高恩壮 于彦权 闫云雷 王鹏理
【摘 要】空气悬架作为一种重要的悬架类型广泛应用于各类重型卡车上，卡车的多轴化同样丰富了空气悬架的形式。本文将空气悬架大致分为3类，每一类又按照空气悬架中配置的空气弹簧数量将其细分，对常见的电控空气悬架ECAS着重分析气动原理、结构特点，同时介绍市面上一些小众化的空气悬架系统的相关结构和气动原理。
【关键词】空气悬架;电气;气动;提升桥
中图分类号：U463.6 文献标志码：B 文章编号：1003-8639（ 2023 ）05-0082-04
【Abstract】As an important suspension type，air suspension is widely used in all kinds of heavy-duty trucks. The multi-axle truck also enriches the form of air suspension. In this paper，the air suspension is roughly divided into three categories，and each category is subdivided according to the number of air springs configured in the air suspension. The pneumatic principle and structural characteristics of the common electronic control air suspension（ECAS）are emphatically analyzed. At the same time，the relevant structures and pneumatic principles of some niche air suspension systems in the market are introduced.
【Key words】air suspension;electric;pneumatic;lifting axle
作者简介
高恩壮（1990—），男，工程师，主要从事汽车电气工艺及检测工作。
空气悬架对于提升重卡的平顺性、降低自重等方面优势明显，车辆的提升桥功能同样可由空气悬架来实现。
1 电控全空气悬架
1.1 4气囊型全空气悬架
驱动形式为4×2和6×2F（双前轴转向）的车型可装备4气囊型ECAS，这类车型的前桥通常采用钢板弹簧式悬架，驱动桥采用空气悬架。电控空气悬架系统的气动部分主要包括气囊、贮气筒、电磁阀、溢流阀及气管，如图1所示。
溢流阀的进出气口分别接空气处理单元和贮气筒。由溢流阀的原理可知，其具有单向供气的功能和一定的开启压力（本例中的开启压力为7500-30kPa），单向供气可将气囊与其他气动系统（如制动系统）隔离开来，避免相互影响。
电磁阀对外接有一个进气口、2个出气口和一个排气口，22口接右侧2个气囊，23口接左侧2个气囊，其中排气口应朝下安装。电磁阀的内部包括A、B、C 3个子阀体，分别用于控制两侧气囊升降和中控作用。阀A和阀B为两位两通电磁阀，阀C则为两位三通电磁阀，各阀的控制线接ECAS控制器，其2x6号线为电磁阀公共供电，2x7、2x8和2x9等线为控制低端，如图2所示。
电磁阀的控制逻辑是：高度传感器将位置信号传递至ECAS控制器，后者则控制电磁阀做出相应的进排气动作，保持气囊正常高度。遥控器的气囊升降功能同样可控制电磁阀的进排气。当然气囊可被充气的条件还应包括贮气筒气压大于气囊气压，而气囊排气的条件则需气囊气压大于外界气压。ECAS控制器接收气囊升降信号时，会向电磁阀输出不同的控制电压，如表1所示。
1.2 8气囊型全空气悬架
8气囊型ECAS常应用于驱动形式为6×4和8×4的车辆上，其与4气囊型空气悬架的主要区别在于气囊数量上，气路连接方式如图3所示。电磁阀的每个出气口可同时为同侧的4个气囊充气，控制逻辑同4气囊型空气悬架，不再赘述。
1.3 9气囊型全空气悬架
驱动形式为6×2R型的车辆因后桥为提升桥，则可装备9气囊型ECAS。该型空气悬架配备2个电磁阀，电磁阀1用于控制中桥4个气囊（气囊1～4）的升降，且可单侧控制;电磁阀2则用于控制后桥的4个承载气囊（气囊5～8）和一个举升氣囊（气囊9），而承载气囊经同一管路供气，因此无法单侧控制，如图4所示。
