电控空气悬架技术.doc

汽车主动悬架一、概 述（一）、汽车悬架系统的作用及组成 悬架是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。它的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都传递到车身上，以保证汽车的正常行驶。 汽车悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都是由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成（图 1）。由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车身时，可能引起汽车机件的早期损坏；传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车身与车轮之间作弹性联系。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。故悬架系统还应具有减振作用，以使振动迅速衰减，振幅迅速减小。为此，在许多形式的悬架系统中都设有专门的减振器。 车轮相对于车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则就会影响汽车的操纵稳定性，因此，悬架系统中还应具有导向机构（如图 1中的横、纵向推力杆），以使车轮按一定的轨迹相对于车身跳动。 由此可见，上述这三个组成部分分别起缓冲、减振和导向的作用，然而三者共同的任务则是传力。在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中还设有辅助弹性元件-横向稳定器。 应当指出，悬架系统只要求具备上述各个功能，在结构上并非一定要设置上述这些单独的装置不可。例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置，并且一端与车架作固定铰链连接时，就可担负起决定车轮运动轨迹的任务，因而就没有必要再设置其它导向机构。此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，它本身即具有一定的减振能力，因而对减振要求不高时，在采用钢板弹簧作为弹性元件的悬架系统中，就可以不装减振器（例如，一般中型货车的后悬架和重型货车悬架中都不装减振器）。（二）、对汽车悬架系统的要求 汽车悬架系统对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性都有较大的影响。所谓行驶平顺性是指汽车在行驶过程中，保持驾驶员和乘员处于振动环境中具有一定的舒适度，或保持所载物资完好的能力。汽车的操纵稳定性则包括两方面的含义：一是汽车是否具有正确遵守驾驶员操纵转向机构所给规定方向行驶的能力，即所谓的操纵性；二是汽车在外界条件（如地面不平、坡道、大风等）干扰下，能否保持原方向行驶的能力，即所谓的稳定性。在悬架系统设计时应尽可能做到既能使行驶平顺性（即乘坐舒适性）达到令人满意的程度，又能使其操纵稳定性（即行驶安全性）也达到最佳的状态。然而，这两个要求在悬架系统的设计中往往是矛盾的。 平顺性和操纵稳定性对汽车悬架系统这一互为矛盾的要求，在传统的被动悬架系统设计中几乎无法同时满足。即使经过慎重的权衡，通过最优控制理论使悬架系统在平顺性和操纵稳定性之间寻求一个折衷的方案，而这种最优的折衷也只能是在特定的道路状态和速度下达到。 为了克服传统的被动悬架系统对其性能改善的限制，在现代汽车中采用和发展了新型的电子控制悬架系统。电子控制悬架系统可以根据不同的路面条件，不同的载重质量，不同的行驶速度等，来控制悬架系统的刚度、调节减振器的阻尼力大小，甚至可以调整车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳的组合。（三）、汽车悬架的分类及性能 悬架的结构形式很多，分类方法也不尽相同。若按导向机构的形式来分可分为独立悬架和非独立悬架两大类。如果从控制力的角度来分，则可把悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三大类。 1、被动悬架 一般的汽车绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架。由于这种常规悬架系统内无能源供给装置，悬架的弹性和阻尼参数不会随外部状态而变化，因而称这种悬架为被动悬架。这种悬架虽然往往采用参数优化的设计方法，以求尽量兼顾各种性能要求，但在实际上由于最终设计的悬架参数是不可调节的，所以在使用中很难满足高的行驶要求。 2.