底盘部件-主动悬架简析

ActiveSuspension主动悬架传统的悬架系统的刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的，根据这些参数设计的悬架结构，在汽车行驶过程中，其性能是不变的，也是无法进行调节的，使汽车行驶平顺性和乘坐舒适性受到一定影响。故称传统的悬架系统为被动悬架系统。如果悬架系统的刚度和阻尼特性能根据汽车的行驶调节（车辆的运动状态和路面状况等）进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态，则称为主动悬架。主动悬架系统按其是否包含动力源可以分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统两大类。•主动悬架介绍全主动悬架是根据汽车的运动状态和路面状态，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。它是在被动悬架（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控作用力的装置。通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。•执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等）；•测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器（加速度、位移和力传感器）；•控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机；•能源系统的作用是为以上各部分提供能量。•全主动悬架图1.被动悬架与全主动悬架被动悬架在全主动悬架系统中，被动减振器或被动阻尼器和弹簧由一个力作动器所代替，如图1所示。弹簧助力式主动悬架全主动悬架全主动悬架系统尽管可以提高汽车的平顺性和操纵稳定性，但所需的力作动器需要大的动力源，降低了整车的性能；此外，全主动悬架不能接受失效方式，如果作动器失效，汽车将没有阻尼并可能没有弹簧，对于汽车和驾驶员产生危险。被动悬架半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节的悬架。目前，半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测到汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度，由ECU根据控制策略发出脉冲控制信号实现对减振器阻尼系数的有级可调和无级可调。半主动悬架按阻尼级有可以分成有级式和无级式两种：•有级式半主动悬架：它是将悬架系统中的阻尼分为两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择悬架所需要的阻尼级；•无级式半主动悬架：它是根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架系统的阻尼在几毫秒内有最小变到最大进行无级调节。•半主动悬架图2.半主动可调式悬架半主动悬架装有被动悬架的弹簧和性能可由驾驶员调节的减振器，如图2所示，驾驶员可根据主观感受用选择器去设置理想的阻尼状态。图3.被动悬架与半全主动悬架在半主动悬架系统中，阻尼状态由一可控的减振器调节，如图3所示。半主动悬架半主动悬架不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼，因此它无动力源且只由可控的阻尼元件组成。由于半主动悬架结构简单，工作时几乎不消耗车辆动力，而且还能获得与全主动悬架相近的性能，故有较好的应用前景。被动悬架半主动悬架减振器的种类，根据其工作原理来分，主要有以下四类:•机械式可变阻尼减振器：传统的可变阻尼减振器悬架系统是应用机械式可控阀门来实现的；•电子控制可调阻尼减振器：通过电子控制器控制减振器中的电磁阀来调节阻尼；•磁流变和电流变液体减振器：应用MR流体（磁流变液体）和ER流体（电流变液体）作为减振器的介质；•压电阻TEMS式减振器：压电传感器和作动器形成一种新型的减振器，将压电传感器和作动器装入减振器活塞杆中，此时压电元件将提供一快速反应能力和高作用力（图4）。使用压电元件也是为了利用其这两个特点，用这种新型的减振器阻尼力变化快的特点，能达到稳定性、可控性和舒适性的兼顾。•半主动悬架减振器图4.压电式减振器示意图有级可调减振器阻尼在两档、三档或更多档之间快速切换，切换时间通常为几毫秒。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。驱动方式为转阀方式和旁路阀方式：转阀方式是由控制器单元发出的信号经处理驱动步进电机从而驱动转动阀转动，改变减振器阻尼孔的大小，产生符合系统要求变化的阻尼力。旁路阀方式是由电磁阀根据控制器单元发出的信号开关打开磁阀相当于在油路中增加一个节流孔，从而改变总的阻尼孔的面积，产生符合系统要求的有级变化的阻尼力。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性，有级可调减振器的设计关键是发展先进的阀技术，增加阻尼变化的档数缩短切换时间从而使复杂的控制策略应用成为可能，以进一步提高悬架的控制品质。