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电控悬架系统论文扬州职业大学作 者： 孙超 学 号： 0902020416 系 部： 汽车与电气工程系 专 业： 汽车检测与维修 题 目： 电子控制悬架系统论文 指导者：许和进 2011年 06月 目录第一章 概述 1.1 功用 1.2 类型 第二章 构成及工作原理 2.1 系统构成 2.2 主要部件构成 2.3 工作原理第3章 典型悬架系统及发展方向 3.1 半主动悬架 3.2 主动悬架 3.3 发展方向第4章 结论小结参考文献第一章概述随着人们对汽车操纵性和舒适性要求越来越高，以及电子技术的飞速发展，电子控制技术被有效的应用于现代汽车悬架系统，电子控制悬架系统的最大优点就是它能使悬架不同的路面和行驶状态作出不同反应。既能使汽车的乘坐舒适性达到令人满意的状态，又能使汽车的操纵稳定性达到最佳状态。1.1 功用在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力，既满足平顺性的要求又满足操纵稳定性的要求。电控悬架系统的基本目的是控制调节悬架的刚度和阻尼力，突破传统被动悬架的局限性，使汽车的悬架特性与道路状况和行驶状态相适应，从而保证汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性要求都能得到满足。其基本功能有：1）.车高调整：无论车辆的负载多少，都可以保持汽车高度一定，车身保持水平，从而使前大灯光束方向保持不变；当汽车在坏路面上行驶时，可以使车高升高，防止车桥与路面相碰；当汽车高速行驶时，又可以使车高降低，以便减少空气阻力，提高操纵稳定性。 2). 减振器阻尼力控制：通过对减振器阻尼系数的调整，防止汽车急速起步或急加速时车尾下蹲；防止紧急制动时的车头下沉；防止汽车急转弯时车身横向摇动；防止汽车换挡时车身纵向摇动等，提高行驶平顺性和操纵稳定性。3) .弹簧刚度控制：与减振器一样在各种工况下，通过对弹簧性系数的调整，来改善汽车的乘坐舒适性与操纵稳定性。 有些车型有其中一至二个功能，少数同时有三个功能。 1.2 类型 1.2.1 主动悬架 根据车辆本身的负荷情况，行驶状态和路面状况等，主动的调节包括悬架系统的阻尼力.汽车车身高度和行驶姿态；弹性元件的刚度在内的多项参数，是汽车的相关性能处于最佳状态。1.2.2 半主动悬架 悬架系统中只有弹簧刚度或减振器阻尼之一可以调节。第二章2.1 系统构成 被动悬架即传统式的悬架，是由弹簧、减振器（减振筒）、导向机构等组成，其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器的主要作用是衰减振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为从动悬架。由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。被动悬架的优点是成本低、有较高的可靠性。缺点是无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。刚性较大的螺旋弹簧 以使车轮保持着与器与车路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。采用较软的螺旋弹簧，以适应崎岖不平的路面，提高乘坐汽车时的平稳性及舒适性。但是这样的汽车操纵性较差。1-1号高度控制继电身高度传感器3-前悬架控制执行器4-制动灯开关5-转向传感器6-高度控制开关7-LRC开关8-后车身位移传感器 9-2号离度控制阀和溢流阀10-高度控制ON/OFF开关11-高度控制连接器12-后悬架控制执行器13-2号高度控制继电器14-悬架电脑15-门控灯开关16-主节气门位置传感器17-1号高度控制阀18-高度控制压缩机19-干燥器和排气阀21-IC调节器电磁阀步进电机气泵电机ECU车身加速度传感器车身高度传感器车速传感器方向盘转角传感器节气门位置传感器车门传感器电控悬架由传感器、电子控制单元和执行器三部分组成。