现代汽车悬架控制技术PPT课件

1 现代汽车悬架控制技术 东方天威汽车维修工程师俱乐部专家委员会副主任委员李东江ldjauto ldjauto 2 现代汽车对悬架系统的要求 悬架是车架 或车身 与车桥 或车轮 之间一切连接装置的总称 在汽车行驶过程中 由于路面的不平整或者汽车自身运动状态的改变 会使汽车表现出各种运动形态 包括车身的垂直振动 俯仰运动和侧倾运动等 垂直振动 前后俯仰 左右侧倾 路面不平 加速 制动 转弯 汽车行驶时的运动形式 3 上述运动形态的出现既会使乘员感到不适 也影响到汽车的各种性能 因此要求悬架系统 1 尽可能缓冲和吸收地面对车轮造成的各种振动 保持行驶中的汽车车身具有良好的姿态 以改善乘坐舒适性 2 承受和传递汽车行驶过程中产生的各种作用力 维持车轮正确的空间位置关系 以保证汽车的操纵稳定性 3 确保车轮与地面良好的接触 以提高汽车的驱动力 改善车辆的通过性能 4 传统悬架系统的缺陷 传统的悬架系统主要由缓和车身振动的弹簧 衰减振动的减振器 增加侧倾刚度的横向稳定杆和起导向承力作用的连杆等组成 传统悬架系统中所采用的那些具有固定刚度和确定阻尼的弹簧 减振器根本无法满足现代汽车对舒适性和操纵稳定性的要求 5 例如 从提高汽车舒适性的角度出发 一般希望悬架具有较软的弹簧 以充分发挥其缓冲作用 但是这样势必导致车身在形式过程中的位移变大 需要响应地提高车身高度 从而导致叉车辆中心高度的增加 不利于改善车辆的行驶稳定性 另一方面 为了提高汽车的操纵稳定性 一般要求悬架具有较大的弹簧刚度和减振器阻尼 这显然与改善车辆的舒适性的要求相矛盾 6 综合考虑上述因素 可以对悬架提出如下要求 1 具有足够的强度 2 具有适当的弹簧刚度 且能对载荷的变化而变化 3 具有足够的侧倾刚度 4 具有良好的吸振能力 5 能够保证车轮正确的定位参数 7 随着现代电子控制技术的飞速发展以电脑作为控制核心 对汽车悬架系统参数 包括弹簧放度 悬架阻尼 侧倾刚度和车身高度等实行适时控制已经成为现实这种悬架被称为半主动和主动控制悬架 这将成为今后汽车悬架的发展方向 现代汽车悬架控制系统的控制内容和类型 8 分类 现代汽车悬架控制系统有多种型式根据悬架工作介质的不同 可以将悬架分为油气悬架系统和空气悬架系统两类 根据控制目的不同 将悬架控制系统分为车高控制系统 刚度控制系统 阻尼控制系统 综合控制系统等型式根据控制系统有源和无源 悬架控制系统分为半主动悬架和和主动悬架等 9 悬架控制系统的控制内容 当前 对汽车悬架的控制主要有以下几种 1 以改善坏路行驶能力和高速操纵稳定性为目的的车高控制 2 以改善舒适性和操纵稳定性为目的的减振器阻尼控制 3 以改善舒适性和操纵稳定性为目的的弹簧刚度控制 4 以改善操纵稳定性为目的的侧倾刚度控制 5 综合以上各种考虑的综合性悬架 10 悬架控制系统的基本组成 现代汽车悬架控制系统 是指利用有源或无源控制元件构成的闭环控制系统对汽车悬架实行主动控制的装置 它能根据车辆的运行状况和路面情况主动作出反应 抑制车身的各种振动 使悬架始终处于最佳减振状态 目前 悬架控制系统可实现对车高 悬架弹簧刚度和减振器阻尼 侧倾刚度等方面的主动调节 与其他控制系统一样 悬架控制系统一般也包含传感器 电脑和执行机构三个组成部分 11 悬架控制系统的传感器有多种型式 