9气囊型ECAS控制逻辑较8气囊型稍复杂，当车辆后桥为非提升状态时，它的承载能力与8气囊无异，此时举升气囊未被充气;当车辆后桥提升时，后桥的承载气囊放气，举升气囊充气，如同4气囊型的4×2车辆。图5为9气囊型ECAS的电磁阀气动原理，2个电磁阀的型号和规格一致，不同之处在于电控端和气路输出端。2x6号线为电磁阀的公共供电，其余接线为各子阀的控制低端。
由原理可知，提升桥执行提升和下落两种状态切换时，提升桥电磁阀的动作是有先后顺序的，提升时承载气囊应先放气，提升气囊后充气，下落时提升气囊应先放气，承载气囊后充气。
1.4 6气囊型全空气悬架
本例介绍配备6气囊型ECAS，驱动形式为4×2的牵引车型，前桥采用2气囊型空气悬架，后桥为4气囊型空气悬架，其气路连接如图6所示。该车的后桥部分与1.1中内容一致，重点介绍前桥部分。
该车前桥空气悬架仅有一个高度传感器和压力传感器，因此2个气囊只能同步升降，其电磁阀气动控制原理如图7所示。
2x6号线为各子阀供电，阀A和阀B的控制端相同，均接3x6号线，这一点是与后桥用电磁阀最大的区别。改变控制逻辑，前桥气囊也可实现单侧控制，但这还需增加压力和高度传感器。前桥电磁阀控制气囊升降的气动原理较为简单，不再赘述。
2 复合型和机械式空气悬架
2.1 4气囊型复合式空气悬架
当气囊与其他部件（如板簧、托臂）共同作为弹性元件时，这类空气悬架则被称为复合式空气悬架[1]。
本例分析的车型为一款采用4气囊型电控复合式空气悬架的专用车，驱动形式为6×4。车轴中心到气囊轴线距离A与板簧卷耳销轴线到车轴中心距离S的比值约为0.64，当悬架载荷为10t时，由力矩平衡可知两侧气囊将承载约6t，板簧则承载4t，如图8所示。该型空气悬架的气动原理与8气囊型一致，仅气囊数量是后者的一半，在此不再赘述。
2.2 4气囊型机械控制全空气悬架
中置轴车辆通常也装备有空气悬架以实现主挂车的快速接合，某该型车辆的后桥装有4气囊型机械控制全空气悬架。这类悬架由机械控制气囊升降，安装有2个高度阀（左右各一）和一个举升阀，如图9所示。高度阀上安装有摆杆，与ECAS的高度传感器类似，其横臂和纵臂之间角度发生变化时，高度阀会随之动作。举升阀的作用是用于停车状态时车身姿态的手动调节，其调节手柄有行车、举升、举升中停、下降及下降中停等5个位置。
本车的左高度阀结构比右高度阀复杂，后者可看作是前者的简化版。左高度阀内部有2个子阀，阀A与右高度阀原理完全相同，为五位三通阀，阀B为三位三通阀。举升阀的2个出气口23和24分别接两侧气囊，因此行车时该悬架可实现单侧高度调节。由原理可知，举升阀为可手动调节的五位六通气动阀，且安装有定位装置。该型空气悬架的气路连接及气动控制原理分别见图10和图11。
行车状态时，举升阀处于行车位，若此时高度阀摆杆的两臂呈锐角状态，左右高度阀则处于充气位，其11口与21口导通分别向举升阀的21口和22口输气，进而向气囊充气;若两臂呈钝角时，气囊则在载荷作用下通过举升阀的21口和22口向高度阀排气，此时高度阀的21口与排气口导通。
停车状态时，将举升阀手柄拨至举升位，左高度阀阀B经举升阀的11口向23、24口输气，气囊上升，再将手柄拨至中停位时，举升阀所有阀口关闭，气囊上升停止;举升阀拨至下降位时，举升阀的23、24口与排气口接通，气囊下降，此时手柄再拨至中停位时，气囊下降停止。
3 其他类型空气悬架
3.1 3气囊型复合式空气悬架
某些四轴重卡有时会采用单桥驱动，其驱动桥为第3桥或第4桥，驱动桥旁边的承载桥通常安装有空气悬架。若悬架系统配备3个气囊，则其中一个为举升气囊，另2个为承载气囊。
这类车型既符合《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》（GB1589—2016）中关于四轴汽车最大总质量31t的规定[2]，同时轻量化的承载桥和单轮胎的组合可减轻自重，提高车载质量，本案例车的相关部件质量参数见表2。
