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奥迪Q7空气悬架工作原理与检修2009汽车检测与维修技术1班 黄慧指导教师：蓝北军摘要：文章介绍了空气悬架系统的发展过程，阐述了汽车空气悬架的工作原理及其结构特点，通过分析说明了汽车空气悬架系统具有非线性的变刚度特性，认为这种特性使空气悬架对于改善汽车的行驶平顺性具有其特有的优点，同时，说明了其必然存在的缺点，介绍了国内空气悬架系统的发展现状及其发展的客观条件，并且分析了我国汽车空气悬架系统的发展趋势。关键词：空气悬架 检修 故障诊断 第一章 绪论1.1 空气悬架的发展历程空气悬架最初诞生于十九世纪，主要用于机械设备的隔振。空气悬架1901年最初在车辆上作为悬架元件使用，主要用作有轨电车悬架的减震元件。1947年，美国的普尔曼车上首先使用了空气弹簧悬架系统。空气悬架目前已经成为提升汽车性能的关键部件之一，其独特的变刚度、低振动频率、抗冲击的特性有效地提高了汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性，同时还可以有效地减小汽车对路面的损坏1。到了20世纪六十年代，汽车空气悬架系统已经进入了蓬勃发展的阶段，不仅取得了丰富的理论成果，而且在美国、欧洲等发达国家的大部分公共汽车、豪华旅游车上得到了应用。我国早在20世纪六十年代就曾经设计生产了空气悬架系统，但是由于我国的整体工业水平比较低，实际产品的使用效果并不理想。目前，我国正处于重新起步阶段，空气悬架只应用在一些豪华客车和少部分的重型载货车上。1.2 汽车空气悬架的工作原理及结构特点汽车空气悬架主要由空气弹簧组件、推力杆、高度控制阀、减振器和横向稳定杆等组成。它把空气弹簧作为弹性元件，通过空气的可压缩性来起到弹性作用。空气弹簧是空气悬架系统的核心部件，由纺织物作为骨架增强层的弹性支撑承载部件，可以通过充气来调节车身的高度，并利用橡胶的弹性和空气压力，获得综合性的减振缓冲性能2根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可以分为膜式空气弹簧、囊式空气弹簧以及混合式空气弹簧三种。 膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形；囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的挠屈获得弹性变形；混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式。膜式空气弹簧有效面积的变化率或有效直径的变化率较小，因此其刚度较低，容易得到较低的自振频率；膜式空气弹簧的底座同时也是活塞，膜式气囊变形时，卷曲部分在活塞表面滚动，通过改变活塞的形状和尺寸，可以改变空气弹簧的有效面积或有效直径的变化率，可以得到所需的弹性特性，结构比较简单，便于大批量生产。囊式空气弹簧标准高度比膜式低，囊式空气弹簧有效面积或有效直径的变化率较大，因此其刚度较高，自振频率较高。混合式空气弹簧气囊上部与囊式空气弹簧上部基本相同，其下部则与膜式空气弹簧气囊类似，兼有膜式和囊式空气弹簧的特点3。1.3 汽车空气悬架系统的优缺点1.3.1 汽车空气悬架系统的优点与传统的钢板弹簧相比，空气悬架系统具有无可比拟的优点1：（1）汽车空气弹簧具有非线性的刚度特性，可以使其在额定载荷附近具有较低的刚度值可以得到较低的固有振动频率，提高汽车的行驶平顺性。（2）汽车空气悬架质量轻，刚度低，高速行驶时会提高轮胎的附着能力，同时在转向时，可以使过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性。（3）当载荷发生变化时，利用高度控制阀，可以很容易地调整车身高度，使其保持不变，提高汽车的行驶平顺性。（4）相对于钢板弹簧而言，空气悬架能够更有效地减小车身的振动，更有效地减小由于路面不平所引起的振动。