商用车电控空气悬架系统仿真与试验

仇 义，戴晓锋，王维伟，方学良，王晓敏，刘晓晓

（1.扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127；2.内蒙古自治区交通运输事业发展中心，内蒙古 呼和浩特 010010）

随着中国经济的迅速发展，商用车市场需求也随之增加，2021 年商用车总销量突破800 万台。随着商用车保有量的增加，商用车暴露的问题也越来越多，主要是车辆超载和由于车辆超载等造成的车辆事故[1-3]。为此，国家更新了机动车安全技术标准GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》 等标准，修正了《中华人民共和国道路交通安全法》等法律法规，从车辆生产源头上避免车辆超载现象，主机厂主要通过加装空气悬架系统避免车辆超载。此外，空气悬架系统还可以有效减少车辆对路面的损坏、提高驾驶舒适性和操控稳定性等[4]。

针对商用车配备空气悬架的迫切性和空气悬架的应用，本文从车辆选型、试验分析、工作参数优化、模拟仿真分析和试验验证等，对商用车空气悬架系统进行优化改进，并对响应速度和能耗等进行详细分析。

1 整体结构和工作原理

1.1 整体结构

阀体和传感器的整体布置方案见图1。将车辆传统的板簧更换为空气弹簧，通过控制空气弹簧内的空气压力，从而调节空气弹簧高低和空气弹簧支撑力。

图1 阀体和传感器的整体布置方案

1.2 工作原理

车辆通过实时调节空气弹簧内的空气，实现对车辆车身高度、车身姿态和空气弹簧支撑力的控制，以保证实现不同车速下的车身高度调节、保持车辆转弯和刹车状态下的车身姿态及保证通过起伏路面时的舒适性。以上均需要系统的及时响应，才能保证执行的灵敏性和快速性。

2 控制系统设计

图2 为优化后的商用车空气悬架的控制系统原理图。该控制系统具有自动和手动两种控制方式。

图2 控制系统原理图

2.1 控制系统硬件

该商用车空气悬架控制系统硬件部分主要由嵌入式微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）、基于控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线协议的车辆信息通信设备、信息采集传感器组、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）驱动模块和电机驱动模块等组成。

2.2 控制策略

该控制策略采用带增压机式闭环控制逻辑，闭环控制是指在控制过程中压缩空气通过增压机一致循环利用，从而不会排放到大气中，可以达到节能降耗和提高响应的目的。同时，借鉴现有商用车控制方式，增加换向阀，可有效提高控制的精准度和响应速度。

3 工作参数确认和试验验证

3.1 模拟仿真分析

利用Creo 三维建模软件，建立空气悬架系统模型，见图3。在该系统模型中，前后桥空气悬架系统均采用单点式空气悬架。建立模型后，根据ADAMS/Car 仿真软件需求进行结构简化和格式转化。

图3 空气悬架系统模型

将Creo 三维建模软件导出的简化模型导入到ADAMS/Car 仿真软件内，见图4。对模型进行定义和结构简化，以方便模型参数设置。

图4 模型参数设置

模型参数设置完成后，对整车空气悬架模型进行不同路况下的模拟仿真。通过ADAMS/Car 仿真软件对空气弹簧垂直支撑力和相对高度进行不同路况下的模拟仿真可以得出，在不同路况下该带增压机式闭环控制均可迅速根据不同路况和车速，对车身姿态进行调整，并可以达到预定的支撑力。

3.2 试验验证

为验证控制逻辑的可行性、响应速度、平衡性和能耗性等，将该控制逻辑添加到数学模型中，然后通过模拟仿真对该控制逻辑进行优化，模拟仿真与实际测试结果见图5。

图5 模拟仿真与测试结果

图5 模拟了储气筒和气囊间不同气压差及空压机开启时间对车身响应的影响，模拟仿真结果见图5 实线部分。同时，为了验证模拟仿真的准确性，将与模拟仿真相同的参数设置在测试车辆上进行测试分析，实际测试结果见图5 虚线部分。

从模拟仿真和实际测试结果可以看出，模拟仿真与实际测试结果相似，偏差在3%以内。此外，图5 中的4 条曲线分别为不同气压差下的气囊压力变化曲线，由于空压机开始时间越长能耗越高，气压差越小充气时间越短但放气时间越长，阀体开启频率越高响应相对越高，因此通过模拟仿真后可得最优结果为：空压机开启时间为3.5 s、电磁阀频率为22 kHz 和气压差为0.56 MPa时，系统响应最快，能耗最低。

4 结论

1）从模拟仿真和实际测试结果可以看出，模拟仿真与实际测试结果相似，偏差在3%以内。

2）通过模拟仿真后，可得最优结果为：空压机开启时间为3.5 s、电磁阀频率为22 kHz 和气压差为0.56 MPa时，系统响应最快，能耗最低。