模块七 现代汽车悬架控制技术

1、现代汽车新技术概论现代汽车新技术概论 现代汽车悬架控制技术 复习提问 1 1、驱动防滑系统的基本组成，工作原理、驱动防滑系统的基本组成，工作原理 2 2、什么是电控驱动防滑系统以及作用、什么是电控驱动防滑系统以及作用 导入新课 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。 教学目标 知识目标知识目标掌握传统悬架的组成、结构及 工作原理掌握现代汽车悬架控制系统的 控制内容和类型、悬架控制系统的基本 组成 能力目标能力目标懂悬架系统的控制方式

2、 懂悬架 弹簧刚度调节系统的组成 素质目标素质目标养成良好的自学能力，文件资 料收集能力 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 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

3、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。 例如： 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。 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。 随着现代电子控制技术的飞速发展 以电脑作为控制核

4、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。 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。 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

5、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。 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 。 悬架控制系统的传感

6、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。 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。 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。 检测车轮转速，反映车速和计 算车身的侧倾量。 检测转向盘转角， 计算车身侧倾。 检测制动管路压力，判 断汽车制动情况。 检测制动灯电路通断，判 断汽车制动状况。 检测节气门开度， 反映汽车加速状况。 检测门控灯电路通断，判 断乘员状况 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

7、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。 悬架系统的控制方式 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 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。 2、特殊行驶工况高度控制 汽车高速行驶时，主动降低车身高度，以改善 行车的操纵稳定性和气动特性。当汽车行驶于 起伏不平度较大的路面时，主动升高车身，避 免与地面或悬架的磕碰。 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

8、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。 常见的控制方式 ：方式1 空气压缩机 电动机 空气压缩机继电器 高度传感器 排气电磁阀 空气干燥器 空气弹簧 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

9、能得以重复使用。 常见的控制方式 ：方式2 空气压缩机 电动机 空气压缩机继电器 高度传感器 排气电磁阀 空气干燥器 空气弹簧 电脑 压力开关 储液筒 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。 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 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。 遮光板 光电藕合器 遮光板 光电藕合器 摆臂 传 感 器 轴

10、 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。 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

11、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。 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。 与此相反 当电脑根据传感器信号判定车身高

12、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。 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，

13、改善行驶稳定性。 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。 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、

14、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 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。 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。 通常情况下，高速行驶的

15、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。 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。 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

16、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 。 转向盘转角传感器 转向盘转角传感器 遮光圆盘 光电 藕合 器 窄缝 转向轴 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

17、的阻尼。 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 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

18、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。 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

19、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 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。 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 （四）悬架综合控制系统 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

20、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； 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/h90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 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

21、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。 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

22、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。 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 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

23、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 油室 氮气室 膜片 中间气体弹簧 节流孔 液压缸 控制柱塞阀 电磁阀 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”

24、的状 态 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。 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

25、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。 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 高度传感器检测行驶中汽车的高度和悬架的姿 态 加速度传感器检测转向时汽车的横向加速度； 压力传感器检测空气弹簧内的空气压力。 电脑根据上述传感器的信息，通过9个电磁阀控 制弹簧的气压抑油压），使汽车自爱各种行驶 状态下均能保持水平姿态，并维持适当的行驶 高度。 右电磁阀 左电磁阀 排气电磁阀 排气电磁阀 空气

26、压缩机回流泵 高低压储能器 当汽车转向时，车身在离心力作用下发生 侧倾（虚线）。电脑根据传感器的信息， 计算出汽车转向教速度和车身横向加速度 等参数，经过分析判断，想前后轮电磁阀 总成发出控制指令，让外侧车辆空气弹簧 充气，内侧车轮空气弹簧放气，以平衡车 身的侧倾运动（实线）。 侧倾控制过程： 电脑可提供的控制功能及控制特点 控制功能 控制特点 模式选择 模式选择开关可选择自动(AUTO)和运动（SPORT）档位 ； 高度开关可选择自动（AUTO）、高（HIGH）、特 高（EXTRA HIGH） 侧倾控制 根据转向盘转角速速和车身横向加速度，控制内外侧 悬架弹簧的气压（油压），外侧弹簧压力增加，内侧弹 簧压力减小，自动模式下车身侧倾刚度大于运动模式下 的车身侧倾刚度 点头控制 当制动踏板开关开启，且车身纵向加速度大于0.2g时 ，控制前悬架弹簧充气（油），后悬架弹簧放气（油） ，以保持车身水平，随后反向控制以恢复原状态。 根据加速踏板