1.3.2 汽车空气悬架系统的缺点同时，空气悬架也存在一些缺点：（1）结构复杂、制造成本高。（2）空气弹簧的尺寸大，在汽车上布置较困难。必须装配横向稳定器。（3）密封困难。空气悬架需要密封的部位比较多，如果密封不好，就会直接影响空气悬架的性能。1.4 国内空气悬架发展现状及发展环境近些年空气悬架在我国的应用开始大量地向中高档客车发展。目前，在全国销售的大、中型客车中，配置空气悬架的客车已经占总量的8%左右。由于空气悬架需求量的增大，国内已经有一些企业正在开发生产空气悬架系统及其零部件。我国已经通过标准法规体系的制定，引导、推动空气悬架在商用车上的应用，在交通部营运客车类型划分及等级评定（JT/T 325一2002)标准中规定，大型客车高一级、高二级、高三级必须全部采用空气悬架，在中型客车高二级、高一级A型中也必须全部采用空气悬架。新修订的道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值（GB1589一2004）规定：双轴汽车驱桥的最大允许轴荷限值在配置空气悬架时为11500kg，普通悬架最大限值为10000kg；三轴汽车驱动轴为每轴每侧双轮胎且配置空气悬架时，允许轴荷的最大限值19000kg，普通悬架最大限值l8000kg。可以看出，随着我国标准法规的日益完善、执法力度的不断加强和超载超限治理工作的持续推进，空气悬架在我国汽车上的应用范围将不断扩大。1.5 空气悬架系统在我国的应用前景及发展趋势世界发达国家的汽车制造企业纷纷投巨资研制新一代空气悬架产品，通过采用高新技术，最大限度地提升载货汽车的技术水平。目前，在我国，空气悬架系统还处于仿制或者直接购买产品阶段4，国内科研人员正在不断地对空气悬架展开理论研究，同时对空气悬架与整车的匹配技术，空气弹簧的设计和制造技术，空气悬架导向机构设计以及空气悬架系统的控制技术进行深入、细致地研究。空气悬架系统的小型化、刚度的可调整性以及智能控制是其发展的必然趋势。伴随着计算机技术的迅猛发展，空气悬架系统的智能控制技术也将得到快速地发展。在技术应用方面，主要体现在应用空气悬架以后对汽车的乘坐舒适性、安全性、动力性、经济性、环保性、可靠性等方面性能的不断改善；在市场推广方面，主要围绕客户不断细分的市场进行专业化应用车型的开发，产品品种不断增加。我国是近年来国民经济生产总值增长最快的国家，随着经济水平的不断提高，由于空气悬架系统所具有的非线性、变刚度的特性，因此在对经济增长有着重要影响的交通运输领域，推广运用空气悬架系统具有广阔的发展空间。56第二章 奥迪Q7空气悬架概论及工作原理2.1 奥迪Q7空气悬架概论2.1.1 奥迪轿车四级空气悬架主要结构奥迪轿车四级空气悬架主要由空气弹簧、空气供给装置、气动装置、电磁阀、温度传感器(G290)、压力传感器(G2)、水平传感器(G76、G77、G78、G289)、指示灯(K134)和操纵单元E281等组成，其元件安装位置如图1所示。图一 奥迪Q7四级空气悬架原件安装位置2.1.2 水平调节机构四个水平高度等级四级空气悬架是一种全支撑式水平调节机构，它在前桥使用了传统的减振器，而后桥使用了与载荷有关的减振器。共有四个水平传感器，它们分别用于获知每个车桥上车身的水平状况。每个空气弹簧悬架都配有一个所谓的空气弹簧阀(横向截止阀)，这样每个车桥就可以单独来进行调节了。该系统共有四个水平高度等级，最小离地间隙在这四个水平高度等级中可变化66mm，可手动或自动来调节。其中，第一级(低(TN)最小离地间隙为142mm；第二级(正常(NN)最小离地间隙为167mm；第三级(高1(HN1)最小离地间隙为192mm；第四级(高2 (HN2)最小离地间隙为208mm。2.1.3 水平调节操控单元水平调节操纵单元E281用于操纵四级空气悬架及显示/控制系统状态，如图2所示。图二 水平调节操控单元E281面板在正常的行驶工况时，某些底盘高度变化过程是自动完成的。司机也可以通过“升高”或“降低”按键可随时选择相应的底盘高度。