汽车新技术第六章现代汽车悬架技术(韩伟)

现代汽车新技术白云学院机电工程学院韩伟第六章现代汽车悬架技术电控悬架系统现代转向控制技术四轮转向控制系统第六章现代汽车悬架技术悬架是将车身与车桥、车轮弹性相连，传递作用在车轮和车身之间的力和力矩，缓和由不平路面传结车身的冲击，并衰减由此引起的振动，以保证汽车行驶乎顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性。目前多数汽车的悬架都是被动式悬架，即汽车的车轮和车身状态只能被动地取决于路面及行驶状况以及汽车的弹性支承元件、减振器和导向机构。一、电控悬架系统21世纪初以来，半主动悬架和主动悬架开始在一部分汽车中得到应用。主动悬架根据行驶条件，随时对悬架系统的刚度、减振器的阻尼力以及车身的高度和姿势进行调节，使汽车的有关性能始终处于最佳状态。调节方式可以是机械式的，也可以是电子控制式的。这种调节需要消耗能量，故系统中需要能源，即系统是有源的。半主动悬架仅对减振器的阻尼力进行调节，有些还对横向稳定器的刚度进行调节，调节方式也有机械式和电子控制式两种。这种调节不需消耗能量，故系统中不需要能源。即系统是无能源的。智能悬架系统由电子装置控制，可根据路面情况，调节悬架弹性元件的刚度和减振器阻力，使振动和冲击迅速消除。此外，智能悬架还可以自动调节车身的离地高度，即使汽车在崎岖的路面上行驶也可顺利通过路面障碍，使乘客感觉平稳和舒适。（一）概述悬架是连接车身和车轮之间一切传力装置的总称。它主要由弹簧(如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等)、减振器和导向机构等组成。当汽车在不同的路面上行驶时，由于悬架系统实现了车身和车轮之间的弹性支撑，有效地降低了车身与车轮的振动，从而改变了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。同时，它也引起汽车起步别动、转向时车身的俯仰、点头和侧倾等现象，影响汽车的平顺性和操纵稳定性。传统的悬架设计只能是根据某种路面情况和车速，兼顾各方面的要求，优化选定一种刚度和阻尼系数。这种刚度和阻尼系数一定的悬架称为被动悬架。现代的汽车悬架的设计由电子装置控制，可根据路面情况，调节悬架弹性元件的刚度和减振器的阻力，使振动和冲击迅速消除。此外，智能悬架还可以自动调节车身的离地高度，即使汽车在崎岖的路面上行驶也可顺利通过路面障碍，使乘客感觉平稳和舒适。这种悬架被称为智能悬架系统。1、主动悬架的电控系统基本组成电控悬架传感器2、分类（1）主动悬架根据行驶条件，随时对悬架系统的刚度、减振器的阻尼力以及车身的高度和姿势进行调节，使汽车的有关性能始终处于最佳状态。调节方式可以是机械式的，也可以是电子控制式的。这种调节需要消耗能量。（2）半主动悬架仅对减振器的阻尼力进行调节，有些还对横向稳定器的刚度进行调节，调节方式也有机械式和电子控制式两种。这种调节不需消耗能量，即系统是无能源的。（二）电控悬架系统的结构与工作原理1.半主动悬架系统的结构和工作原理半主动悬架系统通常以车身振动加速度的均方根值作为控制目标参数，以悬架减振器的阻尼为控制对象。在悬架控制单元中，事先设定了一个目标控制参数，它是以汽车行驶平顺性最优控制为目的设计的。汽车行驶时，安装在车身上的加速度传感器产生的车身振动加速度信号经整形放大后输入电脑，电脑立刻计算出当前车身振动加速度的均方根i，并与设定的目标参数比较，根据比较结果输出控制信号：①如果是=i，控制器不输出调整悬架阻尼控制信号。②如果是i，控制器输出增大悬架阻尼控制信号。③如果是i，控制器输出减小悬架阻尼控制信号。控制器的悬架阻尼控制过程2.主动悬架系统的结构和工作原理主动悬架系统能根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元控制悬架执行机构，进而改变悬架系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数，从而使汽车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。(1)空气弹簧主动悬架系统空气式主动悬架的工作原理图。