他们在系统总承担着将汽车行驶路况 汽车的振动 和车速及启动 加速 转向 制动等工况转变为电信号 并输送到电脑 车身加速度传感器 检测车身振动 见解地也可反映行驶的路面状况和车身横向运动状况 车身位移传感器 检测车身与车桥的相对位移 反映车身的平顺性和车身高度 车速传感器 检测车轮转速 反映车速和计算车身的侧倾量 12 转向盘转角传感器 检测转向盘转角 计算车身侧倾 制动压力开关 检测制动管路压力 判断汽车制动情况 制动灯开关 检测制动灯电路通断 判断汽车制动状况 节气门位置传感器 检测节气门开度 反映汽车加速状况 门控灯开关 检测门控灯电路通断 判断乘员状况 13 悬架控制系统的执行机构可以是电磁阀 步进电动机或泵气电动机等他们根据电脑的控制信号 准确 快速和及时地作出动作反应 实现对弹簧刚度 减振器阻尼或车身高度的调节 14 悬架系统的控制方式 悬架的车高控制系统 可根据车内乘员人数或汽车装载情况自动调节车身高度 以保持车身具有稳定的行驶姿态 典型的车高控制有以下几种 车高控制 15 1 停车水平控制 停车后 当车上载荷减少而车身上抬时 控制系统能自动地降低车身高度 以减少悬架系统的负荷 改善汽车外观形象 16 3 自动水平控制 车身高度不受载荷影响 保持基本恒定 姿态水平 使乘坐更加平稳 前大灯光束方向保持不变 提高行车安全性 现代汽车车高控制系统有油压式和气压式之分前者用于油气弹簧悬架 后者用于空气弹簧悬架 17 常见的控制方式 方式1 在该控制系统中 高度传感器的信号用于控制空气压缩机向空气弹簧输送压缩空气 抬高车身 同时该信号也被用来控制空气弹簧上的排气电磁阀 释放空气弹簧中已有的气体 从而达到维持弹簧内的压力和降低车身高度的目的 干燥器内的干燥剂吸收进气过程中压缩空气的水分 这些水分可以通过竟干燥器排出的气体带走 以使干燥剂能得以重复使用 18 常见的控制方式 方式2 在空气压缩机与空气弹簧之间设置了高压的储气筒 空气压缩机输出的高压气体储存在该储气筒中 压力开关感受储气筒内的压力 最终通过电脑控制空气压缩机的运转 19 在控制系统中 高度传感器是检测部分 装在车身与悬架之间用来检测某一车轮或车轴上方车身高度的变化 向电脑提供车身高度信息 20 高度传感器有簧片式 霍尔式和光电式等多种型式 其中光电式最为常见 其结构如下图 在传感器内部有一根由连杆带动的传感器轴 轴上固定一个开有许多窄槽的圆盘 它两端的发光二极管和光敏三极管一道构成遮光器 圆盘的转动可在遮光器输出电路中出现开关电量转换 这种不断转换的电量作为电信号输入电脑 用来识别悬架高度的变化 采用数个这样一来的遮光器 传感器就可以将车身高度划分为若干个区域 如果采用4个光电藕合器 则可以根据其通断状态 组合成16个车高区域 21 可调空气弹簧减振器总成是系统的执行机构 它是一个带有充气室的液压减振器 若想抬高车身 空气压缩机会通过空气干燥器想空气弹簧内充气 使得空气弹簧伸张 车身高度变大 反之 则可将空气弹簧上的排气阀打开 空气弹簧内的压缩空气经过排气阀和空气干燥器被排向大气 空气弹簧缩短 车身高度随之降低 22 在汽车行驶时 为了最大限度地降低车身振动对判断车身高度带来的影响 读数时间间隔会适当延长 若在该段时间内所测得车高信号处于 过高区 比例达75 80 以上 