如果只按“升高”键一次，那么底盘高度就切换到下一个较高的高度上。如果多次按压“升高”键，那么就可以多次切换(如从低直接切换到高1)。但是，只有当已经到达高1后才能选择高2。可按上述按“降低”按键来选择较低的底盘高度。多次按压(三次)可直接从高2切换到低。显示区上有四个重叠安装的LED，它们是常亮的，用于表示当前的底盘高度状态。只有底盘高度切换所触发(不管是手动的还是自动的)的调节过程才会由一个或多个LED的闪烁来表示。一旦达到了所需要的高度，闪烁就变成常亮了。“升高”按键和“降低”按键内的LED表示操纵的方向，如果LED闪烁，就表示拒绝进行底盘高度调节(例如因车速过高)。如果实际高度值与规定高度值偏离较大，那么LED就会闪烁以提醒司机(按相应的高度切换)。按住“降低”按键或“升高”按键至少3s，就可以接通或再次关闭所谓的“手动模式”。黄色的带有“man”字样的LED就表示现在处于手动模式状态。在手动模式时，“驻车高度调节”和“高速公路模式”的自动功能就被关闭了。如果同时按住这两个调节按键的时间超过5s，那么调节功能就会被关闭或接通。在调节功能被关闭时，操纵单元上的手动模式LED、两个高度调节按键以及指示灯K134就会亮起。高度LED常亮来表示高度状态。当车速超过约10km/h时，如果在此之前调节功能已被关闭，那么该功能会被自动接通(但是在识别出车是在升降台模式时该功能不会被接通)。也可以使用诊断仪器来关闭调节功能。2.2 奥迪Q7空气悬架工作模式2.2.1 自动降低模式当车辆处于高2状态时，若车速35km/h，那么底盘高度会自动降到高1状态。只有当车速80km/h，会自动降至正常状态。只有当车速75 km/h时才能(手动)进入高1状态。车在行驶时，不会自动进入高1或高2状态。必须要司机通过手动来选择。驻车时的状态是个例外。驻车时，当发动机关闭且车门上锁后，汽车底盘自动进入高1状态。2.2.2 高速公路模式如果车辆以超过120 km/h的速度行驶30s以上(车辆此时已经处于正常状态)，那么底盘高度会自动降至低状态。这样就可降低风阻(节省燃油)并且降低车辆中心(改善了行驶动力性)。2.2.3 驻车模式驻车状态可保证车辆在关闭发动机停放较长时间后还能保持足够的底盘高度(由于冷却和扩散，容积减小是正常的)。另外还可方便上人和装载货物，也改善了停放车辆的外观。驻车时底盘高度相当于高1(HN1)。在下述情况下，车辆底盘会被调至驻车状态：(1)该系统还在继续运行且已从外面将车辆上锁时；(2)蓄压器内还有足够的压力时；(3)当该系统未被切换到手动模式时。在达到下述车速值和时间值时才会重新进入正常状态：(1)车速120 s；(2)车速30 s；(3)车速5 km/h 时；立即进入正常状态。当车速超过80 km/h或手动切换到一个较低的底盘高度时，才会脱离驻车(PN=HN1)状态。如果车辆此时已在高2(HN2)状态，那么不会进入到驻车状态。在手动模式时，高速公路模式和驻车调节就被关闭了。2.2.4 ESP安全切换模式水平高度调节控制单元J197根据四个水平传感器信号来判断车辆是否在转弯。出于安全原因，车辆在转弯时是不能进行底盘高度切换的。如果识别出车辆在转弯，那么就不会执行调节过程，正在进行的调节过程也会被终止。想要设定的底盘高度会被存储起来，在识别出车辆直线行驶后会重新按此来调节。在奥迪四驱车(quattro)上，可以通过“ESP”按键来启动ESP干涉功能。如果启动了ESP干涉功能(通过“ESP”按键，ESP指示灯亮起)，那么横向动态调节(防侧滑功能)就不工作了(但在制动时是工作的)2.3 部件的工作原理2.3.1 空气弹簧前部空气弹簧是新开发的。与后桥一样，空气弹簧与减振器一同构成减振支柱。后桥空气弹簧在结构和功能上与奥迪 A6 quattro的自水平调节装置是一样的。后减振支柱上的空气弹簧(开卷活塞)与减振器之间的连接/密封采用的是双层卡口式连接件来实现的。而前减振支柱则是采用一个单层的密封式插头连接来实现的。在安装带有减振器的空气弹簧时不要使用润滑剂或油脂。