半主动悬架 半主动悬架可视为由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统，虽然它不能随外界的输入进行最优控制和调节，但它可按存贮在计算机内部的各种条件下弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态。半主动悬架又称无源主动悬架，因为它没有一个动力源为悬架系统提供连续的能量输入，所以在半主动悬架系统中改变弹簧刚度要比改变阻尼状态困难得多，因此在半主动悬架系统中以可变阻尼悬架系统最为常见。半主动悬架系统的最大优点是工作时几乎不消耗动力，因此越来越受到人们的重视。 3.主动悬架 主动悬架是一种具有作功能力的悬架，通常包括产生力和扭矩的主动作用器（油缸、汽缸、伺服电机、电磁铁等）、测量元件（如加速度、位移和力传感器等）和反馈控制器等。因此，主动悬架需要一个动力源（液压泵或空气压缩机等）为悬架系统提供连续的动力输入。当汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件发生变化时，主动悬架系统能自动调整悬架刚度（包括整体调整和各轮单独调整），从而同时满足汽车的行驶平顺性，操纵稳定性等各方面的要求，其优点可归纳为如下几个方面： （1）悬架刚度可以设计得很小，使车身具有较低的自然振动频率，以保证正常行驶时的乘坐舒适性。汽车转向等情况下的车身侧倾，制动、加速等情况下的纵向摆动等问题，由主动悬架系统通过调整有关车轮悬架的刚度予以解决。而对于传统的被动悬架系统，为同时兼顾到侧倾、纵摆等问题，不得不把悬架刚度设计得较大，因而正常行驶时汽车的乘坐舒适性受到损失。 （2）采用主动悬架系统，因不必兼顾正常行驶时汽车的乘坐舒适性，可将汽车悬架抗侧倾、抗纵摆的刚度设计得较大，因而提高了汽车的操纵稳定性，即汽车的行驶安全性得以提高。 （3）先进的主动悬架系统，还能保证在车轮行驶中碰抵砖石之类的障碍物时，悬架系统在瞬时将车轮提起，避开障碍行进，因而汽车的通过性也得以提高。 （4）汽车载荷发生变化时，主动悬架系统能自动维持车身高度不变。在各轮悬架单独控制的情况下，还能保证汽车在凸凹不平的道路上行驶时，车身稳定。 （5）普通悬架在汽车制动时，车头向下俯冲。而装有某些主动悬架系统的汽车（如沃尔沃740型小轿车）却不存在这种情况。制动时，该车尾部下倾，因而可以充分利用后轮与地面间的附着条件，加速制动过程，缩短制动距离。 （6）装有某些主动悬架系统的汽车在转向时，车身不但不向外倾斜，反而向内倾斜，从而有利于转向时的操纵稳定性。 （7）主动悬架可使车轮与地面保持良好接触，即车轮跳离地面的倾向减小，保持与地面垂直，因而可提高车轮与地面间的附着力，使车轮与地面间相对滑动的倾向减小，汽车抗侧滑的能力得以提高。轮胎的磨损也得以减轻，转向时车速可以提高。 （8）在所有载荷工况下，由于车身高度不变，保证了车轮可全行程跳动。而传统的被动悬架系统中，当汽车载荷增大时，由于车身高度的下降，车轮跳动行程减少，为不发生运动干涉，不得不把重载时的悬架刚度设计得偏高，因而轻载时的平顺性受到损失。而主动悬架系统则无此问题。 （9）由于车身高度不变，侧倾刚度、纵摆刚度的提高，消除或减少了转向传动机构运动干涉而发生的制动跑偏、转向特性改变等问题，因而可简化转向传动机构的设计。 （10）因车身平稳，不必装大灯水平自调装置。 主动悬架系统的主要缺陷是成本较高，液压装置噪音较大，功率消耗较大。（四）、电子控制悬架系统 主动悬架和半主动悬架系统按其控制方式又可分为机械控制悬架系统和电子控制悬架系统。 图 2为最早在英国伦敦的公共汽车上首先采用的一种主动悬架系统，这是一种纯机械式控制系统。系统中有四个油气弹簧和高度控制阀，油泵和贮压器可使供油管路中维持稳定的高压，四个高度控制阀则分别控制四个油气弹簧中的油压，从而控制了四个油气弹簧的刚度。汽车载荷增大时，高度控制阀动作，油气弹簧中油压上升，反之则油压下降，直至车身高度达到设定值为止。汽车转向时，外侧两个高度控制阀增大两个外侧油气弹簧的油压，内侧两个油气弹簧油压则下降，从而维持车身水平，即提高了车身抗侧倾能力。制动（或加速）时，则前面两个（或后面两个）高度控制阀使前面两个（或后面两个）油气弹簧中的油压上升，另外两个油气弹簧中的油压下降，维持车身水平，即提高了车身的抗纵摆能力。 为了保证车轮正常跳动时防止高度控制阀误动作，在高度控制阀与车轮摆臂的连接传感元件中装有缓冲减振装置（图中未画出）。该缓冲减振装置的振动特性必须与车轮悬架的振动特性良好匹配才能保证系统正常工作。这一点完全靠机械振动系统的合理设计来保证。 图 3为法国某些雪铁龙汽车上采用的主动悬架系统（由英国开发）。也是一种纯机械控制系统，其主要特点是：前桥采用了两个高度控制阀，两个油气弹簧；后桥采用了一个高度控制阀，一个油气弹簧。