第6章--电控悬架系统

《汽车底盘及车身电控系统维修》机械工业出版社主编:于京诺配套教材信息教材名称：汽车底盘及车身电控系统维修教材主编：于京诺出版社：机械工业出版社出版时间/版次：2011年2月第1版国际标准书号（ISBN）：978-7-111-32432-4教材所属系列：高职高专汽车类专业技能型教育规划教材第6章电控悬架系统6.1概述汽车的悬架装置是连接车架（或承载式车身）和车桥（或车轮）之间全部传力装置的总称，主要由弹性元件，减振器，导向机构组成，其作用主要有三方面：（1）承载承受汽车各个方向（包括垂直、纵向、侧向）的载荷；（2）缓冲缓和由于汽车载荷和路面状况等引起的各种振动冲击；（3）传力将车轮与路面之间的力传递给车身，使之正常前进或减速停车。6.1.1电控悬架系统的功能采用电控悬架的目的是可以根据车辆行驶状况及驾驶员的意愿等因素由电子控制系统自动调节悬架的相关特性参数，从而打破传统被动悬架的局限性，使汽车悬架的特性与道路状况及行驶状态相适应，保证汽车的平顺性和操纵稳定性都得到最大的满足。电控悬架系统的基本功能如下：（1）减振器阻尼力调节根据汽车的负载、行驶路面条件、汽车行驶状态等来控制悬架减振器的阻尼力，防止汽车急速起步或急加速时的车尾下蹲、紧急制动时的车头下沉，以及急转弯时车身横向摇动和换档时车身纵向摇动等，提高行驶平顺性和操纵稳定性。（2）弹性元件刚度调节在各种工况下，通过对悬架弹性元件刚度的调整，改变车身的振动强度和对路况及车速的感应程度，来改善汽车的乘坐舒适性与操纵稳定性。（3）汽车车身高度调节可以使得车辆根据负载变化自动调节悬架高度以保持车身的正常高度和姿态。当汽车在坏路面行驶时可以使车身升高，增强其通过性；当汽车在高速行驶时，又可以使车身降低，减少空气阻力并提高行驶稳定性。目前，中级轿车上采用的电控悬架（半主动悬架）一般只能实现减振器阻尼力的调节功能和横向稳定器侧倾刚度的调节，而一些高级轿车上的电控悬架（主动悬架）则能实现上述全部功能。6.1.2电控悬架系统的分类6.2电控悬架系统的结构与工作原理虽然现代汽车电控悬架系统结构形式多种多样，但它们的基本组成却是相同的。即由感应汽车运行状况的各种传感器、开关，电子控制单元及执行机构等组成。传感器一般有车身高度传感器、车速传感器、加速度传感器、转向盘转角传感器、节气门位置传感器等；开关主要有模式选择开关、制动灯开关、停车开关和车门开关等；执行机构有可调节减振器阻尼力的电动机，可调节弹簧刚度的步进电动机和可调节车身高度的电磁阀等。图6-2悬架电控系统的基本组成及工作原理6.2.1电控悬架系统的基本组成和原理1.电控半主动悬架的基本原理•半主动悬架系统的设计思路是：在行驶的过程中，可以通过改变减振器的阻尼力，从而适应车辆的行驶平顺性和稳定性的要求。选择较低的阻尼力，可以降低系统自振频率，减少对车身的冲击，满足舒适性的要求但安全性下降，适合于车辆的低速行驶；选择较高阻尼力则可提高车辆行驶安全性，但是舒适性下降，适合于车辆的高速行驶。减振器工作时活塞杆上、下伸缩运动，具有黏性的液压油通过活塞孔产生阻力，当活塞上下运动较慢时，阻尼力小；当快速运动时，就会产生很大的阻尼力。从机械原理上讲，节流孔越大，阻尼力越小；油的黏度越大，阻尼力越大。油液的黏度不容易改变，因此阻尼力控制的最佳方法就是控制节流孔的大小，根据其控制的方式不同，目前减振器阻尼力的调节可分为有级可调式和连续可调式两种。2.电控主动悬架的基本原理主动悬架采用了与传统结构完全不同的弹性元件（空气弹簧、油气弹簧等），使其突破了一般弹性元件（钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等）在刚度变化方面的局限性。因此，主动悬架能够根据车身高度、车速、转向角度及角速度、制动等信号，由电控单元控制悬架执行机构，进而改变悬架弹性元件的刚度、减振器阻尼力及车身高度等参数，从而使车辆的操纵性和平顺性都达到最佳。