插头连接和O形环必须绝对干净且无油脂。安装空气弹簧前，先将O形环装在减振器的第二段上，注意圆周方向要均匀。将空气弹簧(活塞)插到减振器上，用力往一起推。于是O形环随移动的活塞运动到第三段上，O形环在此处支撑并密封空气弹簧。如图3所示。安装后减振支柱时，卡口式连接必须绝对干净，在装配前应涂上专用润滑脂。装配时要先推上空气弹簧，然后再转动空气弹簧。装配和运输减振支柱总成时，不可抓住活塞，因为在无压力状态时，活塞很容易被推回去。如果密封圈在被推动(由空气弹簧压力来推动)安装的过程中出现不均匀的情况，那就会引起空气弹簧泄漏。在无压力状态下不要移动空气弹簧，因为在这种情况下管状气囊无法在活塞上展开，因而会造成其损坏。如果车上的空气弹簧已经没有压力了，那么在举升和降下车辆前(如使用举升平台或举升器)，必须使用诊断仪器来给相应的空气弹簧充气。图三 前减振支柱 图四 四级空气悬架压缩机安装位置空气弹簧的工作压力：前弹簧工作压力为0.600.90MPa；后弹簧工作压力为0.611.09MPa；2.3.2 空气压缩机四级空气悬架压缩机安装在车外，且无隔音板(在备胎坑前部)，如图4所示。因压力存储系统的原因，压缩机工作压力升至1.60MPa，由于压缩机转速低，因而噪音小。压缩机通过备胎坑内的一个空气滤清器/噪音消除器来吸气和排气(车内)，吸气排气管中还有一个噪音消除器，它用于将气流噪声降至最低(尤其是排气时)。压缩机的温度是通过压缩机缸盖上的一个温度传感器和控制单元内的一个计算公式来进行监控。正常工作状态时，只有发动机运转才允许压缩机工作，但在执行元件诊断、系统基本设定、识别出底盘极低时的预运行时，压缩机不工作。四级空气悬架气动原理如图5所示。图五 四级空气悬架气动原理2.3.3 蓄压器蓄压器是铝制的，如图6所示。其容积约为6.5L，最大工作压力约为1.60MPa。当车速36 km/h时才会给蓄压器充气。当车速36 km/h时主要由压缩机供气。这种空气供给策略使得系统运行噪声小，且可降低电流消耗。蓄压器可使底盘快速升高，而噪声又最小，这是因为只有在车辆行驶时才给蓄压器充气，而在行驶时压缩机运行的噪声就不那么明显了。只要蓄压器内有足够的压力，就可以不借助压缩机来升高底盘高度。足够的压力指的是在底盘升高之前，蓄压器与空气弹簧之间的压力差要不低于0.30MPa。图六 蓄压器安装位置2.3.4 电磁阀四级空气悬架总共有6个电磁阀，如图7所示。图七 电磁阀位置示意图排气阀N111与气动排气阀一起构成一个功能单元，该单元集成在干燥器壳体内，如图4所示。排气阀N111是一个二位三通阀，不通电时它是关闭的。气动排气阀的作用是限制压力以及保持残余压力。四个空气弹簧阀N148、N149、N150、N151和蓄压阀 N311组成一个阀单元。它们都是二位二通阀，不通电时是关闭的。空气弹簧一侧/蓄压器一侧的压力是沿关闭方向作用的。为了避免在连接压力管路时出现混淆的情况，压力管路上都标有颜色。阀体的接口上有颜色点用于指示匹配状况。2.3.5 温度传感器 G290为了提高系统的工作可靠性，压缩机缸盖上装有温度传感器 G290(如图4所示)。控制单元J197内有一个温度模型曲线(计算公式)，该曲线用于在底盘升高调节的时间最长时防止压缩机过热。为此控制单元要根据压缩机的运行时间和温度信号计算出压缩机的最高允许温度，并在超过某个界限值时关闭压缩机或不让压缩机接通。2.3.6 压力传感器 G291压力传感器G291集成在阀单元内(如图8所示)图八 压力传感器G291安装位置用于监控蓄压器和空气弹簧的压力。在检验底盘升高功能的可靠性和自诊断时需要使用蓄压压力这个信息。通过操纵相应的电磁阀就可确定空气弹簧的压力和蓄压器压力。测量压力是在空气弹簧或蓄压器排气或充气时来进行的。这样测得的压力由控制单元存储并更新。另外，蓄压器内的压力在车辆正在行驶时，每6min就重新测量一次(更新)。2.3.7 车辆水平传感器G76、G77、G78、G289水平传感器就是所谓的转角传感器。