基于AMESim的电子控制空气悬架系统特性的分析

林良高

摘 要：本文通过热力学与流体力学对某种电子控制空气悬架系统进行相关的数学模型搭建，基于AMESim软件的功能进行元件与子模型的仿真搭建，同时对该空气悬架系统的性能加以仿真模拟，仿真效果良好，并获取剛度及阻尼特性，再通过试验台实践性试验，发现该模型能够有效仿真电子控制空气悬架系统的特性。

关键词：AMESim；电子控制；空气悬架系统；特性仿真

目前，许多发达国家的大型客车基本全部使用了ECAS系统，重型载货车使用ECAS的比例也达到了85%以上，部分的轿车目前也逐渐开始安装空气悬架，而对于特种车辆，像救护车、消防车等则必须安装空气悬架。

国外车辆空气悬架经历了几个主要阶段的发展，ECAS的电子控制系统能够让车辆在不同路况的路面实现主动调节与控制，具有很高的适用性。而我国对空气悬架的应用水平目前还远远落后于国外，近几年随着高档车数量的增多，人们开始重视汽车的舒适性，这才使得空气悬架逐步在国内应用起来。

由于电子控制空气悬架系统的特性决定了车辆的安全稳定性，因此，在对ECAS应用之前进行全面的数据特性模拟分析具有重要意义。

一、ECAS系统的简介与特性分析

ECAS诞生于1986年，由威伯科汽车公司发明，全称为electronic-controlled air suspension，ECAS的制造与应用让全世界的车辆首次拥有电子控制空气悬架系统。ECAS能够让车辆在路况较差的路段进行高度调整，减轻车辆震荡的影响，同时能够通过气囊改变客车侧门高度，有助于一些行动不便的乘客搭乘。

（一）ECAS系统组成

ECAS系统主要由电子控制单元、高度传感器、电磁阀、气囊等部件组成，如图1所示。

（二）ECAS工作原理

它的基本工作原理是将高度传感器安装于车架上，通过摆杆与桥连接，当车身与桥高度变化时，高度传感器内产生感应电流，电信号传至ECU，进而与设定高度比较，给出控制信号，通过气囊的充放气来实现车身高度的恒定。

（三）ECAS功能特性

1.底盘升降功能

车辆行驶在一些复杂路段时，底盘过低可能会对车辆造成一些损害，ECAS能够控制底盘的高度，保证底盘适应路况，确保车辆行驶安全。

2.调节过程加快

通过采用截面较大的出气口电磁阀，能够有效降低调节速度，实现及时的调节控制。

3.降低空气消耗

车辆振动行驶中会产生较大的空气消耗，ECAS对机械高度阀的控制，能够有效降低空气消耗。

（四）ECAS主要组成部件结构原理

1.悬架控制开关

这是一种安装于变速器操作杆周边的双翘板式开关，主要有LRC开关与高度控制开关。其中LRC开关用于对减振器阻尼力以及蛋黄刚度的选择，并且其操作状况能够从仪表盘中得到显示；高度控制开关，顾名思义是进行汽车高度控制的开关，其操作状态也能够从仪表盘中得以显示。

2.转向角度传感器

这是安装于转向轴的设备，通过光灵敏晶体管进行转向信息的检测，包括转向角度与方向。其工作原理是槽孔圆盘转动结合遮光器进光信号与开关信号的转换。

二、对某种ECAS系统的AMESim仿真模型建立

（一）构建数学模型

1.空气弹簧数学模型

2.减振器数学模型

减振器的运行过程中，分为压缩与回弹两个部分，除了液体流向相反，其余的原理形式均相同。在实际的运行中，减振器的活塞相对减振器油缸作向下垂直运动，容积受压缩变小，油液一部分流入上腔，一部分流入回油腔，进而流入上腔，一部分通过流通孔流入补偿腔，一部分流入阻尼调节器中，进而流入回油腔，在流入上腔。

公式中对应符号分别表示为：t时刻气体压力、气体体积、补偿腔油液流量、初始时刻气体压力、初始时刻气体体积。

（二）仿真模型的建立

基于AMESim软件进行元件选定，对以上ECAS数学模型进行系统仿真搭建，同时设立相应的子模型，同时搭建空气弹簧、可调阻尼减震器一系列部件模型，再通过调节电磁阀输入信号，控制开闭。实验中，对仿真模型施加0.05m振幅，频率采用0.2-1.0Hz共五种。

（三）仿真与试验结果对比

试验发现，一定频率下，悬架系统有4种工况变化情况：

仿真模型在单个周期内减振器能量消耗的结果与试验结果对比为下表：

由此表可得，该模型能够准确表达4中工况能耗的相连关系，其中，不通工况下能耗最多，全通工况下能耗最少，上通时减震系统回弹时与全通工况吻合，进而产生叠加效果，能耗巨大，下通工况与上通原理能耗情况基本相同。上通与下通时，单个周期能耗相差较小，在全通或不通能耗之间。在减振器阻尼力與速度的关系上，试验发现震荡速度越高，阻尼力越高。不通工况下阻尼力最大，全通下最小，上通与下通，分别在压缩过程与拉伸过程阻力为最大值，相反在拉伸与压缩过程为最小值。通过试验分析可知，该仿真模型能够较好反应悬架系统能耗情况，准确表达悬架行程中间位置速度与阻尼力的关系，较强地反映出ECAS系统的刚度特性。

三、结语

通过对ECAS的结构以及原理进行分析阐述，提出ECAS所具备的优势，并对某种ECAS系统进行数学模型构建，进而基于AMESim系统进行仿真处理，通过对悬架系统减振器性能的试验分析，对ECAS进行特性分析，得知该模型能够有效对悬架刚度、阻尼特性等进行仿真。

参考文献：

[1] 马莉，等.减振器一体式空气悬架的试验及静刚度特性研究[J].汽车技术，2014（9）：52-55.

[2] 刘跃明，等.奔驰 W220 型空气悬架系统分析[J].拖拉机与农用运输车，2015（5）：69-71.