车上也得到了广泛的应用，但是基于成本等因素的原因，在国内重型商用车领域内并未得到推广。然而，随着相关法律法规的深入实施，高速公路及物流业的进一步发展，以及驾驶人员对驾乘舒适性的要求，空气悬挂系统在重型商用车（自卸车除外）的应用必将成为国内商用车的主要发展方向。本文将分别对空气悬挂系统的特点、结构以及应用现状等进行阐述，并分析空气悬挂系统技术如何在重型商用车上得以实现。 
二、空气悬挂系统的特点
 
空气悬挂系统由于结构与功能的特点，其在重型商用车上的应用相对于钢板弹簧悬挂系统而言具有独有的特点。 
2.1 主要优点 
a. 平顺性好：由于空气悬挂系统的主要承载部件为空气弹簧，系统的频率较低，并且空气弹簧的特性是随着载荷的增加，系统的刚度逐渐增加。因此，空气弹簧可实现整车悬挂系统在空、满载情况下系统频率基本上能保持恒定，从而实现整车良好的平顺性和舒适性。此外，由于车辆的振动减小，在一定程度上有利于整车寿命的提高。 
b. 操控方便：目前空气悬挂系统的控制系统多采用[3]ECAS（电子空气悬挂控制系统），通过遥控器或操作面板可以方便地调节整车高度，从而实现车辆与物流平台的无缝连接，极大地提高了货物的运输效率，并且对高速物流的甩挂运输具有重要意义。 
c. 运输效率高：空气悬挂系统的承载介质为空气，相比于钢板弹簧悬挂系统可以实现整车降重2%～4%，从而提高货物运输量。此外，根据GB1589《道路车辆外轮廓尺寸、轴荷及质量质量限值》的标准规定，装配有空气悬挂车辆的最大总质量比普通钢板弹簧车辆可提高1t，这对于提高车辆的运输效率具有重要意义。 
d. 维护方便：空气悬挂系统的导向机构与承载机构多采用免维护设计，消除了钢板弹簧悬挂系统定期润滑维护的弊端，降低了车辆的维护成本，提高了出车率；并且由于导向结构与承载机构为分离设计，系统的维修方便性较钢板弹簧悬挂系统也有更大提高。 
2.2 主要缺点 
a. 成本高：由于空气悬挂系统本身结构的复杂性，使得空气悬挂系统较普通钢板弹簧悬挂成本约高4000～8000元，导致整车成本有所增加，对普通用户的购买具有一定的制约性。 
b. 时效性：空气悬挂系统的关键零部件为空气弹簧总成，其主要材料为橡胶，由于橡胶材料随着使用时间的推移，材料本身会发生老化、蠕变、龟裂等时效性问题，因此空气悬挂系统相比钢板弹簧悬挂的使用寿命会受到一定的限制，一般寿命为3～5年，则需要对空气弹簧进行维护与更换。 
c. 超载性能：空气弹簧为空气悬挂系统的关键承载元件之一，由于受到装配空间的限制，很难同钢板弹簧悬挂一样实现较大的超载余量设计，设计超载系数较小；空气悬挂系统的承载由系统的空气压力所决定，在系统压力的许可范围内可以实现整车的短时间超载需求，但是长时间的超载对空气弹簧的寿命影响较大，因此，采用空气悬挂系统的车辆不适合超载运营。 
三、空气悬挂系统的结构及关键技术
 