借助一个连杆机构可将车身水平变化转换成角度变化。转角传感器主要是由定子和转子组成。定子由多层电路板构成，电路板上有励磁线圈、三个接收线圈以及控制分析电子装置。这三个接收线圈布置成多角星形，相位是彼此错开的。励磁线圈装在电路板的背面。转子由一个封闭的线匝构成，线匝上连着传感器臂(匝与传感器臂一同转动)。线匝的形状与接收线圈的形状是一样的。奥迪全驱车(quattro)上使用的角度传感器是非接触式的，利用的是感应原理。这种水平传感器的一个特点是：它可产生两个不同的且与转角成比例的输出信号。这个特点使得这种传感器既可用于四级空气悬架，也可用于大灯照程调节。这四个水平传感器结构是相同的，只是支架和连杆根据左右和车桥的不同而有所不同。左、右传感器臂的偏转方向是相反的，所以输出的信号也是相反的。例如：车身一侧的传感器输出信号在空气悬架压缩时如果是增大的话，那么在车身另一侧该输出信号则是减小的。左侧的水平传感器(左前G78和左后G76)是由大灯照程调节控制单元J431来供电的；右侧的水平传感器(右前G289和右后G77)是由四级空气悬架控制单元J197来供电的。这样可保证在J197出故障时，大灯照程调节功能仍能正常工作。2.3.8 水平高度调节操纵单元 E281操纵单元的操作E281与控制单元J197采用数据线(K-线)连接。在操纵单元内集成有一个电子单元，这个电子单元会分析水平按键信号并将信号作为相应的数据协议经K-线发送到控制单元J197上。控制单元J197将车辆水平/系统状态方面的信息经K-线返给E281，电子单元根据这些信息控制相应的LED。由于自诊断的原因，“升高”按键被设计成冗余附加接口，如图9所示。图九 E281与J197单元之间的连接2.3.9 水平高度调节控制单元J197该系统的中心部件就是这个控制单元，它除了执行调节功能外，还对整个系统进行监控和诊断。该控制单元接收来自水平传感器的信号，根据这些信号计算出当前车辆的水平高度状态。当前的水平高度状态与规定的状态值进行对比再根据其他输入量(接口)以及内部调节参数(反应时间和水平高度偏差)进行相应的校正各种调节状态是有区别的，它们是通过不同的调节结构来实现。奥迪轿车四级空气悬架电路控制图如图10所示。图十 奥迪Q7四级空气悬架电路控制图第三章 故障诊断3.1 故障诊断的概述对于四级空气悬架来说，规定的水平高度值的基本设定是通过在正常高度状态时输入车身高度测量值来完成的。这个测量值(就是车轮中心点到车轮开口的垂直距离)必须用诊断仪在功能10(自适应)中输入到控制单元中。代码用于定义正常高度时的规定高度值(全驱quattro车为402mm)。这就是说：水平高度传感器这个尺寸的设计规定值已设定完成了。因所涉及的部件存在公差，因此实际值(测量值)与名义值(规定值)之间存在一定的偏差。控制单元通过输入的实际值可判断出与规定值的偏差，水平高度传感器的设计规定值按该偏差进行匹配。3.1.1 故障导航编码编码在故障导航里完成，编码之前应找到5位数的码，这5位数的码的含义如下：第一位数不用，给定值为 0。第二位数，安装了挂车控制单元为1，不带挂车控制单元为2。第三位数为减振识别参数，1VJ(8缸发动机)为0；1VG/1VH +1X0(4缸/6缸前驱车型)为1；1VG/1VH +1X1(4缸/6缸四驱车型)为2。第四位数，其他国家为0；坏路国家为1。第五位数不用，给定值为 0。3.1.2 初始化 (Login 31564) /匹配(Login 02348)售后初始化(KDI)的进行与生产线初始化(BDI)一样，比如更换高度传感器和控制单元，为此要校正高度传感器, 通过输入一个正确值并永久存储控制单元里。高度理论值存储在控制单元的ROM里并得出：从轮中心到翼子板测得的理论值(mm)作为正确值，为了准确，按下面的程序通过一个诊断仪(KWP2000)把测得的高度值传输到控制单元里。在诊断仪功能16(授权)输入登录码31564(或者用BDI功能的GE11“登录”)，功能被释放用诊断仪功能10(匹配)，测得的高度值依次传