第7章电子控制悬架系统(汽车电子控制技术)

汽车电子控制技术汽车类专业应用型本科示范教材机械工业出版社出版主编于京诺第7章电子控制悬架系统•学习目标•·了解电控悬架系统的功用和组成。•·了解电控悬架系统分类。•·掌握电控悬架系统传感器和执行机构的结构和工作原理。•·掌握电控悬架系统控制原理。7.1.1功用悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的所有传力连接装置的总称。它的作用除了缓冲和吸收来自车轮的振动之外，还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架（或承载式车身）上，从而改变了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，以保证车辆正常行驶。提示：电子控制悬架系统是通过控制悬架的刚度和减振器阻尼，克服传统的被动悬架系统对其性能改善的限制，使悬架特性与路面条件、装载质量、行驶车速等相适应，从而使汽车的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下都能达到最佳组合。7.1电控悬架系统的功用及分类电子控制悬架系统的基本功能包括：减振器阻尼控制、弹簧刚度控制和车身高度调整。①减振器阻尼调节功能。该功能的作用是在急转弯、急加速和紧急制动等情况下，通过改变减振器阻尼，抑制车辆姿势的变化，防止车辆侧倾、前倾、后仰等，提高车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性。②弹簧刚度调节功能。该功能是利用控制弹簧刚度(弹性系数)的方法控制车辆在各种不同状况时的姿势，提高车辆的操纵稳定性。③车身高度调整功能。可以使得车辆根据载荷变化自动调节悬架高度以保持车身的正常高度和姿态。当汽车在坏路面行驶时可以使车身升高，增强其通过性；当汽车在高速行驶时，又可以使车身降低，减少空气阻力并提高行驶稳定性。7.1.2分类根据悬架的控制方式不同，电子控制悬架可分为半主动悬架和主动悬架两大类。1.半主动悬架半主动悬架通常是指只能对悬架的减振器阻尼进行调节的悬架。根据减振器阻尼力调节方式不同，半主动式电控悬架又分为有级半主动式（阻尼力有级可调）和无级半主动式（阻尼力连续可调）两种。半主动悬架是无源控制，因此，消耗的能量很小，成本较低，但汽车在转向、起动、制动等工况时难以对弹簧刚度和减振器阻尼力进行有效的控制。2.主动悬架主动悬架能根据不同工况主动调节悬架的减振器阻尼、弹簧刚度以及车身高度，从而能够同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。主动悬架是有源控制，在悬架系统中附加一个可控制作用力的装置（压缩空气源或者液压源），根据各传感器检测到汽车载荷、行驶速度、路面状况变化和汽车起动、制动、转向等工况，自动调节悬架的弹簧刚度和减振器阻尼力，此外，还可以根据行驶情况的变化自动调节车身高度，显著提高汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性。7.2电控悬架系统的结构和工作原理7.2.1系统组成悬架系统因生产企业不同，其功能及零部件组成略有不同，但其电子控制系统总体上都是由各种传感器和控制开关、电子控制单元、执行机构等部分组成。电子控制悬架系统的传感器将汽车路面行驶的情况（包括：振动、车速、起步、加速、转向、制动等信息）转变为电信号，传送给电子控制单元（ECU）。悬架ECU将传感器传回的电信号进行综合处理，然后发出对悬架的刚度、阻尼系数及车身高度进行调节的控制信号。悬架系统的执行机构，根据悬架ECU的控制信号执行动作，及时调整悬架的刚度、阻尼系数及车身高度。悬架系统的执行机构一般由电磁阀、步进电机、气泵电动机等组成。