两个前油气弹簧的液压缸分别于对角线处的两个对应的后液力滑柱的下腔相通，两个后液力滑柱的上腔均与后油气弹簧的液压腔相通。主液压管路中的液压由油泵和贮压器维持。 机械控制悬架系统的特点是结构简单，成本低，但是机械控制悬架系统存在着控制功能少，控制精度低，不能适应多种使用工况等问题。所以，近年来随着电子技术的飞速发展，随着车用微机、各种传感器、执行元件的可靠性和寿命的大幅度提高，电子控制技术被有效地应用于悬架系统控制中。二、主动悬架系统工作原理主动悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元（ECU）控制悬架执行机构，使悬架系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数得以改变，从而使汽车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。（一）、主动式空气悬架系统工作原理 图 4所示为丰田索阿拉高级轿车电子控制主动式空气悬架系统的构成图。它主要由空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、带有减振器的空气弹簧、悬架控制执行器、悬架控制选择开关及电子控制单元等组成。空气压缩机由直流电机驱动，形成压缩空气，压缩空气经干燥器干燥后由空气管道经空气电磁阀送至空气弹簧的主气室。当车身需要升高时，电子控制单元控制空气电磁阀使压缩空气进入空气弹簧的主气室（见图 5（b），使空气弹簧伸长，车身升高；当车身需要降低时，电子控制单元控制电磁阀使空气弹簧主气室中压缩空气排到大气中去（见图 5（a），空气弹簧压缩，车身降低。在空气弹簧的主、辅气室之间有一连通阔，空气弹簧的上部装有悬架控制执行器（图中未画出）。电子控制单元根据各传感器输出信号，控制悬架执行器，一方面使空气弹簧主、辅气室之间的连通阀发生改变，使主、辅气室之间的气体流量发生变化，因此而改变悬架的弹簧刚度；另一方面，执行器驱动减振器的阻尼力调节杆，使减振器的阻尼力也得以改变。 丰田索阿拉轿车采用的主动式空气悬架系统中，车高、弹簧刚度和减振器阻尼力可同时得到控制，且各自可以取三种数值，其所取数值由电子控制单元根据当时的运行条件和驾驶员选定的控制方式决定。驾驶员可以任意选择四种自动控制模式，即控制车身高度的“常规值自动控制”和“高值自动控制”，以及控制弹簧刚度和减振器阻尼力的“常规值自动控制”和“高速行驶时自动控制”，具体控制内容如下： 1.利用弹簧刚度/减振器阻尼力进行控制 （1）抗后坐：通过传感器检测油门踏板移动速度和位移。当车速低于20km/h且加速度大时（急起步加速），ECU通过执行器将弹簧刚度和减振器阻尼力调到高值，从而抵抗汽车起步时车身后坐。如果此时驾驶员选择了“常规值自动控制”状态，则弹簧刚度和减振器阻尼力由软调至硬；如果此时驾驶员选择了“高速行驶自动控制”状态，则刚度和阻尼力由中调至硬。 （2）抗侧倾：由装于转向轴的光电式转向传感器检测转向盘的操作状况。在急转弯时，ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力转换到高（硬）值，以抵抗车身侧倾。 （3）抗“点头”：在车速高于60 km/h时紧急制动，ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力调到高（硬）值，而不管驾驶员选择了何种控制状态，以抵抗车身前部的下俯。 （4）高速感应：当车速大于110km/h时，系统将使弹簧刚度和减振器阻尼力调至中间值，从而提高高速行驶时操纵稳定性。既使驾驶员选择了“常规值自动控制”状态（刚度和阻尼处于低、软值），系统也将刚度和阻尼力调至中间值。 （5）前、后关联控制：车速在30-8O km/h范围内时，若前轮车高传感器检测出路面有小凸起（例如前轮通过混凝土路面接缝等），则在后轮越过该凸起之前，系统将使弹簧刚度和减振器阻尼力调至低（软）值，从而提高汽车乘坐舒适性。此时既使驾驶员选择了高速行驶状态（刚度和阻尼力为中间值），系统仍将刚度和阻尼力调至低（软）值。为了不影响高速时的操纵稳定性，这种动作在车速为80km/h以下才发生。 （6）坏路、俯仰、振动感应：车速在40-100km/h范围内，当前轮车高传感器检测出路面有较大凸起时（例如汽车通过损坏的铺砌路面等），系统将弹簧刚度和减振器阻尼力调至中间值，以抑制车体的前后颠簸、振动等大动作，从而提高汽车的乘坐舒适性和通过性.而不管驾驶员选择了何种控制状态。 车速高于100km/h时，系统将使刚度和阻尼力调至高（硬）值。 （7）良好路面正常行驶：弹簧刚度和减振器阻尼力由驾驶员选择，“常规值自动控制”状态，刚度和阻尼力处于低（软）值；“高速行驶时自动控制”状态，则刚度和阻尼力为中间值。 2.