主动悬架按其控制功能，可分为车速与路面感应控制、车身姿态控制和车身高度控制①车速与路面感应控制：高速感应控制、前后车轮相关控制及坏路面控制。②车身姿态控制：转向车身侧倾控制、制动车身点头控制和起步车身俯仰控制。③车身高度控制：高速感应控制、连续坏路面行驶控制（2)油气弹簧主动悬架系统油气弹簧以气体作为弹性介质，而用油液作为传力介质，一般由气体弹簧和相当于液压减振器的液压缸组成。通过油液压缩气室中的空气实现刚度特性，通过电磁阀控制油液管路中的小孔节流实现变阻尼特性。（3）带路况预测传感器的主动悬架系统包括一个悬架弹簧和一个单向液压执行器路况预测传感器的设置情况如图。该传感器通常为超声波传感器，频率为功40KHz左右。它安装在车身的前面，以便对其下方的路面状况进行检测。二、现代转向控制技术从20世纪80年代起国外就开始陆续运用四轮转向系统。四轮转向的含义是在转向时，除前轮转向外，再附加后轮转向这种附加后轮转向角是有限的，与前轮转向角有一定比例关系。其目的是改善整车的转向特性和响应特性，低速时改善车辆的机动性，高速时改善车辆的稳定性。转向系统时应满足以下要求：(1)优越的操纵性。当汽车行驶在狭窄弯曲的道路上要转弯时，转向系统必须保证灵活、平顺。(2)合适的转向力。如没有其他的障碍物，转向力在汽车停止时应较大，随汽车行驶速度的增加而减少。在低速行驶时应有较小的转向力，而在高速时转向力要加大。(3)平顺的回转性能。要求在转向结束时，转向盘能自动回正——即使车轮回到直线行驶的位置上，当驾驶员放松转向盘之后，这个回位动作必须平顺地进行。(4)要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向双的转角要保持一定的关系，并能使转向车轮保持在任一偏转角位置上。(5)减小从道路表面传来的冲力。要求转向装置决不可以因道路表面不平坦而使转向盘失去控制或造成反转的情况。(6)工作可靠。当动力转向系统发生故障或失效时，应能保证通过人力进行转向操纵。现代汽车的转向机构的设计的趋势：①适应汽车高速行驶的需要。从操纵轻便性和稳定性、安全行驶的角度，广泛使用更先进的工艺方法制造；使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。②充分地考虑安全、轻便性。随着提高汽车车速，驾驶员和乘客的安全是非常重要的，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的观点考虑操纵轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。③低成本、低油耗、大批量专业化生产。随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，在汽车生产中愈来愈重视经济性，设计低成本、低油耗的汽车和低成本的合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。在零部件生产，特别是转向器的生产上，更是表现突出。④汽车转向器装置的电子化。未来汽车的转向器装置，必定是以电子化为唯一的发展途径。（一）动力转向系统(EPS)。为了减轻转向盘的操纵力，很多汽车都装有动力转向装置(PS—PowerSteering)。近年来，在很多汽车的转向装置中都采用了液力和电动式转向助力装置，构成动力转向系统(简称PS或EPS)。改善整车的转向特性和响应特性，从20世纪80年代起国外就开始陆续采用四轮转向系统(4WS——4WheelSteering)。1.EPS分类电子控制动力转向系统(简称EPS——ElectronicControlPowerSteering)，根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统(液压式EPS)和电动式电子控制动力转向系统(电动式EPS)。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数等车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。电动式动力转向系统基本上是由扭矩传感器、车速传感器、控制元件、电动机和减速机组成的。2、电动式动力转向系统（EPS）工作原理扭矩传感器扭矩传感器具有检测转向盘的操纵方向和操纵力的功能。