空气悬挂系统主要由导向机构、承载元件以及控制系统三个部分组成。 
3.1 导向机构
导向机构是空气悬挂系统的支撑，它对空气悬挂系统的运动学与动力学特性具有决定性作用。目前，重型商用车空气悬挂系统的导向机构采用的导向元件主要有导向臂和导向簧两种结构（如图1、2）。导向臂多为推力杆结构，如图1（a、b）所示。其两端采用橡胶球铰连接结构，以实现系统的柔性化连接。该类结构的导向元件技术已经相当成熟。基于集成化的发展，现在某些空气悬挂系统采用集成型的导向臂结构，如图1（c）所示。该结构由推力杆及稳定杆集成而成，兼具导向推力杆及稳定杆的作用，对于空气悬挂系统的减重作出了重要贡献。该结构多由高强度弹簧钢焊接而成，对材料的焊接工艺具有很高的要求。 
导向簧结构应用于复合式空气悬挂系统中（如图2），除具有导向功能外，还有一定的承载功能。导向簧一般分为直型与Z型两种类型，如图2所示。导向簧的前半段结构与普通钢板弹簧结构相似，主要起到导向与承载的功能，后半段为悬臂梁结构，用于空气弹簧的装配。
图1 导向臂
图2 导向簧
3.2 承载元件
承载元件是影响空气悬挂系统性能的关键部件，它决定了空气悬挂系统的承载能力、舒适性水平以及运动行程，主要包括空气弹簧、承载梁，以及减振器等。 
空气弹簧是空气悬挂系统的关键件，它决定了空气悬挂系统刚度特性与承载性能，空气弹簧的可靠性决定着空气悬挂系统的可靠性。空气弹簧的结构主要有两种：膜式、囊式，如图3（a、b）所示。由于膜式空气弹簧具有良好的刚度特性，所以在商用车空气悬挂系统的应用最为广泛。目前，国内商用车空气悬挂系统的空气弹簧设计多采用选型设计，即依据空气悬挂系统的承载能力、运动行程以及装配空间等要素，通过空气弹簧供应商（如康迪泰克，凡士通等）现有产品进行选型设计。因此，目前空气弹簧总成多为外资品牌，国内几家空气弹 簧生产厂家也多为现有型号的仿制产品，设计开发能力欠缺。 
承载梁是空气弹簧总成装配与承载的部件，如图3（c）所示。主要应用于全气囊空气悬挂系统，多为铸造结构，用于实现空气弹簧与驱动桥的连接。 
空气悬挂系统所配套的减振器具有行程限位功能，在某些极端情况下承担空气悬挂系统的簧下质量，以保证空气弹簧处于合理的行程范围之内。此外，减振器也是空气悬挂系统的重要减振元件，对于提高空气悬挂系统的舒适性具有重要作用。
图3 承载元件
3.3 控制系统
空气悬挂系统的控制系统主要分为机械式、电控式（ECAS）两种类型。随着汽车电子技术的发展，CAN总线的普遍应用，目前机械式控制方式已基本上被电控式所取代。 ECAS控制系统如图4所示，一般由ECU、高度传感器、压力传感器、电磁阀、遥控器等组成。ECU通过对路况、车速、车身 姿态、压力等信息的输入并经计算，再通过控制电磁阀的充放气达到对空气悬挂系统的控制，从而保证车辆的舒适性与操纵稳定性。遥控器可以方便地控制车身高度，实现车身高度与物流平台的无缝连接。此外，ECAS控制系统还可以方便地实现提升悬挂系统的控制，以达到提升桥的提升、载荷的控制，保证车辆的驱动性能。 
图4 ECAS控制系统 
ECAS控制系统根据整车悬挂的机构予以匹配设计：一般整车前后悬挂均为空气悬挂时，ECAS系统采用三点控制，即前悬挂采用1个高度传感器控制，后悬挂采用2个高度传感器控制；如果整车仅只是后悬挂采用空气悬挂时，可采用两点控制或一点控制。一点控制布置相对简单，成本低，并且调校方便，但相较于两点控制，其道路的适应性较差，对于车辆侧倾等无法进行有效控制。 
目前ECAS控制系统技术已经成熟，对于重型商用车空气悬挂系统的匹配应用而言，难点主要集中于系统的标定、关键参数的确定上，尚需主机厂进行大量的试验与验证。
四、空气悬挂系统的应用
 