车身高度控制 由左右前轮和左后轮三个车身高度传感器发出车高信号，ECU发出指令来进行车身高度调整。 （l）高速感应：当车速高于9Okm/h时，将车身高度降低一级，以减小风阻，提高行驶稳定性。如果驾驶员选择了“常规值自动控制”状态，则车身高度值由中间值（标准值）调至低值；如果驾驶员选择了“高值自动控制”状态，则车高由高值调至中间值（标准值）。在车速为60km/h时，车高恢复原状。 （2）连续坏路面感应：汽车在坏路面上连续行驶，车高信号持续2.5s以上有较大变动，且超过规定值时，将车高升高一级，使来自路面的突然抬起感减弱，并提高汽车的通过性能。 连续坏路且车速大于4Okm/h小于90km/h时，不论驾驶员选择了何种控制状态，都将车高调至高值，以减小路面不平感，确保足够的离地间隙，提高乘坐舒适性。 车速小于4Okm/h时，车高则完全由驾驶员选择，选择“常规值自动控制”时，车高为中间值（标准值）；选择“高值自动控制”时，车高为高值。 在连续坏路面上，车速高于9Okm/h时，不管驾驶员选择了何种控制状态，车高都将调至中间值，这样做是为了避免车身过高对高速行驶稳定性产生不利影响。 另外，还具有驻车时车高控制功能。当汽车处于驻车状态时，为了使车身外观平衡，保持良好的驻车姿势，在点火开关断开后，ECU即发出指令，使车身高度处于常规模式的低状态。（二）、主动式油气弹簧悬架系统工作原理 油气弹簧以气体（一般是惰性气体-氮）作为弹性介质，而用油液作为传力介质。它一般是由气体弹簧和相当于液力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，而通过电磁阀控制油液管路中的小孔节流实现变阻尼特性。图 6所示为雪铁龙XM轿车的主动式油气弹簧悬架布置图，从图中可以看到，它有五个基本行车状态的传感器。 其中，转向盘转角传感器安装于转向柱上，通过转向盘转角信号间接地把汽车转向程度（快慢、大小）的信息送给微机。 加速度传感器实际上是与油门踏板连接的油门动作传感器，间接地将加速动作信号送给微机。制动压力传感器安装于制动管路中，当制动时，它向微机发送一个阶跃信号，表示制动，使微机产生抑制“点头”的信号输出。 车速传感器安装于车轮上，送出与转速成正比的脉冲，微机利用它和转向盘转角信号，可以计算出车身的侧倾程度。 车身位移传感器安装于车身与车桥之间，用来测量车身与车桥的相对高度，其变化频率和幅度可反映车身的平顺性信息，同时还用于车高自动调节。 该系统的工作原理如图 7所示。在图 7中，电磁阀7在微机指令下向右移动，从而接通压力油道，使辅助液压阀8的阀芯向左移动，中间的油气室9与主油气室连通，使总的气室容积增加，气压减小，从而刚度变小，所以9又称为刚度调节器。a、b节流孔是阻尼器，在上图图示位置，系统处于“软”状态。 下图中，电磁阀7中无电流通过，在弹簧作用下，阀芯左移，关闭压力油道，原来用于推动液压阀8的压力油通过阀7的左边油道泄放，阀8阀芯右移，关闭刚度调节器9，气室总容积减小，刚度增大，使系统处于“硬”状态。 在正常行车状态时，系统处于“软”状态，以提高乘坐的舒适性，当高速、转向、起步和制动时，系统处于“硬”状态，以提高车辆的操纵稳定性。（三）、带路况预测传感器的主动悬架系统 图 8所示为带有路面状况预测传感器的主动悬架示意图。该系统中包括一个悬架弹簧16和一个单向液压执行器14，控制阀6通过油管8与单向液压执行器的油压腔相通。油管上还接有一个支管8a，该支管与一个储压器11相连，储压器内充有气体，这些可压缩的气体可以产生一种类似弹簧的效果。另外，支管的中间还设有一个主节流孔12，以限制储压器和油压腔之间的油流，从而形成减振作用。在油管和储压器之间还设有一个旁通管路8b，该旁路上带有一个选择阀10和一个副节流孔9，副节流孔的直径大于主节流孔的直径。当选择阀打开时，油流通过选择阀的副节流孔，在储压器和油压腔之间流动，从而减小振动阻尼。采用这样的装置可以使悬架系统在选择阀的作用下，具有两种不同的阻尼参数。 控制阀的开度可以随控制电流的大小而改变，以控制进入油管的油量，进而控制施加到液压执行器的油压，随着输入控制阀的电流的增加，液压执行器的承载能力也增加。 在该悬架系统中，输入到控制单元ECU的信号有：各轮上设置的检测车身纵向加速度的传感器输出信号，路面状况预测传感器测出的车辆前方是否有凸起物及其大小的检测信号，在各车轮处检测车身高度的传感器输出信号及车速传感器输出的车速信号等。控制单元根据这些信号，对设置在各车轮上的控制阀和选择阀进行控制。 图 9所示为路况预测传感器的设置情况。这种传感器通常为超声波传感器，频率为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。 在车辆正常行驶时，选择阀关闭，液压执行器的油压腔通过主节流孔与储压器相通，它可以吸收并降低因路面不平而引起的微小振动。