则电脑将根据高度传感器的输入信号 想排气电磁阀发出控制信号 打开排气电磁阀 空气弹簧气室中的空气通过空气干燥器排向大气 从而达到降低车身高度的目的 此后 通过检测当发现车高信号处于 过低区 或 低车身区 所占比例达到10 以上时 终止放气 完成一次车高调节 23 与此相反当电脑根据传感器信号判定车身高度低于规定的标准值时即刻向空气压缩机继电器发出控制信号 接通该继电器启动空气压缩机产生的压缩空气经空气干燥器想空气弹簧气室充气 使车身高度增加 一旦车身高度达到标准值后 电脑通过空气压缩机继电器让空气压缩机停止工作 以维持车身高度 24 蓄电池电脑提供12V电压 通过一个20s延时关闭继电器 电脑在点火开关关闭后执行一个关闭程序 发动机转速通过位于交流发电机上的相位开关测得 当发动机转速低于500r min时 电脑不允许空气压缩机工作 车速信号通过缓冲电路由仪表上获得 当车速超过某一规定值后 如80km h 电脑制动降低车身高度 如20mm 以降低空气阻力 改善行驶稳定性 25 制动踏板上的开关信号提供汽车的制动信号 当汽车以高于8km h的速度行驶时 电脑景致汽车进行高度调节 通过门控灯开关信号电脑判断车门是否打开 依此选择控制方式 通过模式选择开关信号 电脑以不同方式调节车身高度 空气压力开关和高度传感器信号则是电脑控制空气压缩机和车身高度的依据 26 从汽车行驶平顺性和操纵安全性考虑 悬架弹簧刚度和减振器阻尼应能随汽车行驶状况的改变而变化即可以在车辆行驶过程中 根据路面状态和车身的响应 对悬架参数进行控制 使车身的振动响应始终被限制在期望的范围内 这种系统通常以车身运动的位移 加速度等参数作为控制依据 由电脑控制电磁阀 步进电动机等执行机构 实现对弹簧刚度和减振器阻尼的调节 二 减振器阻尼调节 27 在汽车行驶过程中 由于车轮受到地面冲击 悬架弹簧以其吸收和释放能量的方式将这种冲击转变成车轮 车身 的往复运动 在此过程中 减振器通过吸收振动能量来大幅度衰减振动 28 从结构上看汽车减振器是一个密闭的 充满油液的缸筒内置的活塞将缸筒分为两个工作腔体活塞上开有的轴向节流孔成为沟通两工作腔的通道 车身的上下振动带动活塞在缸筒中往复运动 迫使筒内的油液在两工作腔之间往复流动节流孔对油液的摩擦阻力构成了减振器阻尼 汽车振动的能量在此间转化为油液中生成的热能散失在大气中 29 现代汽车悬架对减振器阻尼的控制一般均根据汽车负荷 行车状态和路面条件控制调节减振器中节流孔的过流面积 实现改变减振器阻尼的目的 通常情况下 高速行驶的汽车希望有较强的阻尼力 以利于控制车身姿态的变化 但是 当行驶于城市道路时 减弱阻尼力更有利于改善乘坐舒适性 对悬架减振器阻尼力的控制 可以达到急加速时防止车身后座 换档过程中防止车身冲击 制动时防止车身 点头 以及转弯车身侧倾等等目的 30 控制系统的传感器包括车速传感器节气门位置传感器转向盘转角传感器车身和悬架加速度传感器制动灯开关等他们分别想电脑提供车速 加速状况 转向盘转角和转速 车身运动状态和汽车制动等信号 电脑通过步进电动机或电磁阀归可调节阻尼式减振器改变阻尼力 以适应行驶需要 31 转向盘转角传感器用于检测汽车转向轮偏转角度和方向 电脑根据其发出的信号 判断出汽车转向时产生侧向力的大小 控制车身的侧倾 光电式转向盘转角传感器是最常见的一种结构型式 