•有级可调式减振器•电磁阀控制可调式减振器电磁阀寿命约为100万次，外委制造，响应时间50ms。电磁阀液压阀图5.电磁阀控制可调式减振器•电磁阀控制可调式减振器图6.电磁阀可调式减振器内部结构图电磁阀可调式减振器在工作缸的伸张腔和压缩腔表面上各开一个直径0.5mm的阻尼孔，并在工作缸与贮油缸之间增加中间缸，在中间缸安装电磁阀。通过控制油液在工作缸和贮油缸之间的流动，从而调节阻尼。结构如图6所示。1.贮油缸2.底盖-贮油缸3.下连接环4.导向座5.油封垫6.油封7.活塞杆8.上连接环9.封板10.减振器12.工作缸13.支承座14.中间缸15.阀座16.活塞17.压缩腔18.复原腔19.复原阀总成20.压缩阀总成21.圆形旁通道(工作缸与中间缸之间的空间)22.电磁阀23.贮油腔在工作缸的复原腔和压缩腔侧壁上各开有直径0.5mm的孔，使减振液在拉伸腔、压缩腔和圆形旁通道流动。阀座将圆形旁通道下端封住，防止减振液流出。在中间缸侧壁上开有直径5mm的孔，穿过贮油缸外加一个高速开关的电磁阀，平时是常开的，用来得到软阻尼；当控制姿态时，关闭电磁阀，得到硬阻尼。•电磁阀控制可调式减振器工作原理象传统的减振器一样，在工作缸内有四个阀，即压缩阀、复原阀、流通阀和补偿阀。流通阀和补偿阀都是普通的单向阀，其弹簧较软，当阀上的油压作用力与弹簧力同向时，阀处于关闭状态，完全不通液流；当油压作用力与弹簧力反向时，只要很小的油压，阀系便能开启。压缩阀和复原阀都是卸荷阀，其弹簧较硬，预紧力较大，只有当油压增高到一定程度时，阀才能开启；而当油压降低到一定程度时，阀自动关闭。减振器的上端和车身相连，下端和车轮相连。车辆行驶时，由于路面激励，引起车身和车轮之间的相对运动，从而使活塞作往复运动。液压油通过各阻尼孔或阀通道在减振器的上、下腔、中坚腔和贮油腔之间来回运动，从而产生阻尼力，不断衰减车身与车轮的振动。通过ECU中的控制程序控制电磁阀的开、关，来调节软、硬阻尼力。当中间缸上的电磁阀关闭时。•电磁阀控制可调式减振器工作原理在拉伸行程，活塞相对于工作缸向上移，上腔体积变小，高压工作液通过工作缸上0.5mm的孔挤到工作缸与中间缸之间的腔体，当腔体内油液溢满后，会顺着压缩腔壁上0.5mm的孔流入压缩腔，缓和一部分压力；同时会通过常通孔进入下腔，由于活塞杆不断从上腔移出，使流入下腔的减振液不足以充满下腔。下腔压力低于贮油腔，贮油腔内的工作液通过补偿阀进入下腔，补充移出的活塞杆体积，使下腔充满油液，确保压缩行程初期不出现空程。此时，节流孔的流通面积较小且不变，减振器的阻尼力以较高的速率增长，阻尼力与减振速度近似呈线性关系，形成较大的阻尼系数，即为减振器的低速阶段；随着速度的增高，复原腔内压力继续增高，复原阀开启，进入开阀阶段，此时减振液的流通面积除常通孔外，还有由于阀系零件或大或小的变形，形成不同开度的开发通道。由于流通面积随着速度的增加而逐渐增大，所以阻尼力随着速度的增加通常以较低速率增长，一般组尼系数较小，这是减振器的中速阶段；中速阶段减振器的外特性也视为一个分段线性增长趋势。随着速度进一步增高，复原弹簧处于密卷或限位状态，复原阀处于最大开度，此时流通面积为常通孔和复原阀最大开度面积之和，阻尼力大小就由两个流通面积来决定，此时为减振器的高速阶段；其组尼系数高于中速段，有的甚至高于低速段，且随振动速度的增加而增大。高速段通常伴随高频激励，一般形成较高组尼系数的外特性以适应安全性要求的阻尼匹配。•电磁阀控制可调式减振器工作原理在压缩行程，活塞相对于工作缸下移，下腔的工作液通过流通阀进入上腔，由于活塞杆进入工作缸，与其体积相当的减振液通过压缩阀上的常通孔进入贮油腔。与复原行程类似，随着振动速度的不断提高，压缩阀开启。此开阀前后的阻尼过程决定阻尼力的大小，形成与复原行程类似的三个速度区的分阶段线性特征。当中间缸的电磁阀开启时，中间缸与工作缸之间腔体的减振液与贮油缸的减振液是相通的，它们之间的油液的往复流动，可以缓和压力。从而实现阻尼力的软、硬转换。•电磁阀控制可调式减振器小结在电磁阀关闭的情况下，减振器的中间缸内的减振液不会通过电磁阀流入贮油腔。在复原行程，油液被活塞压入中间缸，同时一部分油液推开补偿阀进入压缩腔。在压缩行程，类似被动悬架，油液被迫推开压缩阀进入贮油腔，另一部分油液推开流通阀进入复原腔。这是“硬”阻尼状态下的循环。在电磁阀打开的情况下，衔铁在电磁力的作用下后移，让油液从进油孔流入，从出油孔流出，进入贮油腔，从而交换中间缸和贮油腔的油液，使减振器进入“软”阻尼的工作状态。1.衔铁2.线圈3.极靴4.阀体5.顶杆6.供油球阀线圈杆图6.HSV高速开关电磁阀结构图无级可调减振器的阻尼调节可采取以下几种方法：节流孔径调节：通过步进电机驱动减振器的阀杆连续调节减振器的通流面积，来改变阻尼节流阀或其他形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。减振液黏性调节：使用黏性连续可控的新型的功能材料电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化。电流变液体(ERF)和磁流变液体(MRF)都是悬浊液。按照电流变(ERF)和磁流变(MRF)的工作模式，有三种不同形式的减振器：流动模式型、剪切模式型和挤压模式型。采用第一种模式工作的减振器可以设计筒式结构，外观与传统的筒式减振器相似，图5是典型的流动模式型电流变(ERF)和磁流变(MRF)减振器的结构图。•无级可调式减振器图5.电流变(ERF)和磁流变(MRF)减振器结构图