当车辆上的路况预测传感器发现路面上有将引起振动的凸起物时，控制单元便控制选择阀打开，并将悬架系统的阻尼系数减小到一个特定的值上。 图 10所示为路况预测传感器的输出信号，输出信号的幅值与路面凸起物的大小成正比。如果完全按照传感器输出信号进行控制，悬架系统的阻尼变化就会过于频繁，因此，在控制系统中设置了一个低阈值V1。另外，如果在车辆通过一个很大的凸起物时，悬架系统的阻尼系数若调整得过低，就可能会产生极大的冲击力，形成悬架底部与车桥的刚性碰撞，因此，控制系统中还设定了一个高阈值V2。只有在路况预测信号介于V1和V2之间时，控制单元才输出一个打开选择阀的控制信号。 控制单元在检测路况传感器输出信号的同时，也不断地检测车速。根据车速可以估算出测得的凸起物和实际车轮通过凸起物之间的滞后时间。选择阀应恰好在车轮通过凸起物时打开，这样，在车轮通过凸起物时，悬架的阻尼系数只是作短暂变化，车轮过了凸起物后，选择阀便再次关闭。具有路况预测传感器（声纳系统）的主动悬架系统可以在汽车到达之前对路面情况进行预测处理，因而大大改善了悬架的工作性能，装有这种系统的车辆在不平的路面上行驶时，甚至可以不扶转向盘。图 11为日产公司具有声纳系统的悬架构成图。三、电子控制悬架系统主要部件的结构（一）、悬架阻尼调节装置 图 12所示即为应用了压电传感器和压电执行器的压电式减振器结构。 压电式减振器主要由压电传感器、压电执行器和阻尼力变换阀三部分组成。压电传感器和压电执行器所用的压电元件是一个压电陶瓷元件，其主要成分是铅、锆和铁。压电元件都是利用压电效应的原理进行工作的。如图 13所示，当在压电元件上施加外力时，压电元件将产生电压，这一现象称为压电正效应；而给压电元件施加电压，则压电元件将产生位移，这一现象称为压电负效应。压电传感器6就是根据压电正效应进行工作的。当由颠簸路面而引起的冲击力作用在减振器支撑杆上时，由于压电正效应的作用，在压电传感器上大约2s的短时间内就可产生电压信号。图 14所示为压电传感器的构造。图中压电元件有5层，每层厚度为0.5mm。 电子控制单元接收到压电传感器的电压信号后，立即对压电执行器施加电压。图 15所示为压电执行器的结构。由88个压电元件所组成的压电执行器根据电子控制单元发出的指令被施加电压后，由于压电负效应的作用，在约5ms的时间内产生50m左右的位移。此位移经活塞和推杆所放大后，使阻尼力变换阀动作。图12（b）为压电执行器未动作时的“硬”工况。图 12（c）为压电执行器动作后的“软”工况。压电式减振器从出现颠簸信号到阻尼力变换阀动作仅需几毫秒的时间，因此这种减振器阻尼力电子控制系统具有很高的响应能力。（二）、空气悬架刚度调节装置 1.空气悬架系统的构造 图 16所示为空气悬架的基本构造，图示的空气悬架主、辅气室设计为一体，这样既省空间，又减轻了质量。悬架的上端与车身相连，下端与车轮相连，随着车身与车轮的相对运动，主气室的容积在不断地变化。主气室与辅气室之间通过一个通路有气体相互流动，改变主、辅气室之间气体通路的大小，使主气室被压缩的空气量发生变化，就可改变空气悬架的刚度。减振器的活塞通过中心杆和悬架控制执行器连接，执行器带动阻尼调节杆转动可以改变活塞上阻尼孔的大小，从而改变减振器的阻尼系数，其工作原理与基本结构与上述悬架阻尼调节装置基本相同。 2.悬架刚度调节原理悬架刚度的调节原理如图 17所示。主、辅气室之间的气阀体上有大小两个通路。悬架控制执行器带动气阀体控制杆转动，使阀芯转过一个角度，改变通路的大小，就可以改变主、辅气室之间的气体流量，使悬架刚度发生变化。 悬架的刚度可以在低、中、高三种状态下变化。阀芯的开口转到对准图示的低位置时，气体通路的大气体通路被打开，主气室的气体经阀芯的中间孔、阀体的侧面孔通道与辅气室的气体相通，两气室之间的流量大，相当于参与工作的气体容积增大，悬架刚度处于低状态。 阀芯的开口转到对准图示的中位置时，气体通路的小气体通路被打开，两气室之间的气体流量小，悬架刚度处于中状态。 阀芯的开口转到对准图示的高位置时，两气室之间的气体通路全部被封住，两气室间的气体不能相互流动，可压缩的气体容积减小。悬架在振动过程中，只有主气室的气体单独承担缓冲的任务，所以悬架的刚度处于高状态。 3.悬架控制执行器空气悬架控制执行器与阻尼控制执行器的主要区别在于，后者只控制减振器的回转阀进行阻尼调节。而前者除控制减振器的回转阀进行阻尼调节外，还要驱动主、辅气室的阀芯进行刚度调节。为了适应频繁变化的工况，并保证精确的定位，驱动动力采用了直流步进电机。悬架控制执行器的基本结构如图 18所示。 步进电机带动小齿轮驱动扇形齿轮转动，与扇形齿轮同轴的阻尼调节杆带动回转阀转动，使阻尼孔开闭的数量变化，从而调节减振器的阻尼。 在调节阻尼的同时，齿轮系带动与气室阀芯相连接的刚度调节杆转动，随着气室阀芯角度的改变，悬架的刚度也得以调节。 