汽车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。弹性元件用力传递垂向力，并缓和由路面不平度引起的冲击和振动。从轿车上来讲，弹性元件多指螺旋弹簧，它只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，但由于本身没有摩擦而没有减振作用。减振器指液力减振器，是为了加速衰减车身的振动，它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件，用来传递纵向力，侧向力及力矩，并保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。现代轿车的悬架一般采用质量小、性能稳定可靠的筒式减震器。当轿车在不平坦的道路上行驶，车身会发生振动，减振器能迅速衰减车身的振动，利用本身的油液流动的阻力来消耗振动的能量。当车架与车轴相对运动时，减振器内的油液会通过一些窄小的孔、缝等通道反复地从一个腔室流向另一个腔室，这时孔壁与油液间的摩擦和油液内的分子间的摩擦形成了对车身振动的阻力，这种阻力工程上称为阻尼力。阻尼力会将车身的振动能转化为热能，并被油液和壳体所吸收。人们为了更好地实现轿车的行驶平稳性和安全性，将阻尼系数不固定在某一数值上，而是能随轿车运行的状态而变化，使悬架性能总是处在最优的状态附近。因此，有些轿车的减振器是可调式的，将阻尼分成两级或三级，根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级。2.2 主要部件构成 2.2.1电控系统的组成 传感器：车高传感器、车速传感器、加速度传感器、转向盘转角传感器、节 气 门位置传感器等。 开关：模式选择开关、制动灯开关、停车开关、车门开关等。 执行器：可调阻尼力减震器、可调节弹簧高度和弹性大小的弹性元件等。 ECU 2.2.2系统部件的构成 传感器 1、转向盘转角传感器【作用】检测转向盘的中间位置、转动方向、转向角度和转动角度。以判断转向时侧向力的大小和方向，以控制车身的侧倾。【类型】多采用光电式转向盘转角传感器。【安装位置】转向盘的转向轴上。【结构】在转向轴的带窄缝的圆盘上装有两组光电耦合器，转向盘转动时，可输出两组脉冲信号。根据此信号可判断转向盘的转角与转速；通过两组信号的相位来判断转向的方向。2、加速度传感器【作用】检测车身横向加速度和纵向加速度。横向加速度传感器主要用于检测汽车转向时，汽车因离心力的作用而产生的横向加速度，以判断悬架系统阻尼力改变的大小及空气弹簧中空气压力的调节情况，以维持车身的最佳姿势。【类型】差动变压器式和钢球位移式。【别名】G传感器【差动变压器式加速度传感器原理】汽车转弯、加减速时，心杆在横向力或纵向力作用下移动，使检测线圈的输出电压发生变化。【钢球位移式加速度传感器原理】汽车转弯、加减速时，钢球在横向力或纵向力作用下移动，使检测线圈的输出电压发生变化。3、车身高度传感器【作用】检测汽车行驶时车身高度的变化情况（汽车悬架的位移量）。【类型】片簧开关式、霍尔式、光电式。其中光电式应用较多。【光电式传感器原理】有一根靠连杆带动转动的转轴，转轴上固定一个开有许多窄槽的圆盘，圆盘两边装有四组光电耦合器。当车身高度变化时，通过连杆可使转轴转动，因而四组光电耦合器可感应出四组脉冲信号，通过这四组脉冲信号的不同组合，可反映车高的高度范围。上图为光电式传感器2.2.3开关1、信号开关2、模式选择开关【位置】变速器旁。【作用】根据汽车的行驶状况和路面情况选择悬架的运行模式，从而决定减震器的阻尼力大小。