这类悬架大多采用空气弹簧或油气弹簧作为弹性元件，通过改变弹性元件内部工作介质（空气或油液）的流通特性或压力大小来调节悬架的刚度；通过工作介质的充、放来改变悬架的高度，即可以进行车身高度的控制。6.2.2传感器电控悬架系统传感器（及开关）的作用是对汽车行驶时路面的状况和车身的状态进行检测，为ECU提供参考信号。1.车身高度传感器车身高度传感器的作用是检测汽车行驶时车身高度的变化情况（车身相对车桥的位移量也即悬架位移量），并转换成电信号输入悬架系统的电子控制单元，可反映汽车的平顺性和车身高度信息。常用的车身高度传感器有片簧开关式、霍尔式、光电式和电位计式四种形式。（1）片簧开关式车身高度传感器片簧开关式车身高度传感器在福特车型上应用较多。如图6-5a）所示为片簧开关式车身高度传感器结构，它由4组触点式开关和一个磁体组成，4个开关分别与两个晶体管相连，构成4个检测回路。用两个端子作为输出信号与悬架ECU连接，两个晶体管均受ECU“输出”端子的控制。图6-5b）所示为片簧开关式车身高度传感器连接电路，其工作原理是：当车身高度调定为正常高度后，如果因货物、乘员数量变化等会导致车辆载荷的增加，使车身高度偏低，此时片簧开关式高度传感器的另一对触点闭合，产生电信号输送给ECU，ECU随即作出车身高度偏低的判断，从而输出电信号到车身高度控制执行器，促使悬架系统车身高度控制执行器工作，使车身高度恢复为正常高度状态。该传感器将车身高度状态组合为4个检测区域，分别是低、正常、高、超高。（2）霍尔式车身高度传感器其工作原理是：当两个磁体因车身高度的改变而产生相对位移时，将在两个霍尔集成电路上产生不同的霍尔效应，形成相应的电信号，悬架的电控装置根据这些电信号作出车身高度偏离调定高度的情况判别，从而驱动执行器作出有关调整。由于两个霍尔集成电路和两个磁体安装时，它们的位置进行了不同的组合，可以将车身高度状态分为三个区域进行检测，分别是低、正常、高。（3）光电式车身高度传感器光电式车身高度传感器固定在车架上，传感器轴的外端装有导杆，导杆的另一端通过一个连杆与独立悬架的下摆臂连接，其结构如图6-7所示。如图6-8所示为光电式高度传感器的工作原理图，当车身高度发生变化时，导杆将随悬架摆臂的上下移动而摆动，从而通过传感器转轴驱动圆盘转动，如图6-8a）所示，光电耦合器相对应的发光二极管和光敏晶体管之间即产生照／遮的转换，如图6-8b）所示，光敏晶体管把相应的ON／OFF转换成电信号，并通过导线输送给悬架ECU。ECU根据不同的脉冲信号，即可判断圆盘转过的角度，从而计算出悬架高度的变化情况。表6-14组光电耦合元件的状态与车身高度的对照表车高变化光电耦合元件的状态车高数值评价结果1234高低OFFOFFONOFF15过高OFFOFFONON14ONOFFONON13ONOFFONOFF12高ONOFFOFFOFF11ONOFFOFFON10ONONOFFON9ONONOFFOFF8普通ONONONOFF7ONONONON6OFFONONON5低OFFONONOFF4OFFONOFFOFF3OFFONOFFON2OFFOFFOFFON1过低OFFOFFOFFOFF0车高变化光电耦合器组件的状态评价结果12高↓低OFFON过高OFFOFF偏高ONOFF偏低ONON过低表6-22组光电耦合元件的状态与车身高度的对照表(4)电位计式车身高度传感器如图6-9所示为电位计式车身高度传感器的安装位置，其安装位置与光电式车身高度传感器相同。其工作原理是：当由于车身高度的变化使与转板和传感器轴一体的电刷在电阻器上滑动时，A和B之间的电阻值就发生变化，电阻值的变化与转板的转动角度成正比，也即与车身高度的变化成正比。当悬架ECU把一个恒定电压加到整个电阻器上时，A和B之间产生的电压变化取决于转板的转动角度。这一电压信号送到悬架ECU，悬架ECU即可从电压的变化中检测出车身高度的变化。2.加速度传感器在车轮打滑时，无法以转向角和汽车车速正确判断车身侧向力的大小，此时利用加速度传感器可以直接准确地测量出汽车的纵向加速度以及汽车转向时因离心力而产生的横向加速度，并将信号输送给ECU，使ECU能够调节悬架系统的阻尼力大小及空气弹簧的压力大小，以维持车身的最佳姿势。