由于重型商用车前后悬挂载荷巨大的差异性（特别是牵引车，前悬挂系统载荷较小），通过采用刚度较小的少片簧即可以取得优异的舒适性效果，因此空气悬挂系统在重型商用车中多应用于后悬挂系统。基于国外空气悬挂系统的应用发展，目前应用于重型商用车上的空气悬挂结构主要全气囊式空气悬挂和复合式空气两种悬挂结构，具体结构如图5所示。
图5 空气悬挂结构
全气囊式空气悬挂结构如图5（a）所示，通过4个空气弹簧平均承担后桥的竖直载荷。因此，空气弹簧的刚度就是悬挂系统的刚度；系统刚度较低，则可实现整车较好的舒适性。全气囊式空气悬挂采用四连杆机构实现系统的导向功能，一般上杆采用V型推力杆结构，下杠采用I型推力杆结构，同时为提高系统的抗侧倾性能，还会装配有横向稳定杆。四连杆导向机构可实现空气悬挂系统的水平跳动，对后桥定位参数的变化、轴距的变化影响均较小，因此全空气悬挂系统性能较为优异。然而，由于全气囊式空气悬挂系统导向机构设计相当复杂，并且杆系间采用衬套柔性连接，所以系统的整备质量及成本较高， 并且维修方便性相对较差，目前仅为奔驰等欧系重型商用车空气悬挂系统的首选配置。 
全气囊式空气悬挂系统由于自重大、成本高，国内某些主机厂在高端重卡有作为选装配置，但基于成本及承载性能以及用户认可度等因素，目前该配置的重型商用车在国内的销量较小。 
复合式空气悬挂为采用导向簧进行导向并承担部分载荷的空气悬挂结构，如图5（b）所示。该结构的空气悬挂系统采用两个空气弹簧实现系统的大部分承载，由于空气弹簧总成与导 [4]向簧采用并联的关系，空气悬挂系统的刚度K可表达为 ： 
式中，导向簧的杠杆比LAR=B/A，即气囊、钢板到车桥中心线的距离；Kа为空气弹簧的刚度；KA为导向簧前半段刚度。 
当KA >>Kа时，空气悬挂系统刚度Ks可整理简化为： 
        
由式（2）可以看出，对于复合式空气悬挂系统受到导向簧刚度以及导向簧杠杆比的影响，其系统刚度相对较大，对整车舒适性的贡献比全气囊式空气悬挂小，并且由于系统采用导向簧进行导向，悬挂跳动非平动形式，因此对传动系角度及轮距等均有不同程度的影响。然而，由于复合式空气悬挂结构简单，自重相对较轻，且成本低、维修方便，笔者认为该结构的空气悬挂更适合目前中国的重型商用车。
复合式空悬挂系统既满足了重型商用车空气悬挂的配置要求和提高了整车的舒适性，又迎合了当前用户的使用需求（较低的购车成本和较高的运输效率），特别在高速物流行业，该空气悬挂结构更适合国内的客户需要。 
此外，为实现重型商用车的减重与降耗，配有提升机构的空气悬挂系统也已成为未来重型商用车悬挂系统的一项关键技术。如图6为几种主要的提升空气悬挂结构，通过中置或侧置的提升空气弹簧实现系统的提升，一般中置式的提升悬挂系统应用于驱动桥之后，而侧置式的提升空气悬挂系统用于驱动桥之前。提升空气悬挂系统的设计关键在于提升过程中能对导向机构的运动进行校核，以降低运动干涉，减小系统的内摩擦， 从而保证提升空气弹簧的提升。
图6 提升空气悬挂结构
五、综述
 
综上所述，目前国内空气悬挂系统在重型商用车上的应用技术已趋于成熟，但是基于整车成本及承载性能等因素的影响，国内用户对采用空气悬挂系统的重型商用车仍抱有观望态度。随着重型商用车技术的快速发展，基于整车减重、可靠性提高等效益的进一步体现，以及物流行业对运输效率要求的进一步提高，空气悬挂系统在国内重型商用车上的应用将成为必然。

 
本文来自期刊《专用汽车》
作者：李海波；王俊伟；赵刚 
整理编辑：Zoe
 
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