【运行模式】标准（Norm）、运动（Sport）两种。3、高度控制开关【作用】改变车身高度设置。【运行模式】低（Low）、高（Hight）两种。2.2.4执行器1、悬架控制执行器2、压缩机和干燥器总成3、高度控制阀2.3电控悬架的工作原理：利用传感器（包括开关）把汽车行驶时路面的状况和车身的状态进行检测，将检测信号输入计算机进行处理，计算机通过驱动电路控制悬架系统的执行器动作，完成悬架特性参数的调整，如图所示。车身状态传感器（加速度，位移及其他目标参数）调节悬架参数的执行器（电磁阀，步进电动机等）放大推动计算机控制装置 电子控制半主动及主动悬架系统虽然在控制的参数和效果上各有差别,但它们都是基于同一中设计思想.即在行驶过程中,根据实际需要,使悬架的基本参数如刚度,阻尼随时调节,从而达到最佳的行驶平顺性和操纵稳定性.例如在号路面上正常行驶时希望软一点,在坏路面上或起步,制动时希望硬一点;低速时希望软一点,以满足乘坐的舒适性,高速时希望硬一点,以提高操纵稳定性.主动悬架系统还可以根据需要,随时对车辆的车身高度进行控制.一 半主动悬架半主动悬架系统性能总是处于最优状态附近.但是,弹簧刚度选择后,又很难改变.因此从改变减震器的阻尼入手,将阻尼分为两级或三级,由驾驶员选择或根据传感信号自动选择所需要的阻尼级.半主动选架系统通常以车身振动加速度的均方根值作为控制目标函数,以悬架减震器的阻尼为控制对象.半主动悬架控制模型图见图1,其中(1)控制器(2)整形放大电路(3)加速度传感器(4)悬架质量(5)阻尼可调减振器(6)悬架弹簧(7)非悬架质量(8)轮胎的当量质量 控制器的悬架阻尼控制过程见图2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值i并与设定的目标参数比较.根据比较结果输出控制信号:若=i,控制器不输入调整信号若i,控制器输出减小阻尼信号图3所示为一个由外部电磁铁控制的减振器简图.满足舒适性要求时,可选择较低阻尼级;车辆高速行驶时,可选择较高阻尼级.高阻尼可提高车辆行驶安全性,但舒适性下降;低阻尼可降低系统自振频率,减少对车身的冲击,利于提高舒适性,但安全性下降.图4为可调阻尼减振器的原理图,其中(1)节流空(2)步进电动机(3)ECU(4)阀杆(5)阀门其阻尼力能在几毫秒内由最小变到最大,其ECU接收速度,位移,加速度等传感信号,计算出相应的阻尼值,向步进电动机发出控制信号,经阀杆调节阀门,使节流孔阻尼连续变化图5所示的悬架阻尼调节装置为三级可调式减振器.三级可调式减振器旁路控制阀调节电动机带动控制杆使回转阀转动,便可通,断油孔和控制油路截面积的变化,使控制阀具有小,中,大三个位置,产生三个阻尼值,以适应不同的行驶条件.与阻尼调节杆连接的回转阀上有三个阻尼孔,执行器通过调节杆来控制阻尼孔的开闭,从而改变悬架阻尼的大小图5右边所示,A-A,B-B,C-C三个截面的阻尼孔全部被回转阀封住,此时只有减震器下面的主阻尼孔仍在工作,所以这时阻尼为最大,减震器被调节到”硬”状态当回转阀从”硬”状态位置顺时针转动60时,B-B截面的阻尼孔打开,A-A,C-C两截面的阻尼孔仍关闭.因为多了一个阻尼孔参加工作,所以减震器处于”运动”状态.当回转阀从”硬”状态位置逆时针转动60时,A-A,B-B.C-C三个截面的阻尼孔全部打开这时减震器的阻尼值最小,减震器处于”软”状态.图6为三级可调式减震阻尼控制执行器的结构与工作状态.执行器装在减震器的上部.执行器可以带动回转阀转动,从而转换阻尼力的大小.执行器由直流电动机,限制减速齿轮旋转的档块,带动档块的电磁铁,减速齿轮等组成 二 主动悬架结构及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,减震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. (一) 空气弹簧主动悬架如图7所示为空气弹簧结构图.