56电子控制悬架系统

第5章电子控制悬架系统教学提示：汽车悬架的性能直接影响车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性。采用电子控制主动悬架是汽车悬架系统的发展趋势。教学要求：本章主要介绍电子控制悬架系统在汽车上的应用概况、基本组成及控制方法。要求学生了解电子控制悬架系统的应用概况和发展趋势，熟悉汽车电子控制悬架系统的组成和功能。5.1汽车悬架概述5.1.1汽车悬架的作用汽车悬架是指连接车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）的一系列传力装置。汽车悬架的作用有：①承受载荷;②传递动力;③缓和冲击。除此之外，汽车的悬架对汽车车轮的定位有较大的影响，进而影响汽车行驶性能、操纵性能及乘坐的舒适性。汽车悬架5.1.2汽车悬架的分类1.按照结构形式分1）非独立悬架2）独立悬架2.按照控制方式分按照控制方式分不同，汽车悬架系统通常分为传统被动式悬架（PassiveSuspension）、半主动式悬架（semi-activesuspension）、主动式悬架(ActiveSuspension)三类。其中半主动式又分为有级半主动式（阻尼力有级可调）和无级半主动式（阻尼力连续可调）两种；主动式悬架根据频带和能量消耗的不同，分为全主动式（频带宽大于15Hz）和慢全主动式（频带宽3～6Hz）；而根据驱动机构和介质的不同，可分为由电磁阀驱动的油气主动式悬架和由步进电动机驱动的空气主动式悬架。无级半主动式悬架可以根据路面的行驶状态和车身的响应对悬架阻尼力进行控制，并在几毫秒内由最小变到最大，使车身上的振动响应始终被控制在某个范围内。但在转向、起步、制动等工况时不能对阻尼力实施有效的控制。主动式悬架是一种带有动力源的悬架，在悬架系统中附加一个可控制作用力的装置。通常把用于提高平顺性的控制称为路面感应控制，而把用于增加稳定性的控制称为车身姿势控制。另外，车身高度控制是主动式悬架系统的重要控制项目之一。主动式悬架可根据汽车载荷、路面状况、行驶速度、起步、制动、转向等状况的变化，自动调整悬架的刚度、阻尼力及车身高度。5.2汽车电控悬架传统的汽车悬架主要由弹簧、减振器、稳定杆和弹性轮胎等组成，悬架的高度和弹性是不可调整的，在行车中车身高度的变化取决于弹簧的变形，结构简单、实用。但因其弹性和阻尼不能随外部工况变化，驾驶及乘坐舒适性较差。传统的汽车悬架（麦弗逊式前悬架）电子控制悬架系统的优点是能使悬架随着不同的路况和行驶状态做出相应的调整，既可以使汽车的乘坐舒适性达到令人满意的水平，又能使汽车的稳定性要求得到满足。5.2.1电控悬架系统的组成和控制形式电子控制汽车悬架系统主要由（车高、转向角、加速度、路况预测）传感器、ECU、悬架控制执行器等组成。1.空气式可调悬架空气式可调悬架是指利用空气压缩机形成压缩空气，并通过压缩空气来调节汽车底盘的离地间隙一种悬架。一般装备空气式可调悬架的车型在前轮和后轮的附近都设有离地距离传感器，按离地距离传感器的输出信号，行车电脑判断出车身高度的变化，再控制空气压缩机和排气阀门，使弹簧自动压缩或伸长，从而起到减振的效果。空气式可调悬架中的空气弹簧的软硬能根据需要自动调节。当在高速行驶时，空气悬架可以自动变硬来提高车身的稳定性，而长时间在低速不平的路面行驶时，行车电脑则会使悬架变软来提高车辆的舒适性。保时捷帕那梅拉（PorschePanamera）空气式可调悬架2.液压式可调悬架液压式可调悬架是指根据车速和路况，通过增减液压油的方式调整汽车底盘的离地间隙来实现车身高度升降变化的一种悬架。雪铁龙C5液压式可调悬架结构示意图1-纵向横梁；2-球体；3-上三角叉臂；4-支杆；5-长纵臂内置式电子液压集成模块是液压式可调悬架的核心，可根据车速、减振器伸缩频率和伸缩程度的数据信息，在汽车重心附近安装有纵向、横向加速度和横摆陀螺仪传感器，用来采集车身振动、车轮跳动、车身高度和倾斜状态等信号，这些信号被传送给行车电脑，行车电脑再根据输入信号和预先设定的程序操纵前后四个执行油缸工作。