图为某种扭矩传感器的输出特性。②电动机、离合器和减速机构EPS上所采用的电动机是在一般汽车用电动机基础上加以改进后得到的。（二）车身电子稳定系统(ElectronicStabilityProgram，简称ESP)ESP是博世（Bosch）公司的专利。ESP系统实际是一种牵引力控制系统，与其他牵引力控制系统比较，ESP不但控制驱动轮，而且可控制从动轮。如后轮驱动汽车常出现的转向过多情况，此时后轮失控而甩尾，ESP便会刹慢外侧的前轮来稳定车子；在转向过少时，为了校正循迹方向，ESP则会刹慢内后轮，从而校正行驶方向ESP系统是汽车上一个重要的系统，通常是支援ABS及ASR的功能。它通过对从各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，然后向ABS、ASR发出纠偏指令，来帮助车辆维持动态平衡。ESP可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性，在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显。ESP一般需要安装转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器ESP除用到了ABS和TCS的轮速传感器和液压调节器之外，还包含了一个集成有侧向加速传感器的横摆角速度传感器和方向传感器，主要负责测量汽车围绕其纵轴的回转运动和记录驾驶员的转向意图；轮速传感器用来测量车轮的即时转速；转向角传感器：用于记录驾驶员的转向意图；横摆角速度传感器和侧向加速度传感器用来测量汽车围绕其纵轴的回转运动和离心力三、四轮转向控制系统(4WS)（一）4WS车的转向特性①4WS车低速时的转向特性图为低速转向时时行驶轨迹，可知2WS车(前轮转向操纵)的情况是后轮不转向，所以转向中心大致在后轴的延长线上。4WS车的情况是对后轮进行逆向转向操纵，转向中心就比2WS车的超前并在靠近车体处。在低速转向时，若前轮转向角相同，则4WS车的转向半径更小，内轮差也减小，所以转向性好。对小轿车而言，如果后轮逆向转向5°，则可减少最小转弯半0．5m，内轮差约0.1m。②4WS车中高速时的转向特性2WS车高速转向时车辆的运动状态。前轮转向时，前轮产生侧偏角，并产生旋转向心力使车体开始自转。当车体出现偏向时，后轮也出现侧偏角，且也产生旋转向心力。4轮分组自转和公转的力，一边平衡一边转向。但是，车速愈高，离心力就愈大，所以必须给前轮更大的侧偏角，使它产生更大的旋转向心力。而且为了使后轮也产生与此相对应的侧偏角，使车体有更大的自转运动。但是，车速愈高，车体的自转运动就愈不稳定，容易引起车辆的旋转或侧滑。(二)、转向角比例控制所谓转向角比例控制就是与转向盘转向角成比例，在低速区是逆相而在中高速区是同相地对后轮进行转向操纵控制。①系统组成图为4WS转向角成比例控制的系统图。前后的转向机构是以机械方式连接。转向盘的旋转传递到前转向齿轮箱(齿条和小齿轮)，由齿条带动转向横拉杆左右运动，使前轮转向。同时小齿轮的旋转输出，通过连接轴传给后转向齿轮箱。(1)转向枢轴后转向齿轮箱的转向枢轴是一个大的轴承。其外因与扇形齿轮成为一体，围绕枢轴可左右转动；内圈与连杆突出的偏心轴相连接，连杆通过4WS转换器的电机连杆以旋转中心作正反旋转。偏心轴在转向枢轴机构内可上下回转约55°。(2)4WS转换器4WS转换器部分的结构。转换器是由主电动机和副电动机的驱动部分、行星齿轮的减速部分以及旋转连杆的蜗杆组成的。（二）控制逻辑ECU控制流程框图。通过转向角传感器、车速传感器等输入信号，进行以下控制：(1)转向角控制按照转向角比控制图，由主电动机进行控制。(2)2WS选择功能2WS开关为ON且变速器为倒挡状态时，因与车速无关，故将后轮的转向操纵量设定为零。对2WS车倒退转向操纵已习惯的人，若对4WS车倒退转向操纵有失调感时，可使用此开关。(3)安全性控制系统出现异常时，在进行下列工作的同时点亮“4WS警告灯”通知驾驶员，而且ECU记忆异常部位。（三）横摆角速度比例控制横摆角速度比例控制是通过检测横摆角速度以控制后轮转向操纵量的。通过横摆角速度能够直接检测自转运动的增减，所以接照它再增减后轮的转向角，则就能取得合适的自转和公