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空气悬架高度阀对卡车驾驶室舒适性影响的 试验研究

2019-06-19 12:03:01·  来源：《汽车实用技术》  作者：张小刚  
　
摘要：空气悬架作为一种先进的悬置系统，在国内重型卡车驾驶室上得到越来越多的应用，高度阀是其中关键控制元件。由于理论模拟和计算的复杂性，通常认为悬置系统
摘要：空气悬架作为一种先进的悬置系统，在国内重型卡车驾驶室上得到越来越多的应用，高度阀是其中关键控制元件。由于理论模拟和计算的复杂性，通常认为悬置系统中，卡车驾驶室舒适性只取决于减震器以及气囊等元件的特性。通过长期大量针对性的对比试验，确定了不同类型高度阀对驾驶室舒适性也存在较大影响；取决于高度阀不同的流量特性以及横摆杆尺寸。

关键词：空气悬架；高度阀；驾驶室；舒适性

前言
 
近几年，空气悬挂在重型卡车驾驶室上得到越来越多的应用，甚至很多安装螺旋弹簧的老旧车型，也逐步更新换代，配置了空气悬挂系统。这种配置提升，对驾驶员特别是长途运输驾驶员来讲，是一种非常积极的改进，它极大改善了驾乘舒适性，提高了用户体验。纵观国内市场，由于相关法规的影响，几乎所有的主流重型卡车驾驶室都是采用平头设计，其空气弹簧通常是位于前后左右四个支撑点，或者仅位于两个支撑点（通常是驾驶室后方）。由于理论计算和模拟分析的复杂性，通常认为空气悬挂系统中，卡车驾驶室舒适性只取决于减震器以及气囊等元件的特性，而认为高度阀对驾驶室舒适性没有任何影响，从而将高度阀作为一个准标准件，采用相同的流量特性和结构尺寸，应用于任何形态的驾驶室设计和空气悬挂设计中。这种做法，从越来越精细化差异化的商用车设计角度来看，显然是有欠妥当的。因此，从2013年6月开始，在国内相关重卡厂商的配合下，以高度阀为核心，完成了大量的针对重卡驾驶室舒适性的对比试验，以确定不同类型的高度阀是否对驾驶室舒适性存在一定影响，2018年12月得到足够的试验数据后，该试验暂告结束。

1 驾驶室舒适性对比试验的来源和目的

空气悬挂的使用，使卡车驾驶室的舒适性相对橡胶衬套和螺旋弹簧等悬置系统得到显著提升。高度阀作为空气悬挂的核心控制元件，其性能关乎气囊在车身载荷发生变化的情况下能否及时高效地进行充气和放气。针对不同的车型、不同的驾驶室设计和空气悬挂设计，理应采用不同流量特性和结构尺寸的高度阀，以满足不同的气囊响应需求和安装空间等设计需求。但实际经过多年对欧洲和国内重卡驾驶室高度阀使用情况的调研发现，不同的重卡厂商、不同平台的车型和不同空气悬挂厂商，均采用了几乎一模一样的流量特性和横摆杆尺寸的高度阀，如图1和图2所示。

图1 国内常用高度阀流量特性曲线

图2 国内常用高度阀横摆杆长度（200mm）

这种“放之四海而皆准”的做法显然值得怀疑，这是其一；其二，通过与国内部分重卡厂商的技术沟通发现，部分设计人员在重卡开发过程中，车身空间非常有限，但是高度阀尺寸已经固化，迫于无奈只好在其他有可能是关键部件的悬置结构上作出让步，最终导致悬置整体性能低于预期；其三，国内部分重卡厂商发现采用这种流量特性和横摆杆尺寸的高度阀，在实际某些平台应用中，经常出现诸如部分气囊无法充气、驾驶室姿态倾斜、甚至驾驶员感觉特别颠簸的情况，如图3所示。

图3 高度阀无法对气囊充气的问题（国内某型号6X4 牵引车驾驶室）

基于以上三点的考虑，决定在国内部分重卡厂商的配合下，以气囊高度阀为核心，安排针对卡车驾驶室舒适性的一系列对比试验，通过试验数据来加以验证。

2 驾驶室舒适性对比试验方法和条件

2.1 驾驶室舒适性对比试验方法

目前，国内主流重卡厂商均有成熟的驾驶室舒适性评价方法，基本包括主观评价和客观评价两部分。主观评价主要由经验丰富的专职驾驶员以及团队来完成。当车辆以不同速度通过同一段特定状况的道路时，评价人员完全凭自己身体感受，对驾驶室舒适性打分，最后汇总，得到结论。由于参与人员素质差异以及各自身体状况容易造成感觉误判等因素，主观评价通常仅做参考之用。