通过增减液压油的方式实现车身高度的升或降，也就是根据车速和路况自动调整离地间隙，从而提高汽车的平顺性和操纵稳定性。采用液压式可调悬架的代表车型有雪铁龙C5、雪铁龙C6、宝马7系轿车等。雪铁龙C5液压式可调悬架在车上的布置3.电磁式可调悬架电磁式可调悬架是利用电磁反应来实现汽车底盘的高度升降变化的的一种悬架。它可以针对路面情况，在1ms时间内作出反应，抑制振动，保持车身稳定，特别是在车速很高又突遇障碍时更能显出它的优势。电磁式可调悬架的反应速度比传统的悬架快5倍，即使是在最颠簸的路面，也能保证车辆平稳行驶。电磁悬架系统是由行车电脑、车轮位移传感器、电磁液压杆和直筒减振器组成。在每个车轮和车身连接处都有一个车轮位移传感器，传感器与行车电脑相连，行车电脑又与电磁液压杆和直筒减振器相连。凯迪拉克SLS赛威的电磁悬架5.2.2电控悬架系统的功能1.车身高度调整当汽车在起伏不平的路面行驶时，可以使车身抬高，以便于通过；在良好路面高速行驶时，可以降低车身，以减少空气阻力，提高操纵稳定性。2.阻尼力控制用来提高汽车的操纵稳定性，在急转弯、急加速和紧急制动情况下，可以抑制车身姿态的变化。3.弹簧刚度控制动态改变弹簧刚度，使悬架满足运动或舒适的要求。采用主动式悬架后，汽车对侧倾、俯仰、横摆跳动和车身的控制都能更加迅速、精确，汽车高速行驶和转弯的稳定性提高，车身侧倾减小。制动时车身前俯小，起动和急加速可减少后仰。即使在坏路面，车身的跳动也较小，轮胎对地面的附着力提高。5.3丰田LS400轿车电控空气悬架系统5.3.1丰田车系电控空气悬架丰田轿车的空气悬架系统在车上的总体布置5.3.2丰田LS400轿车电控空气悬架系统的组成和基本原理电控空气悬架系统根据行车条件自动调整车辆高度，通过控制阻尼力的强弱来消除车辆行驶中的不平衡，可以使车辆在颠簸路面上保持平稳姿态，并自动调整车辆在紧急制动时的前倾和急加速时的后仰，以保证乘坐的舒适性。1.压缩空气系统的组成丰田LS400轿车空气悬架压缩空气系统示意图2.电子控制系统的组成丰田LS400轿车空气悬架电子控制系统3.电控空气悬架系统的基本原理①车高调整。空气悬架ECU利用空气压缩机形成压缩空气，并将压缩空气送入弹簧和减振器的空气室中，以此来改变车辆的高度。车高的控制：分标准、升高和只升高后轮三种工作状态。②阻尼力控制。在减振器上设有电动机，电动机受ECU的信号控制。利用电动机可以改变通油孔的大小，从而改变了阻尼力的大小。减振器的阻尼力控制分低、中、高三挡。③弹性系数的控制（弹簧刚度控制）。在悬架空气弹簧上设有电动机，利用电动机可以改变通气孔的大小，从而改变了弹性系数的大小。空气弹簧的弹性系数分软、硬两挡。5.3.3丰田LS400电控悬架压缩空气系统的组成部件1.空气压缩机①作用。②组成。③工作原理。2.空气干燥器①作用。②结构。③工作原理。3.排气电磁阀①作用。②工作原理。4.高度控制电磁阀①作用。②组成及结构。高度控制电磁阀内部结构图5.空气管空气管结构及在车上的分布6.气动减振器空气悬架系统有四个气动减振器，每个气动减振器都包括一个可变阻尼力的减振器和可变弹性系数的空气弹簧，气动减振器的总体结构如图5-12所示。图5-12气动减振器的总体结构1）空气弹簧①空气弹簧的安装位置。空气弹簧安装于气动减振器的上端，与可变阻尼力的减振器一起构成悬架支柱，上端与车架相连，下端安装在悬架摆臂上。空气悬架的空气弹簧由空气室和空气阀两部分组成，空气室分为主气室和副气室。②空气弹簧的变刚度原理。悬架空气弹簧刚度的改变是根据压缩空气通过空气阀由主气室进入副气室空气量的改变来调节的，空气弹簧的弹性系数（刚度）可分为两个阶段来调节。当空气阀转到如图5-13所示的位置时，主、副气室的气体通道被打开，主气室的气体经空气阀的中间孔与副气室的气体相通，相当于空气弹簧的工作容积增大，空气弹簧的刚度为“软”。