电磁线圈控制的电磁制动开关松开时，制动杆处于扇形齿轮的滑槽内，扇形齿轮可以转动；电磁制动开关吸合时，制动杆往回拉，齿轮系处于锁住状态，各转阀均不能转动，使悬架的参数保持在相对稳定的状态下。步进电机的基本工作原理如图 19所示。步进电机的转子由永久磁铁制成。定子有两对磁极，其上绕有A-B、C-D两相绕组，当A-B绕组接通正向电流时（电流从A端流入，B端流出），永磁转子将在定子磁极磁场的作用下，处于图 19（b）所示的“低状态”位置。 当A-B绕组不通电，C-D绕组接通电源时，永磁转子处于图示“高状态”的位置。 当A-B绕组接通反向电流（电流从B端流入，A端流出）时，与“低状态”时相比，左右磁极磁性相反，于是永磁转子处于图示的“中状态”位置。 图 20所示的为另一种结构形式的空气悬架结构。其结构特点是主气室与辅气室为分开式结构，中间由连接管相通。主、辅气室的气体通路仍由步进电机转动气阀体来控制。 步进电机的工作原理与上述相同，其结构如图 21所示。 图 22所示为步进电机在三个不同位置时该悬架刚度的变化情况。 图 22（a）所示气阀体的大通气孔与辅气室相通，主、辅两气室之间的气体流量增大，悬架刚度处于低状态。 图 22（b）所示气阀体的小通气孔与辅气室相通，主、辅气室间气体流通有阻尼存在，所以悬架刚度处于中状态。 图 22（c）所示气阀体完全关闭，只有主气室参加工作，所以悬架刚度处于高状态。（三）、车身高度控制装置 车身高度控制装置是指车身的高度可根据汽车内乘座人员或车辆载重情况自动做出调整，以保持汽车行驶所需要的高度及汽车行驶姿态的稳定。车身高度控制有两种类型，一种是对汽车全部四个车轮悬架系统进行高度控制；另一类型是仅对两个后轮的悬架系统进行高度控制。 1.系统组成及工作原理 图 23所示为日本富士汽车空气悬架的车身高度控制系统。由图可以看出，系统主要由空气压缩机、排气阀、干燥器、进气阀、储气罐、调压阀、电磁阀、高度传感器、气室及控制单元等组成。 直流电机带动空气压缩机工作，从压缩机出来的压缩空气进入干燥器，经干燥后进入储气罐，储气罐的气体压力由调压阀进行调节。 控制单元根据车高传感器信号的变化和驾驶员给与的控制模式（常规正常模式或高模式）指令，给控制车高的电磁阀发出指令。当车身需要升高时，电磁阀动作，压缩空气进入空气悬架的主气室，主气室的充气量增加，车身上升。如果电磁阀不动作，则悬架主气室的气量保持不变，车身维持在一定的高度。如果乘客增加而使车身高度降低时，车高传感器输出的车离信号将与控制单元存贮的车高信息不符，控制单元就会发出指令，电磁阀通电打开，给悬架主气室充气，直到车高达到规定的高度为止。当车身需要下降时，空气压缩机停止工作，电磁阀通电打开，同时排气阀也通电打开，悬架主气室的气体通过电磁阀、空气管路、干燥器、排气阀而排出，车身下降。 干燥器的封闭容器内装有硅胶，在压缩空气经干燥器送至储气罐时，硅胶将压缩空气中的水分吸出。在排气阀打开，压缩空气经排气阀从系统中排出时，通过抽气喷嘴从干燥器内将吸出的潮湿气雾排出。 图 24所示为压缩机总成的结构图。 图 25所示为日本丰田公司TEMS（TOYOTAElectronic Modu1ated SUSPEnsion）系统的车身高度控制系统。 图 25中，空气电磁阀总成包括了上述进气阀、排气阀、调压阀和干燥器等所具有的作用和功能。图 25（a）所示为车身高度上升控制过程，图25（b）所示为车身高度下降控制过程。其工作原理与上述富士汽车的车身高度控制系统相同。 2.车身高度传感器车身高度传感器的作用是把车身高度（汽车悬架装置的位移量）转换成电信号，输送给控制单元。常见的光电式车身高度传感器的结构如图 26所示。在传感器内部，有一个靠连杆带动旋转的轴，在轴上装有一个开有许多槽的遮光板，遮光板的两侧装有4组光电耦合元件，如图 27所示。当连杆带动轴旋转时，光电耦合元件（发光管和光电管）之间或者被遮光板遮上，或者两者元件之间透光，因此光电耦合元件把这种变化转换成电信号，并输入到控制单元中。利用这4组光电耦合元件导通与截止的组合，就可以把车身高度的变化分为16个区域进行检测。图 28所示为车身高度传感器的电路。 控制单元根据车身高度传感器输入的信号，控制压缩机及排气阀，以此增加或减少悬架主气室内的空气量，从而保持车身高度为一定。因为减振器在行车过程中总是振动的，很难判定当时车身所处的区域，所以计算机每隔数十毫秒就检测一次车身高度传感输出的信号，并对一定时间各信号所占区域的百分比作出计算，以此来判断车身实际所处的区域。 图 29所示为车身高度传感器的安装位置及工作状态。拉紧螺栓的上端与传感器的连杆铰连，下端与后悬架臂相连。当车身上下振动时，拉紧螺栓带动连杆使传感器的轴左右旋转，光电耦合元件则把旋转信号转换成车高信号输出。 