客观评价即通过在车身安装试验设备获取相关客观试验数据来了解驾驶室舒适性具体指标，通常在卡车驾驶室的驾驶员脚部、座椅以及座椅靠背等位置安放加速度传感器，用来采集车辆以不同速度通过不同特定状况的道路时各方向上的振动加速度值，然后进行数据处理，最终得到试验结果。由于试验车辆和设备的可重复性和再现性较高，因此，客观评价能比较真实反映驾驶室舒适性，故本文所有试验也是基于客观评价而进行的，如图4所示。

图4 重卡驾驶室舒适性试验

为确保试验过程的公正和试验结果的可信度，双方约定，重卡厂商自行提供试验车辆、试验设备以及场地，双方人员共同全程参与试验过程，试验数据由重卡厂商负责采集、处理和公开。

2.2 驾驶室舒适性对比试验的试验条件

为确保舒适性对比试验的针对性，需要对试验条件进行必要的规范，双方经过协商一致同意按以下条件进行试验：

（1）同一重卡厂商的某平台车型舒适性对比试验过程中，试验车辆、试验设备、试验场地、试验人员均保持不变，仅驾驶室所有高度阀更换为不同规格的；即，同一台载有试验设备的试验车辆，分别安装不同高度阀后，在同样的驾驶员操作下，以同样的速度通过同样的路段；

（2）对于不同速段的试验，试验车辆采用不同车速匀速通过，在此过程中由试验设备传感器自行采集振动加速度值。速度范围选取在重型卡车实际常用速段。

3 驾驶室舒适性对比试验结果以及分析

3.1 对比试验结果

从2013年6月份开始到2018年12月止，在国内部分中大型重卡厂商的配合下，在市面购买国内最常用两种类型高度阀，标识为A型和B 型，如图5所示。

图5 国内主要两种类型驾驶室空气悬挂高度阀

保持车辆其他任何零部件以及载荷均不变，先后分别试验安装A、B 两种类型高度阀时，驾驶员座椅（部分试验亦包括副驾驶员座椅）纵向加速度值，陆续完成5轮共计8次对比试验，完成数据整理后，结果如图6到图13所示，横坐标为车速（km/h），纵坐标为加权加速度均方根值（m/s2）。

图6 安徽某重卡厂驾驶员座椅数据

图7 安徽某重卡厂副驾驶员座椅数据

图8 湖北某重卡厂车型1驾驶员座椅数据

图9 湖北某重卡厂车型2驾驶员座椅数据（水泥路）
 
图10 湖北某重卡厂车型2驾驶员座椅数据（沥青路）
 
图11 广西某重卡厂车型1驾驶员座椅数据
 
图12 广西某重卡厂车型2驾驶员座椅数据（水泥路）
 
图13 广西某重卡厂车型2驾驶员座椅数据（沥青路）
 
3.2 对比试验结果分析

对以上数据分析可以看出，除了极个别数据点之外，在绝大多数测试结果中，B型高度阀相对A型高度阀均有明显偏低的纵向加权加速度均方根值（平均偏差约5%到8%），这表明在相同车辆环境下，安装B 型高度阀的驾驶室相对具有更优的平顺性和舒适性。

通过对这两种型号高度阀的流量曲线研究以及在实车调试过程中发现，高度阀横摆杆充气、排气角度超过10°左右时，气囊高度出现快速变化，此位置时的流量高低差异则影响到高度阀大行程冲击时的充、排气速度，进而影响到气囊在经过颠簸路面时的响应时间。图14中，是两种型高度阀流量曲线比较图，以进气过程为例，排气过程与此对称。

图14 A、B两种型号高度阀流量曲线对比（压力0.8MPa）

纵轴为流量值（L/m），横轴为高度阀横摆杆从水平位置向进气位置转过的角度（°）。图中可见在横摆杆位于10°左右的位置时，两种型号高度阀流量开始出现较大分歧，在12°位置时，B型高度阀流量几乎是A型高度阀的两倍。当车辆颠簸时，更高的气流量能更快速对气囊充气（或排气），使气囊维持在其设计高度不变，从而减小驾驶室纵向冲击（加速度），最终得到更优的平顺性和舒适性。

4 结论
 
综上所述，由于重卡驾驶室空气悬挂在国内应用时间较短，国内部分厂商在空气悬挂系统开发过程中，较多地借鉴来自欧洲的原始设计，缺乏针对国内环境以及各自车型的差异化研究、分析和改进。完全照搬国外经验，实际的效果可能远远偏离预期。从全球驾驶室空气悬挂高度阀设计来看，例如北美、韩国和日本等部分车型，有的高度阀可以将流量进行精细化设计，在不需要充、排气的小角度时，流量极低，以达到节省压缩空气的目的，而在大行程时流量又能快速上升，以满足气囊快速响应的需求。与此同时，高度阀的横摆杆尺寸也不是一成不变，而是可以设计得更加紧凑，能适应 更加有限的车身安装空间。 
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