空气弹簧由主气室,副气室,弹簧刚度执行机构,阻尼转换执行机构和液压减震器等组成.弹簧刚度执行机构在主气室与副气室之间.在减震器的上部安装有阻尼转换执行机构,减震器的内部有阻尼旋转阀,因此弹簧刚度是通过主气室与副气室进行调节,阻尼系数是通过减震器进行调节.图8为一种空气式主动悬架工作原理图.在这个控制系统中用到了五个基本行车工况和车身状态传感器,其分为车身位移传感器,节气门开度传感器,转向盘转角传感器,车速传感器和制动灯开关模式选择开关是用于手动选择“软”或“硬”两种模式，有的悬架控制系统则是由计算机来来确定“软”或“硬”的。 车门传感器是为了防止行车中车门未关而设定的。控制器（电脑）根据各个传感器输入信号，经过运算分析后输出控制信号，使执行机构准确的动作，及时改变悬架的刚度、阻尼系数和车身高度，以确保汽车行驶过程中的操纵稳定性和乘做舒适性。主动悬架控其控制功能，可分为车速路面感应控制、车身姿态控制和车身高度控制。车速和路面感应控制主要是根据车速与路面的变化来改变悬架的刚度和阻尼，车身姿态控制指在汽车突然改变车速和转向等情况下控制器对悬架刚度和阻尼实施控制，车身高度控制是控制器在汽车行驶车速和路面变化时，控制器对悬架输出的控制信号。 如图9-a所示，空气弹簧压缩，车身降低，当车身需要升高时，ECU控制空气电磁阀使压缩空气进入空气弹簧的主气室，使空气弹簧伸长车身生高。如图10-b，在空气弹簧的上部装有悬架控制执行器，一方面使空气弹簧主、辅气室之间的连通阀发生改变，使主、辅气室之间气体流量变化，因此改变悬架弹簧刚度，同时通过阻尼力调节杆改变减振器阻尼力。图10为电子控制主动空气悬架系统部件在车身功能的布置、主要有空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、带有减枕齐的空气弹簧、悬架控制执行器、悬架控制选择开关及EW等组成。空气压缩机由直流电动机驱动产成压缩空气，压缩空气惊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。当车身须降低时，EW控制电磁阀使空气弹簧主气室中压缩空气排到大气中去.（二）油气弹簧主动悬架 油气弹簧的气体作为弹性介质，而有用游液作为传力介质，一般由气体弹簧和相当于液压减振的液压缸组成。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中的小孔节流实现阻尼特性。图11为雪铁龙XM轿车的主动式油气弹簧悬架布置图，该图采用了35个基本行车状态的传感器。如图12为系统工作原理图，电磁阀在 ECU指令下向右助液压阀的阀芯向左移动，中间的油气室与住油气室连通，使总的气体室容积增加、气压减小，从而刚度变小。Ab是节流孔阻尼器，在图12-a位置，系统处于“软”状态。在12-b位置，电磁阀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的压力油通过电磁阀的左边油道泻去、辅助压力阀芯右移，关闭刚度调节弹簧，气室总容积件小，刚度增大，使系统处“硬”状态。在正常行车状态时，系统处于软状态，以提高乘做舒适性；当高速、转向、起步和制动时，系统处于“硬”状态，以提高车辆的操作稳定性。 （ (三) 带路况预测传感器的主动悬架 图13所示为带路况预测传感器的主动悬架系统。该系统包括一个悬架弹簧和一个单向液压执行器，控制器通过油管8与单向液压控制器的油压腔相通。油管上还接有一个支管8a，该支管与一个畜能器11相连，畜能器内充有气体，该气体具有弹簧的作用。另外，支管中间还设有一个主节流孔12，以限制畜能器和油压腔之间的油流，从而形成减振作用。