拆下拉紧螺栓，拧松拉紧螺栓的锁紧螺母，旋转拉紧螺栓的螺旋接头可以改变拉紧螺栓的长度，从而调整车身高度的设定值。电控空气悬架技术悬架主要影响汽车的垂直振动。传统的汽车悬架是不可调整的，在行车中车身高度的变化取决于弹簧的变形。因此就自然存在了一种现象，当汽车空载和满载的时候，车身的离地间隙是不一样的。尤其是一些轿车采用比较柔软的螺旋弹簧，满载后弹簧的变形行程会比较大，导致汽车空载和满载的时候离地间隙相差有几十毫米，使汽车的通过性受到影响。汽车不同的行驶状态对悬架有不同的要求。一般行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感，当急转弯及制动时又需要硬一点的悬架以求稳定性，两者之间有矛盾。另外，汽车行驶的不同环境对车身高度的要求也是不一样的。一成不变的悬架无法满足这种矛盾的需求，只能采取折中的方式去解决。在电子技术发展的带动下，工程师设计出一种可以在一定范围内调整的电子控制悬架来满足这种需求，这种悬架称为电控悬架，目前比较常见的是电控空气悬架形式。以前空气悬架多用于大客车上，停车时悬架下降汽车离地间隙减少，便于乘客上下车，开车时悬架上升便于通行。这种空气悬架系统由空气压缩机、阀门、弹簧、气室（气囊）、减振器所组成。车辆高度直接靠阀门控制气室的空气流进流出来调整。现在轿车用的电控悬架引入空气悬架原理和电子控制技术，将两者结合在一起。典型的电控悬架由电子控制元件（ECU）、空气压缩机、车高传感器、转向角度传感器、速度传感器、制动传感器、空气弹簧元件等组成。空气弹簧元件是由电控减振器、阀门、双气室所组成。电控减振器顶部有一个小型电动机，可通过它转动一个调整量孔大小的控制杆将阻尼分成多级，从而实现控制阻尼的目的。阀门也充当了一个调节气流的作用，通常双气室是连通的，合起来的总容积起着空气弹簧的作用，比较柔软；但当关闭双气室之间的阀门时，则以一个气室的容量来承担空气弹簧的作用，就会变得硬，因此阀门起到控制“弹簧”变软变硬的作用。图示ECU、压缩机(5)、阀门(3)(4)、空气弹簧元件(1)(2)。电控悬架工作时，阀门的相互作用控制通向空气弹簧元件的气流量。传感器检测出汽车的行驶状态并反馈至ECU，ECU综合这些反馈信息计算并输出指令控制空气弹簧元件的电动机和阀门，从而使电控悬架随行驶及路面状态不同而变化：在一般行驶中，空气弹簧变软、阻尼变弱，获得舒适的乘坐感；在急转弯或者制动时，则迅速转换成硬的空气弹簧和较强的阻尼，以提高车身的稳定性。同时，该系统的电控减振器还能调整汽车高度，可以随车速的增加而降低车身高度（减小离地间隙），减少风阻以节省能源；在车速比较慢时车身高度又可恢复正常。目前电控悬架的控制形式主要有两种，由液压控制的形式和由气压控制的形式。电控悬架的液压控制形式是较先进的形式，主动悬架就属于这一类形式，它采用一种有源方式来抑制路面对车身的冲击力及车身倾斜力。电控悬架的气压控制形式又称为自适应悬架，它通过在一定范围内的调整来应对路面的变化。不管是主动悬架还是自适应悬架，它们都有电子控制元件（ECU），有ECU就必然要有耳目做辅助，也就是要有传感器。传感器是电控悬架上重要的零部件，一旦失灵整个悬架系统工作就会不正常。一般电控悬架传感器监视的汽车重要参数有高度、速度、制动力、转向角、惯性力等，因此对应的电控悬架系统传感器就有高度传感器、速度传感器、转向角传感器、惯性力传感器和声纳传感器等。高度传感器是电控悬架上最常见的传感器，负责监测车底高度的变化。它可以是霍尔效应传感器，一种以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使ECU能精确地测算出行驶高度，补偿道路的变化，防止车底刮到路面的凸出物。也可以采用光电二极管和光敏三极管，将车辆乘坐高度变化的信号传送至ECU。速度传感器顾名思义是反映汽车行驶的速度，它多装配在变速器输出轴上，速度传感器有一齿轮与变速器输出轴啮合，传感器将齿轮转速变化信号传送至ECU，ECU据此做出调节悬架的信号。转向角度传感器监测驾驶者转动方向盘的角度和速度，以便对急转弯进行调整。这种传感器一般装在转向柱上，利用光电二极管读取转向盘的角度和速度。惯性力传感器用来监测某一确定方向的加速力，即监测垂直方向、侧面方向和前后方向的惯性力。它起到监测汽车运动的作用，例如制动或加速。它将有关信号传递至ECU，当汽车制动或者突然加速时电控系统会调整整个悬架以增大缓冲程度，减少冲击力对车身的影响。声纳传感器是一种比较新的技术，它通过发射与接收声波，监测路面的不平整程度，将信号传递至ECU，调节悬架以适应这些路面。声纳传感器装在汽车前下方，探测车前端路面，它能使ECU在汽车整体被冲击前巳预知并做出调整，不是象一般悬架系统在冲击到来时才做出反应。电控悬架的控制中心是ECU，而辅助ECU工作的是各种传感器，它们向ECU输入各种数据帮助计算机对悬架设置进行调整。