l-高度控制压缩机2-1号高度控制阀3-主节气门位置传感器4-门控灯开关5-悬架ECU6-2号高度控制继电器7-后悬架控制执行器8-高度控制连接器9-高度控制开关10-2号高度控制阀和溢流阀11-后高度控制传感器12-LRC开关13-高度控制开关14-转向传感器15-制动灯开关16-前悬架控制执行器17-前高度控制传感器18-1号高度控制继电器19-IC调节器20-干燥器和排气阀7.2.2传感器和控制开关电控悬架系统传感器的作用是对汽车行驶状态进行检测，为ECU提供相应的电信号，以便ECU对悬架的阻尼、弹簧刚度和车身高度进行控制。1.车身高度传感器光电式车身高度传感器主要由光电耦合元件、遮光盘、壳体和防护盖等组成，结构如图7-2所示。1-光电耦合元件2-遮光盘3-盖4-电缆5-金属封油环6-壳体7-轴光电耦合元件由发光二极管和光电三极管组成，遮光盘固定在传感器轴上，遮光盘圆周上制有弧度不等的透光槽，如图7-3所示。车身高度传感器轴通过连杆和拉紧螺栓与悬架臂连接。a）结构；b）导通状态；c）切断状态1-光电耦合元件2-传感器轴3-连杆4-遮光盘1-后悬架臂2-轮胎3-车架4-减振器5-螺旋弹簧6-连杆7-槽8-光电耦合元件9-遮光盘10-拉紧螺栓光电耦合元件固定在传感器壳体上，传感器壳体固定在车架上。因此，当车身高度变化时，光电耦合元件仅随车身上下移动，遮光盘将随悬架臂的摆动而转动。图7-5光电耦合元件（4组）控制电路图当车身升高时，悬架臂右端离地间隙增大，并通过拉紧螺栓和连杆带动传感器轴沿顺时针方向转动一定角度。反之，当车身高度降低时，悬架臂右端离地间隙减小，因为拉紧螺栓的长度不变，所以悬架臂将通过拉紧螺栓和连杆带动传感器轴沿逆时针方向转动一定角度。当传感器轴转动时，就会带动固定在轴上的遮光盘一同转动。当遮光盘上的透光槽处于发光二极管与光电三极管之间时，光电三极管受到光线照射而导通（如图7-3b），耦合元件输出端输出低电平“0”（0～0.3V）；当遮光盘上的透光槽不在发光二极管与光电三极管之间时，光电三极管不受光线照射而截止（如图7-3c），耦合元件输出端输出高电平“1”（4.7～5.0V）。根据光电耦合元件输出的信号，即可判定车身高度。为了获得在整个车身高度变化范围内车身高度的电信号，在遮光盘的两侧装有4组或2组光电耦合元件。光电耦合元件（4组）控制电路图车身高度与光电耦合元件输出信号（4组）关系2.加速度传感器在车轮打滑时，无法以转向角和汽车车速正确判断车身侧向力的大小，此时利用加速度传感器可以直接准确地测量出汽车的纵向加速度以及汽车转向时因离心力而产生的横向加速度，并将信号输送给ECU，使ECU能够调节悬架系统的阻尼力大小及悬架弹性元件刚度的大小，以维持车身的最佳姿势。差动变压器式加速度传感器的结构如图7-6所示，主要由线圈（一次绕组，二次绕组）、铁芯、弹簧等组成。图7-7所示为差动变压器式加速度传感器的工作原理。1-弹簧2-封入硅油3-检测线圈（二次绕组）4-励磁线圈（一次绕组）5-铁芯其工作原理是：传感器的励磁线圈（一次绕组）上通有交变电压信号，检测线圈（二次绕组）是两个串联的匝数相等绕向相反的线圈，当加速度为零时，铁芯处于中间平衡位置，两个二次绕组中的感应电动势信号大小相等，方向相反，输出为零；当汽车转弯（或加、减速）行驶时，铁芯在汽车横向力（或纵向力）的作用下产生位移，随着铁芯位置的变化，两检测线圈（二次绕组）的感应电动势大小不等，输出电压发生变化。加速度越大，铁芯位移越大，输出电压信号越大。ECU根据此输入信号即可正确判断汽车横向力（或纵向力）的大小，对车身姿势进行控制。1、2-二次绕组3、6-一次绕组4-电源5-铁芯3.转向盘转角传感器转向盘转角传感器位于转向盘下面，主要用来检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度等，并把信号输送给悬架ECU，ECU根据该信号和车速等信号判断汽车转向时侧向力的大小和方向，从而控制车身的侧倾。现代汽车多采用光电式转向盘转角传感器，其安装位置及结构如图7-8所示，主要由信号圆盘（有缝圆盘），光电耦合元件和处理电路等组成。光电式转向盘位置传感器的结构1-传感器壳体2-信号圆盘3-光电耦合元件4-转向轴光电式转向盘转角传感器信号圆盘压装在转向轴上，在信号圆盘的圆周上制有宽度相等、均匀排列的透光孔。两组光电耦合元件装在信号圆盘两侧与透光孔配合工作。