在油管和畜能器之间还设有一个旁通管路8b，该管路上带有一个选择阀10和一个辅节流孔9，辅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，在畜能器和油压强之间流动，从而减小震动阻尼。因此，悬架系统在选择阀的作用下，具有两种不同的阻尼参数第三章3.1发展方向1）随着人们对车辆乘坐舒适性要求的提高和我国客车悬架技术的发展，空气悬架在客车上的应用日益广泛。传统的空气悬架控制模式是采用机械高度阀，即通过高度阀阀门的开启调节对空气悬架气囊的充放气，从而保持车辆恒定的行驶高度。随着系统应用的推广和车辆控制技术的发展，电子控制逐渐取代传统的机械控制电子控制系统，不仅提高了操作的舒适性和反应的灵敏度，而且可以附加很多辅助功能。为了确保悬架的主要特性，即避振性(振动衰减力)、弹性常数、减振器行程，不断研制成功了能适应各种行驶工况的最优控制机构。电子控制空气悬架代表了目前汽车空气悬架的发展方向。据了解，国际上汽车悬架的发展经历了“钢板弹簧气囊复合式悬架被动全空气悬架主动全空气悬架(即ECAS系统)”的变化过程。目前ECAS系统在欧洲部分车辆上已经开始应用。随着车辆控制技术的发展，电子控制逐渐取代传统的机械控制，ECAS系统这种先进的空气悬架系统将成为汽车悬架的一个发展方向。目前电子控制空气悬架在国内客车上已经开始应用，尤其是城市客车，比如北京等城市的BRT客车都采用了这种先进的悬架系统，方便老人或残疾人上下车。虽然电子控制空气悬架被认为是客车的发展趋势之一，但距离大面积市场推广还有很长的路。目前电子控制空气悬架的应用领域还非常窄。仅有少量高档公交车以及某些特殊用途的车辆，为满足降低车身高度的要求而采用电子控制空气悬架。目前空气悬架在国内客车上的使用率仅有10%左右，电子控制空气悬架更是不足1%，市场容量非常小。在很长的一段时间内，电子控制空气悬架在客车上大量应用不太现实。毕竟这种高端产品的价格比普通空气悬架高23倍，而整车厂都在控制成本，对于悬架，只要空气气囊高度可调就基本满足要求了，不需要昂贵的电控系统来自动调节。一种先进产品的推广主要靠政府法规的引导，以及市场需求的发展，电子控制空气悬架也不例外。在市场需求还没有大幅提高，也没有法规强制安装的情况下，电子控制空气悬架的市场前景并不被看好。 客车电控悬架今后须要解决的技术 被动悬架在一定的时间内仍将是应用最广泛的悬架系统，通过进一步优化悬架结构和参数可以继续提升悬架性能。主动悬架性能优越，出于成本原因还只能成为高级轿车和赛车的装备。它的研究重点在于高性能的执行器和基于神经网络的控制策略方面。半主动悬架性能优于被动悬架，成本比主动悬架低得多，应该是今后悬架系统的主要发展方向。研究性能可靠，调节方便的可调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略将是半主动悬架走向大众的必经之路。 客车悬架今后须要解决的技术有：油气悬架技术：由油气部件和弹簧系统共同支撑车体，根据汽车变化的承载量，由油气部件调节悬架的水平位置，使弹簧保持正常的使用位置；阻尼可调节减振器：由传感器感知汽车行驶时的状况，包括载荷的大小、路面的不平、是否转向、是否加速或制动等，经电控单元分析判断，通过电磁阀液压系统，调节减振器的阻尼。此项技术又成为半主动悬架技术；全主动悬架技术：通过电液系统不仅调节阻尼而且调节弹力、水平位置等。 针对悬架系统的非线性特点，研究适宜的悬架系统电控技术是汽车悬架系统振动性能改进的方向。悬架位于车身与轮胎之间，对车辆的运动性能、乘坐舒适性有重大的影响。按照路面行驶工况最优控制，悬架性能以确保车辆行驶性能与乘坐舒适性，电子控制悬架将进一步向高性能方向发展。作为实现这种对悬架的优化控制的方式之一，是利用“预知传感器”进行预知控制的“预知控制悬架”。目前已提出了多种的方案，并期待着这种新式传感器的出现。另一方面，从地球环境来考虑，为进