32 可调阻尼式减振器有执行机构和减振器两部分组成 执行机构设在减振器支柱的顶部 由直流电动机 小齿轮 扇形齿轮 控制杆以及电磁线圈等组成 电脑根据汽车行驶状况给直流电动机和电磁线圈施加不同强度的电流 电动机依靠下部的小齿轮带动扇形齿轮转动 受电磁线圈控制的挡块下断伸入扇形齿轮的凹槽中 用以限制扇形齿轮的极限转角 从而确定与扇形齿轮相连的控制杆的位置 控制杆驱动的减振器转阀可在减振器上获得不同的阻尼 33 活塞杆 控制杆 回转阀 油孔 活塞 活塞杆为中空结构 控制杆置于其中 杆的上端和下端分别与执行机构和转阀相连 执行机构可通过控制杆带动转阀旋转 使转阀上的小孔与活塞杆上的小孔接通或切断 从而增加或减少减振器上下油室之间的过流面积 达到调节减振器阻尼的目的 这种减振器可提供软 中等和硬三种阻尼力 当转阀上的A C油孔导通时 减振器为小阻尼 当转阀B油孔导通时 减振器为中等阻尼 而当转阀上3个油孔全部关闭时 仅有止回阀产生节流作用 此时 减振器为大阻尼状态 34 当电动机通过小齿轮带动扇形齿轮逆时针旋转 直到扇形齿轮的凹槽一端靠在挡块上时 减振器转阀处产生较大的节流孔过流面积 减振器处于小阻尼状态 当电动机反向通电 扇形齿轮顺时针转动 其凹槽的另一端靠在挡块上时 减振器转阀处以节流孔适中的过流面积产生中等强度的阻尼 当电脑同时向电动机和电磁线圈通电时 电动机将扇形齿轮转离小阻尼或中等阻尼位置 同时电磁线圈将挡块吸拢 使挡块进入扇形齿轮凹槽中间的凹坑内 此时减振器转阀将节流阀过流面积收至最小 产生大阻尼 35 从控制原理上讲 对悬架弹簧刚度的控制方式与对减振器阻尼的控制及功能几乎相同 电脑通过对车速传感器 转向传感器 加速度传感器 制动传感器 车身高度传感器等信号进行分析和计算 确定当前弹簧应具有的刚度 并通过执行机构改变弹簧的刚度 在具有空气弹簧的悬架系统中 弹簧气囊中空气的压缩构成了弹簧刚度 改变弹簧刚度可依靠增大气囊容积 即增加气体的有效压缩容量来实现 三 弹簧刚度调节 36 若将弹簧气室分为主 副气室 以电脑控制沟通主 副气室的开关阀 实现弹簧气室容积的改变 即可改变弹簧的刚度 37 悬架弹簧刚度调节系统的组成 空气管路 车门开关 车门开关 制动开关 高度传感器 空气压缩机 电脑 行李箱开关 后减振器 空气弹簧 到高度传感器和电磁阀的前悬架总成 38 汽车悬架系统特性的好坏不仅仅只取决于某一个性能参数的好坏 更重要的是系统各参数的匹配 悬架综合控制系统是指具有车高控制功能 减震器阻尼控制功能和悬架刚度控制功能的悬架系统 该系统可以大大提高汽车的乘坐舒适性和行驶稳定性 通常 综合悬架控制系统具有的功能如下 根据模式开关可将悬架刚度和阻尼的原始状态选为 软 和 硬 两种状态 针对车高控制也可选择为 普通 和 高 状态 四 悬架综合控制系统 39 悬架综合控制系统的功能 车速路面感应控制 高速感应 车速大于110km h前后车轮关联感应 车速在30km h 80km h 且车高在0 03s内突然变化坏路感应 车速在40km h 100km h 且车高在0 5s内大副变化 车速大于100km h 且车高在0 5s内大副变化 40 车身姿态控制 侧倾控制 急转弯点头控制 车速大于60km h的制动后座抑制 车速小于20km h的急加速 