光电式转向盘转角传感器与光电式车身高度传感器的基本原理相同，耦合元件电路如图7-9a所示，当信号圆盘随转向轴转动时，圆盘上的透光孔便在两组光电耦合元件之间转过，耦合元件输出端即可输出高、低电平信号，如图7-9b所示。悬架ECU根据两组光电耦合元件输出信号导通与截止变换的频率，即可计算出转向盘的转动角度和速度。同时，由于两个光电耦合元件ON、OFF变换的相位差为90°，因此通过判断哪个耦合元件首先转变为ON状态，即可检测出转向轴的转动方向。例如：转向盘向左转时，左侧光电耦合器总是先于右侧光电耦合器90°达到“ON”状态，向右转时，右侧光电耦合器总是先于左侧光电耦合器90°达到“ON”状态。4.车速传感器车速信号是汽车悬架系统的常用控制信号，汽车车身的侧倾程度取决于车速的高低和汽车转向半径的大小。车速传感器的作用是检测汽车速度，并将信号传递给ECU，用于对悬架的阻尼、弹簧刚度和车身高度的控制。常用的车速传感器主要有舌簧开关式，电磁感应式，光电式等。5.节气门位置传感器节气门位置传感器用来检测节气门的开度及开度变化，为悬架ECU提供起步、加速等信号，以便根据车辆状态进行悬架控制。节气门位置信号可以与汽车上用于发动机控制的节气门位置信号共享。常用的节气门位置传感器有线性可变电阻式、触点与可变电阻组合式。6.悬架控制开关在电控悬架中，常用的开关主要有阻尼力调节开关、车身高度控制开关及车身高度控制通/断开关等。（1）阻尼力调节开关阻尼力调节开关通常位于变速杆旁，雷克萨斯LS400轿车的阻尼力调节开关被称为LRC（LexusRidingControl雷克萨斯汽车行驶平顺性控制）开关，如图7-10a所示。LRC开关有NORM（正常）和SPORT（运动）两个位置，当选择不同位置时，减振器阻尼和弹簧刚度见表7-3悬架控制开关a）阻尼力调节开关b）车身高度控制开关悬架控制开关的控制功能开关位置减振器阻尼弹簧刚度车身高度LRC开关NORM软软—SPORT中硬—高度控制开关NORM——标准HIGH——高（2）车身高度控制开关图7-10b）所示为LS400轿车车身高度控制开关，驾驶员操纵此开关选择所希望的车身高度（NORM或HIGH）后，车身高度的目标值见表7-3。（3）车身高度控制通/断开关车身高度控制通断（ON/OFF）关用来接通或中止主动悬架的车身高度控制功能，该开关位于车辆行李箱的工具储藏室内。当车辆被举升、停在不平的路面或车辆被拖拽时，要先将此开关拨至“OFF”位置，这样可避免空气弹簧中的压缩空气排出，从而造成车身高度下降。7.其他信号（1）制动灯开关信号制动灯开关通常安装在制动踏板支架上（见图7-11），当踩下制动踏板时，开关接通，悬架ECU利用这一信号判断汽车是否处于制动状态，以便对悬架进行阻尼和弹簧刚度控制。LS400制动灯开关位置及电路（2）门控灯信号门控灯开关位于汽车各门的门柱上或行李箱内，当所有的车门（和行李箱盖）都关闭时，门控灯开关断开，车门关闭信号送至ECU。在主动悬架系统中，ECU根据该信号判断车门是否打开，因为在车辆停止后，悬架系统会自动使车身高度降低，若在降低的过程中ECU检测到车门打开（下客或卸货）时，车身高度自动控制功能必须停止，以免造成危险。（3）发电机IC调节器信号（以LS400轿车为例）发电机IC调节器位于汽车交流发电机内。IC调节器的L端子在发动机运转时（即发电机发电）为蓄电池电压，在发动机停止时（即发电机不发电）不高于1.5V。IC调节器的L端子直接与悬架ECU的REG端子连接，悬架ECU据此判断发动机是否运转。悬架ECU利用这一信号，进行如转角、高度等传感器的检查和失效保护功能。7.2.3电子控制单元电控悬架系统ECU与其它系统ECU相同，也是由输入回路、微型计算机、输出回路以及电源电路等组成。当汽车正常行驶时，电控悬架系统ECU按照阻尼力调节开关、车身高度控制开关的设定，控制减振器阻尼、弹簧刚度以及车身高度（见表7-3）。但汽车的运行状态发生变化时，ECU将对电控悬架的控制参数进行自动控制，控制策略如下：l．减振阻尼力和弹簧刚度控制提示：减振阻尼力和弹簧刚度的控制是针对以下情况而实施的，具体包括防止前倾控制、防止侧倾控制、防止后仰控制、坏路控制、高车速控