图5-13空气弹簧的刚度为“软”当空气阀转到如图5-14所示的位置时，主、副气室的气体通道被关闭，主、副气室之间的气体不能相互流动，此时的空气弹簧只有主气室的气体参加工作，空气弹簧的刚度为“硬”。主气室是可变容积的，在它的下部有一个可伸展的隔膜，压缩空气进入主气室可升高悬架高度，反之使悬架下降。车辆高度则是由l号和2号高度控制阀及排气阀通过增减主气室内的压缩空气量来调节。图5-14空气弹簧的刚度为“硬”③空气弹簧对车身高度的控制原理。空气弹簧还可以控制车身高度。当需要升高车身时，由空气压缩机来的空气经高度控制电磁阀向空气弹簧的主气室充气，使空气弹簧伸张，从而使车身高度增加；当需要降低车身高度时，空气弹簧主气室的空气经排气电磁阀排出到大气，使空气弹簧收缩，降低车身高度，如图5-15所示。（a）车身低（b）车身高图5-15车身高度控制2）变阻尼减振器①变阻尼减振器的安装位置。变阻尼减振器安装于空气弹簧的下端，与空气弹簧一起构成悬架支柱，上端与车架相连，下端安装在悬架摆臂上。②变阻尼减振器的结构。变阻尼减振器主要由缸筒、活塞及阻尼调节杆、回转阀等构成，其结构如图5-16所示。图5-16变阻尼减振器的结构③变阻尼减振器的工作原理。执行器通过调节杆带动回转阀相对于活塞杆转动，使得回转阀与活塞杆上的阻尼孔连通或切断，于是增加或减少了油液的流通面积，使油液的流动阻力改变，从而改变悬架阻尼的大小，达到调节减振器阻尼力的目的。图5-16变阻尼减振器的结构当回转阀上的A、B、C三个截面的阻尼孔全部被回转阀封住时，这时只有减振器下面的主阻尼孔在工作，此时阻尼为最大，减振器被调节到“硬”状态。图5-16变阻尼减振器的结构当回转阀从“硬”状态位置顺时针转动60°时，B截面的阻尼孔打开，A、C两截面的阻尼孔仍关闭，减振器处于“运动”状态，也称为中间状态。图5-16变阻尼减振器的结构当回转阀从“硬”状态位置逆时针转动60°时，A、B、C三个截面的阻尼孔全部打开，此时减振器的阻尼最小，减振器处于“软”状态。图5-16变阻尼减振器的结构5.3.4电子控制系统的组成空气悬架电子控制系统示意图丰田LS400轿车空气悬架电子控制系统电路图5.3.5电控悬架系统的输入信号1.悬架控制开关信号悬架控制开关由水平调节控制（LevelRegulationControl，LRC）开关和高度控制开关组成。LRC开关用于选择减振器和空气弹簧的工作模式（NORM或SPORT）；高度控制开关用于选择所希望的车身高度（NORM或HIGH）。当LRC开关设在SPORT位置时，组合仪表内的LRC指示灯亮；当高度控制开关设在HIGH位置时，组合仪表内的高度控制指示灯亮。2.高度控制通断开关信号高度控制通断开关位于行李箱的工具储藏室内。将开关拨至OFF位置，悬架控制系统中止车辆高度控制。当车辆被举升、停在不平的路面或车辆被拖曳时，可避免空气弹簧中压缩空气排出，从而可防止车身高度的下降。3.制动灯开关信号制动灯开关位于制动踏板支架上，当踩下制动踏板时，开关接通。悬架ECU利用这一信号判断汽车是否处于制动状态。4.门控灯开关信号四个车门各有一个门控灯开关，这些开关都位于门柱上。悬架ECU据此判断车门是打开还是关上。5.高度传感器信号高度传感器的作用是检测车身高度及因路面不平引起的每个悬架的位移量，并将之转换成电信号输入到悬架ECU。（a）前高度传感器（b）后高度传感器图5-21光电式高度传感器的安装位置图5-22光电式高度传感器的结构这些通断信号送到悬架ECU，悬架ECU检测出车身高度的变化，LS400轿车使用了四个遮光器，通过各遮光器通／断信号的组合，可把车身高度从低至高分为16级，以便对车身高度进行精确的控制。6.加速度传感器信号加速度传感器用于测量车身的垂直加速度。加速度传感器共有三个，两个前加速度传感器分别装在前左、前右高度传感器内，一个后加速度传感器装在行李箱右侧的下面。图5-23加速度传感器的安装位置这三个加速度传感器分别检测车身的前左、前右和后右位置的垂直加速度。车身后左位置的垂直加速度则由悬架ECU从这三个加速度传感器所获得的数据推导出来。图5-24加速度传感器的结