基于AMESim的電子控制空氣懸架系統特性的分析

林良高

摘 要：本文通過熱力學與流體力學對某種電子控制空氣懸架系統進行相關的數學模型搭建，基于AMESim軟件的功能進行元件與子模型的仿真搭建，同時對該空氣懸架系統的性能加以仿真模擬，仿真效果良好，并獲取剛度及阻尼特性，再通過試驗臺實踐性試驗，發現該模型能夠有效仿真電子控制空氣懸架系統的特性。

關鍵詞：AMESim；電子控制；空氣懸架系統；特性仿真

目前，許多發達國家的大型客車基本全部使用了ECAS系統，重型載貨車使用ECAS的比例也達到了85%以上，部分的轎車目前也逐漸開始安裝空氣懸架，而對于特種車輛，像救護車、消防車等則必須安裝空氣懸架。

國外車輛空氣懸架經歷了幾個主要階段的發展，ECAS的電子控制系統能夠讓車輛在不同路況的路面實現主動調節與控制，具有很高的適用性。而我國對空氣懸架的應用水平目前還遠遠落后于國外，近幾年隨著高檔車數量的增多，人們開始重視汽車的舒適性，這才使得空氣懸架逐步在國內應用起來。

由于電子控制空氣懸架系統的特性決定了車輛的安全穩定性，因此，在對ECAS應用之前進行全面的數據特性模擬分析具有重要意義。

一、ECAS系統的簡介與特性分析

ECAS誕生于1986年，由威伯科汽車公司發明，全稱為electronic-controlled air suspension，ECAS的制造與應用讓全世界的車輛首次擁有電子控制空氣懸架系統。ECAS能夠讓車輛在路況較差的路段進行高度調整，減輕車輛震蕩的影響，同時能夠通過氣囊改變客車側門高度，有助于一些行動不便的乘客搭乘。

（一）ECAS系統組成

ECAS系統主要由電子控制單元、高度傳感器、電磁閥、氣囊等部件組成，如圖1所示。

（二）ECAS工作原理

它的基本工作原理是將高度傳感器安裝于車架上，通過擺桿與橋連接，當車身與橋高度變化時，高度傳感器內產生感應電流，電信號傳至ECU，進而與設定高度比較，給出控制信號，通過氣囊的充放氣來實現車身高度的恒定。

（三）ECAS功能特性

1.底盤升降功能

車輛行駛在一些復雜路段時，底盤過低可能會對車輛造成一些損害，ECAS能夠控制底盤的高度，保證底盤適應路況，確保車輛行駛安全。

2.調節過程加快

通過采用截面較大的出氣口電磁閥，能夠有效降低調節速度，實現及時的調節控制。

3.降低空氣消耗

車輛振動行駛中會產生較大的空氣消耗，ECAS對機械高度閥的控制，能夠有效降低空氣消耗。

（四）ECAS主要組成部件結構原理

1.懸架控制開關

這是一種安裝于變速器操作桿周邊的雙翹板式開關，主要有LRC開關與高度控制開關。其中LRC開關用于對減振器阻尼力以及蛋黃剛度的選擇，并且其操作狀況能夠從儀表盤中得到顯示；高度控制開關，顧名思義是進行汽車高度控制的開關，其操作狀態也能夠從儀表盤中得以顯示。

2.轉向角度傳感器

這是安裝于轉向軸的設備，通過光靈敏晶體管進行轉向信息的檢測，包括轉向角度與方向。其工作原理是槽孔圓盤轉動結合遮光器進光信號與開關信號的轉換。

二、對某種ECAS系統的AMESim仿真模型建立

（一）構建數學模型

1.空氣彈簧數學模型

2.減振器數學模型

減振器的運行過程中，分為壓縮與回彈兩個部分，除了液體流向相反，其余的原理形式均相同。在實際的運行中，減振器的活塞相對減振器油缸作向下垂直運動，容積受壓縮變小，油液一部分流入上腔，一部分流入回油腔，進而流入上腔，一部分通過流通孔流入補償腔，一部分流入阻尼調節器中，進而流入回油腔，在流入上腔。

公式中對應符號分別表示為：t時刻氣體壓力、氣體體積、補償腔油液流量、初始時刻氣體壓力、初始時刻氣體體積。

（二）仿真模型的建立

基于AMESim軟件進行元件選定，對以上ECAS數學模型進行系統仿真搭建，同時設立相應的子模型，同時搭建空氣彈簧、可調阻尼減震器一系列部件模型，再通過調節電磁閥輸入信號，控制開閉。實驗中，對仿真模型施加0.05m振幅，頻率采用0.2-1.0Hz共五種。

（三）仿真與試驗結果對比

試驗發現，一定頻率下，懸架系統有4種工況變化情況：

仿真模型在單個周期內減振器能量消耗的結果與試驗結果對比為下表：

由此表可得，該模型能夠準確表達4中工況能耗的相連關系，其中，不通工況下能耗最多，全通工況下能耗最少，上通時減震系統回彈時與全通工況吻合，進而產生疊加效果，能耗巨大，下通工況與上通原理能耗情況基本相同。上通與下通時，單個周期能耗相差較小，在全通或不通能耗之間。在減振器阻尼力與速度的關系上，試驗發現震蕩速度越高，阻尼力越高。不通工況下阻尼力最大，全通下最小，上通與下通，分別在壓縮過程與拉伸過程阻力為最大值，相反在拉伸與壓縮過程為最小值。通過試驗分析可知，該仿真模型能夠較好反應懸架系統能耗情況，準確表達懸架行程中間位置速度與阻尼力的關系，較強地反映出ECAS系統的剛度特性。

三、結語

通過對ECAS的結構以及原理進行分析闡述，提出ECAS所具備的優勢，并對某種ECAS系統進行數學模型構建，進而基于AMESim系統進行仿真處理，通過對懸架系統減振器性能的試驗分析，對ECAS進行特性分析，得知該模型能夠有效對懸架剛度、阻尼特性等進行仿真。

參考文獻：

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