汽车在不同的行驶状态下对悬架有不同的要求。平时需要柔软一点的悬架以求舒适感，有时又需要硬一点的悬架以求稳定性。另外，汽车行驶的不同环境对车身高度的要求也是不一样的。电控悬架就是一种可以在一定范围内对汽车悬架性能和高度进行调节的装置，目前比较常见的是电控空气悬架形式。电控空气悬架采用充有压缩空气的气囊作为弹簧，通过对气囊充放气，实现对悬架的调节。 我公司在空气悬架方面开展了许多研究，目前已开发出了多种空气悬架，下面在此仅对对电控悬架技术探讨一二。一、电控悬架主要由以下几部分组成： 悬架控制模块（ ECM ），采集传感器的各项信号，并根据一定的算法，对执行器发出指令，控制悬架的状态。 车辆高度控制阀。提升悬架高度时，升阀打开，气囊与 储气罐 接通，压缩空气进入气囊，悬架高度上升。降低悬架高度时，升阀与排气阀同时打开，气囊中的压缩空气经排气阀排入大气，悬架高度降低； 车身位移传感器，也叫车身高度传感器。安装于车身和车桥之间，用来测量车身与车桥的相对高度，其数值反映了车身的高度，其变化频率和幅度反映了车身的振动； 储气罐，主要为悬架提升高度供给足够的压缩空气； 二、系统工作原理 系统根据高度传感器实时监测车身高度，当车身高度发生变化时能依据一定算法自动对弹簧气囊充气或放气，从而使车身维持在设定高度，保证空气弹簧处于最佳工作状态。 汽车车身升高过程：汽车乘员人数或装载质量增加时，车身高度下降， ECM 通过传感器监测到车身高度下降， ECM 打开升阀，压缩空气经电磁阀进入空气弹簧，随着空气弹簧气压的上升，车身也随之上升，在充气过程中 ECM 对高度进行实时监测，当高度回复到设定值时，关闭电磁阀。此时高度控制阀又处于平衡状态。以保证汽车高度维持在一定值。 汽车车身降低过程：汽车乘员人数或装载质量减少时，汽车车身高度上升， ECM 通过传感器监测到车身高度上升， ECM 打开降阀，弹簧内空气经电磁阀排出，随着空气弹簧气压的下降，车身也随之下降，在放气过程中 ECM 对高度进行实时监测，当高度回复到设定值时，关闭电磁阀。此时高度控制阀又处于平衡状态。以保证汽车高度维持在一定值。 有高、中、低三个高度模式供司机选择，当车辆行驶在高速公路上时，可以选择低模式，降低车身，降低阻力，提高车辆的稳定性。当车辆在涉水、上桥等情况时，选择高模式，升高车身，提高车辆的通过性。 诊断功能：能监测到气路漏气或管路堵塞等错误，并发出报警指示，并关闭电磁阀。 通讯功能：可以通过串口和 PC 机传递数据，各项控制参数可以方便地在 PC 机上显示或修改。系统出错时，也可以在 PC 机上查看故障。 系统上电后电源指示灯点亮。并完成一次充放气过程，系统在充放气过程中实现自检，放气时间为 5 秒钟。自检结束后系统等待司机选择高度模式，做出选择后，系统将工作在相应的高度模式下。在系统运行过程中，可以根据需要随时改变高度模式。在相应的高度控制模式下，系统不断读入高度传感器值，并按照控制策略，对空气弹簧进行充放气。系统出错时，工作状态指示灯会以较快的频率 2HZ 闪烁，提示司机注意，同时关闭所有电磁阀，以确保安全。电控悬架的功能2005-08-25 15:34:53 作者：计学明 DIDIBABA人来车网专业汽车信息网站按照是否可控的观点，车辆悬架可分为不可控的被动悬架和可控的智能悬架两大类。在多变环境或性能要求高且影响因素复杂的情况下，被动悬架难以满足期望的性能要求。而智能悬架能够根据对行驶路面、汽车的工况和载荷等情况的监测来控制悬架本身的特性及工作状态，使汽车的整体行驶性能达到最佳。智能悬架系统的出现是与电液控制、计算机技术的发展和传感器、微处理器及液、电控元件制造技术的提高分不开的，其常用的控制功能一般可分为： 1、乘坐舒适性控制: 吸收路面不平度影响，减少车身与车轴的振动； 2、稳定性控制：保证转向及高速行驶时的稳定性及安全性； 3、车身姿态控制：在任何情况下保证良好的车身姿态； 4、车高控制：在任何车载情况下均保证合适的车身高度； 随着对车辆总体性能要求的不断提高及对车辆各子系统（如ABS/TRC、4WS等）综合控制的应用，悬架控制系统设计中也将考虑与其它子系统的相互关系和结合，其功能也将进一步扩展。 智能悬架的应用起始于车身高度可调的空气或油气弹簧悬架和阻尼可随路面条件、车辆工况分级慢变的自适应悬架。其后发展为具有可快速切换或连续可控阻尼的半主动悬架，进而发展到有自身能源、连续可控的主动悬架系统。电子控制空气悬架（EP-S） 电子控制空气悬架（EP-S：Electro Pneumatic Suspension）是悬架滑杆密封在压缩空气的气室内发挥弹簧功能的悬架。它代替螺旋弹簧式悬架。使用气室代替螺旋弹簧的空气悬架，虽然其弹性大小与车高相关，但是能够确保规定弹性。此外，当乘员与装载量发生变化时能保持规定的车高。特别在装载量大幅度增加时能够减少悬架冲击，提高乘坐舒适