车身高度控制 高速感应 车速大于90km h连续坏路控制 车速在40km h 90之间 且车高持续0 5s以上大副变化 车速大于90km h 且车高持续0 5s以上大副变化 41 悬架综合控制系统主要有两种结构类型 一种是有步进电动机驱动的空气悬架系统另一种是有电磁阀驱动的油气弹簧悬架系统 42 电控空气悬架系统在车上的布置 1 空气干燥器和排气电磁阀 2 空气压缩机 3 16 前 后高度控制阀 4 15 前 后高度传感器 5 前悬架执行器 6 节气门位置传感器 7 门控灯开关 8 转角传感器 9 高度控制开关 10 后悬架执行器 11 电脑 12 18 后 前高度控制继电器 13 高度控制连接器 14 高度控制开关 17 制动灯开关 19 IC调节器 高度民主控制开关位于行李箱中 若将其置于关闭 OFF 位置 则汽车被举升或停在不平路面上时 不能对车身高度进行调节 43 直流电动机带动的空气压缩机将压缩空气经干燥过滤器送到高度民主控制电磁阀 由高度控制电磁阀来控制悬架空气弹簧的充气量 空气室的压力有调压阀根据汽车载荷实行控制 44 电控油气弹簧系统 1 油气弹簧2 中间气体弹簧3 悬架刚度调节器4 电磁阀5 控制开关6 转角传感器7 指示灯8 制动与加速踏板位置传感器9 制动压力传感器10 车速传感器11 油泵12 车身位移传感器 45 系统以油为介质压缩气室中的氮气 实现刚度调节 以管路中的小孔节流形成阻尼特性 当汽车正常行驶时 电脑打开前 后电磁阀 将中间气体弹簧接入前 后轴液压回路 于是可将弹簧中可压缩气体的容积增加50 刚度下降 与此同时 由于各电磁阀还打开了一个节流孔 使油液在各轴上所有三个氮气弹簧之间流动 降低了悬架阻尼 当电脑关闭前 后电磁阀 使中间气体弹簧与系统隔绝 禁止左右弹簧之间的油液流动 悬架刚度和阻尼均得以增加 46 不通电时 电磁阀因回位弹簧的作用而保持在关闭位置 使中间气体弹簧与前 后轴上的其他两个弹簧隔绝 悬架处于 硬 状态 该系统的执行器实际上是一个电磁阀 它置于前 后轴的中间气体弹簧上 当电脑向电磁阀通电 压缩回位弹簧 接通电磁阀后 中间气体弹簧参与左右弹簧的工作 悬架变软 当电脑检测到电磁阀线圈电阻值有误会时 停止对电磁阀加电 悬架系统自动恢复到 硬 的状态 47 以上悬架控制系统概括起来有如下特征 1 它以闭环的形式且通过逻辑的控制方式调节控制悬架参数 刚度 阻尼 且有 主动 性 2 由于系统不能提供能量 而仅消耗能量 所以它只能在消耗能量的过程中体现主动悬架的特征 而且在补充能量时表现出被动悬架的特征 3 该控制系统仅有电控装置和驱动机构需要消耗能量 因而能耗少 系统结构简单 4 可以减少车身的各种振动 但是无法像主动悬架那样将他们消除 且系统控制在反应时间上有轻微的延迟 48 五 主动控制悬架 主动悬架是指能提供油压 气压能量 并根据检测的行车环境和车况 依据某种控制理论 如天棚阻尼控制 最优控制和预见控制等 主动控制调节工作特性的悬架系统 通常 主动控制悬架系统主要以高压液体为能量 其控制方式可以分为两种 即流量控制型和压力控制型 前者由三位四通流量控制阀和双作用油缸等构成 49 50 系统采用5个传感器检测汽车的行驶工况 即 转角传感器来检测汽车的转向情况 节气门位置传感器检测汽车的加速情况高度传感器检