常用的加速度传感器有差动变压器式、球位移式等。（1）差动变压器式加速度传感器•其工作原理是：传感器的励磁线圈（一次绕组）上通有交流电，当汽车转弯（或加、减速）行驶时，铁芯在汽车横向力（或纵向力）的作用下产生位移，随着铁芯位置的变化，检测线圈（二次绕组）的输出电压发生变化，线圈的输出电压随着汽车加速度大小的变化而变化，该电压信号输入给ECU后，ECU根据此输入信号即可正确判断汽车横向力（或纵向力）的大小，对车身姿势进行控制。（2）球位移式加速度传感器其工作原理是：当汽车转弯（或加、减速）行驶时，钢球在汽车横向力（或纵向力）的作用下产生位移，随着钢球位置的变化，线圈内部的磁场强度也发生变化，线圈的输出电压即发生变化。ECU根据电压信号的变化情况即可正确判断汽车横向力（或纵向力）的大小，进而对车身姿势进行控制。3.转向盘转角传感器转向盘转角传感器位于转向盘下面，主要用来检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度等，并把信号输送给悬架ECU，ECU根据该信号和车速信号判断汽车转向时侧向力的大小和方向，从而控制车身的侧倾。图6-14光电式转角位置传感器的安装位置及结构1、3-转角位置传感器2-光电耦合器4-传感器圆盘5-转向轴6-光电元件•其工作原理是：当转向盘转动时，转轴带动信号盘旋转，光电耦合器中的发光二极管和光敏二极管之间的光束将产生通/断交替的变化，光敏二极管进而进行ON/OFF转换，形成与转向轴的转角相对应的数字脉冲信号，ECU根据此信号的变化来判断转向盘的转角与转速。同时，传感器上采用了两组光电耦合器，可根据它们检测到的脉冲信号的相位差（判断哪个光电耦合器首先转变为“ON”状态）来判断转向盘的偏转方向。因为两个遮光器在安装上使它们的ON/OFF变换的相位错开90°，通过判断哪个遮光器首先变为“ON”状态，即可检测出转向轴的偏转方向。例如，转向盘向左转时，左侧光电耦合器总是先于右侧光电耦合器达到“ON”状态，向右转时，右侧光电耦合器总是先于左侧光电耦合器达到“ON”状态。4.车速传感器车速信号是汽车悬架系统的常用控制信号，汽车车身的侧倾程度取决于车速的高低和汽车转向半径的大小。车速传感器的作用是检测汽车速度，并将信号传递给ECU，用来调节悬架的阻尼力。常用的车速传感器主要有舌簧开关式，电磁感应式，光电式等。一般情况下舌簧开关式和光电式车速传感器安装在仪表板上，与车速表装在一起，并用软轴与变速器的输出轴相连；而电磁感应式车速传感器装在变速器上，通过蜗轮蜗杆机构与变速器的输出轴相连。5.节气门位置传感器节气门位置传感器安装在节气门体上，用来检测节气门的开度及开度变化，为悬架ECU提供相应的信号。汽车在急加速时，由于惯性力和驱动力的作用，汽车尾部容易产生“下蹲”现象，为了防止这一现象，ECU根据节气门位置信号检测汽车的加速工况（判断汽车是否在进行急加速），并根据该信号控制悬架的弹簧刚度，阻尼力等参数，防止车尾“下蹲”。常用的节气门位置传感器有触点开关式、线性可变电阻式、触点与可变电阻组合式。6.悬架控制开关在电控悬架中，常用的开关主要有模式选择开关、阻尼力调节开关、车身高度控制开关及车身高度控制通/断开关等。一般位于变速器操纵手柄旁或仪表板上，个别开关位于行李箱内。（1）模式选择开关模式选择开关一般位于变速器操纵手柄旁，模式选择开关在车上的位置如图6-15所示。驾驶员根据车辆行驶状况和路面情况选择悬架的运行模式，通过操纵该开关，可以使减振器阻尼力按手动或自动两种模式进行变化。当选择“自动”模式时，悬架系统可以根据汽车行驶状态自动调节减振器的阻尼力，以保证汽车乘坐舒适性和操纵稳定性，其控制功能如表6-3所示。当选择“手动”模式时，悬架系统的阻尼力只有标准（中等）和运动（硬）两种状态，根据驾驶员操纵阻尼力调节开关进行转换。表6-3模式选择开关功能汽车行驶状态