本案例车型的第4桥采用复合式空气悬架，车轴中心到气囊轴线距离A与板簧卷耳销轴线到车轴中心距离S的比值约为0.46，如图12所示。承载气囊为3节弹簧，举升气囊为2节弹簧，通常节数越多，弹性越好[2]。与ECAS相比，该型空气悬架并没有控制器，也不安装高度传感器，且承载气囊不具备静态高度可调功能，因此本文不将其视为ECAS的范畴，气动原理见图13。该承载桥满载时的设计轴荷为2.1t，故通过限压阀来控制气囊压力，限压阀1的输出气压为500kPa，限压阀2的输出气压为100kPa。
已知承载气囊顶部为直径287mm的圆形盖板，承载桥部分位于车架下方的部件质量约为800kg，满载时承载气囊产生的支撑力为：
经过以上粗略计算，承载气囊和举升气囊的承载力方面满足使用要求。
该悬架的气动控制原理如图14所示，举升开关内部有2个子开关，同时开闭，1x6号线接24V供电。举升、承载气囊分别对应阀A和阀B，均为两位三通阀。
该型悬架控制仅有承载桥的提升、落地两种状态，与ECAS系统的气囊高度无极升降、单边控制等功能相比，其控制逻辑相对简单。
车桥举升状态：举升开关闭合，举升气囊与阀A的进气口11接通，举升气囊充气，同时承载气囊与阀B的排气口3接通，承载气囊放气。举升气囊上端的连接板带动两个U型螺栓上移，进而将车桥绕着板簧前端连接销轴向朝上拉起。
车桥落下状态：举升开关断开，举升气囊与阀A的排气口3接通，举升气囊放气，同时承载气囊与阀B的进气口12接通，承载气囊充气，车桥在自身重力和承载气囊推动下落地。
3.2 3气囊型全空气悬架
有些8×2型车辆还会采用一种3气囊型全空气悬架，这种空气悬架的气囊位于板簧中部的板簧座上，如图15所示。采用这种布置结构的空气悬架在一定载荷范围内，气囊可承担所有负荷，因此一些文献将之列入全空气悬架的范畴。实际上当载荷继续增大，钢板弹簧产生大的变形时，板簧也会承担一部分载荷，但气囊是一种变刚度弹簧，其刚度也会增大，因此气囊仍承受绝大部分载荷。这类承载桥的设计载荷通常较小，钢板弹簧最主要的作用还是悬架系统的导向机构，而且板簧前后两端通过支架、吊环与车架相连，可有效避免气囊被过度拉伸。
安装这类空气悬架的承载桥通常位于驱动桥之前，悬架的气动原理与3.1中空气悬架类似，故不再赘述。
3.3 2气囊型全空气悬架
有些8×2车型的承载桥悬架结构同3.2，但不具备提升功能，则空气悬架简化为2气囊型全空气悬架。本车型的承载桥不具备驻车制动功能，因此只安装有2个制动气室，且未安装制动防抱死功能。气囊状态与该桥的行车制动关系密切，驾驶室内还安装了一个感载继动控制开关。悬架及制动气动原理如图16所示。
由图16知，承载气囊经同一管路充放气，不具备单侧高度控制功能。限压阀的标准输出气压为350kPa，其出气口2除了接气囊，还接承载桥的继动阀的进气口1。电磁阀本体虽是两位五通电磁阀，但一個阀口被堵死，因此只能作为两位四通电磁阀使用。
感载继动控制开关未闭合时，气囊常被充气，承载桥的轴荷相对于其他3桥的设计轴荷要小，因此行车制动时继动阀应接入限压后的气压，该气压要远低于贮气筒的气压，否则承载桥的车轮制动时容易抱死，加剧轮胎磨损和车身侧滑。
感载继动控制开关闭合时，电磁阀出气口2接排气口3，气囊泄压，此时承载桥轴荷很小，虽然车轮仍然是贴地状态，但与地面的附着力小，行车制动时继动阀输出的制动气压很微弱，即承载桥不参与整车制动，同样可减轻轮胎磨损。
4 结语
近年来受政策及法规的影响，空气悬架在重卡行业得到了快速的推广，其中总质量大于或等于12t的危险品重卡已经标配空气悬架，甚至危险品运输半挂车、三轴栏板式、仓栅式半挂车也被要求装备空气悬架[4]。国内重卡的空气悬架形式复杂多样，但在气动原理方面大同小异，囿于笔者知识水平，仅靠一篇文章难以概括，望读者触类旁通。
参考文献：
[1] 高恩壮. 空气悬架在国产牵引车上的应用[J]. 农业装备与车辆工程，2017，55（2）：36-40.
[2] 陈家瑞. 汽车构造[M]. 北京：机械工业出版社，2009.
[3] GB 1589—2016，汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值[S].
[4] GB 7258—2017，机动车运行安全技术条件[S].
（编辑 杨 景）
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