第5章电子控制悬架系统

汽车电子控制技术沈阳大学凌永成第5章电子控制悬架系统5.1汽车悬架的发展概况5.1.1汽车悬架的作用汽车悬架是指连接车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)的一系列传力装置。汽车悬架的作用有：(1)承载即承受汽车各方向的载荷，这些载荷包括垂直方向、纵向和侧向的各种力。(2)传递动力即将车轮与路面间产生的驱动力和制动力传递给车身，使汽车向前行驶、减速或停车。(3)缓冲即缓和汽车和路面状况等引起的各种振动和冲击，以提高乘员乘坐的舒适性。除此之外，汽车的悬架对汽车车轮的定位有较大的影响，进而影响汽车行驶性能、操纵性能及乘坐的舒适性。5.1.2汽车悬架的发展历程20世纪40年代，汽车悬架由工字形系统改变为长短臂系统，70年代末至80年代初，在前轮驱动的轿车上，麦弗逊(Macpherson)撑杆式悬架又取代了长短臂悬架系统。传统的汽车悬架主要由弹性元件、减振器及稳定杆组成。其中弹性元件、减振器和轮胎的综合特性，决定了汽车的行驶性、操纵性和乘坐的舒适性。由于弹性元件、减振器均是决定刚度的元件，它们对路面状况和汽车的行驶状况(如汽车直线行驶时的加速和制动，汽车转弯)的适应性均受到了很大的局限。而且汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性是一对矛盾的两方面，如果要保证汽车的乘坐舒适性，就要求悬架比较柔和；要保证汽车的操纵稳定性，就要求悬架具有较大的弹簧刚度和阻尼力较大的减振器。如果这两方面任意地加强一面，均会使另一方面受到较大的影响。因此，在汽车设计时，为了对它们进行兼顾，只能采用折中措施，根据汽车的行驶状况、道路状况、悬架结构等进行最优化设计，如改进悬架的结构和有关参数。近年来的轿车越来越多地采用横臂式独立悬架(单横臂式和双横臂式)、纵臂式独立悬架(单纵臂式和双纵臂式)，车轮沿主销移动的悬架(烛式和麦弗逊式)，使汽车的有关性能得到较大的最优化折中处理。尽管如此，汽车的悬架系统也只能适应特定的道路和行驶条件，无法满足变化莫测的道路条件和汽车行驶的各种状况。而且这种悬架只能被动地承受地面对车身的各种作用力，无法对各种情况进行主动地调节车身的状况，使汽车的操纵稳定性与乘坐的舒适性达到和谐的调节。近年来，高速路网得到了迅猛的发展，对汽车的性能也提出了更高的要求，许多驾车者在高速公路上行驶时喜欢柔软、舒适的行驶性能；而在急转弯、紧急制动或快加速时又喜欢刚硬稳固的行驶性能，在这些驾驶条件下，刚硬稳固的行驶性能可以降低汽车的横摆、侧倾和俯仰。传统的悬架结构越来越难适应这一发展的势头。为了更进一步地提高汽车的性能，提高汽车的质量和档次，突出汽车工业的经济效益，各国汽车行业竞相开发更能适应现代交通的高性能汽车。除了对汽车的其他总成进行更有效的改进之外，对汽车的悬架系统也进行了切实有效的改良。随着电子技术、传感器技术和各种柔性适时控制技术的发展，用这些技术装备起来的汽车悬架系统，既使汽车的乘坐舒适性达到了令人满意的程度，又促使汽车的操纵稳定性得到了可靠的保证。1981年汽车上开始应用车身高度控制技术，同年又成功开发出可变换减振器阻尼力控制的新技术，以后又开发出自动变换减振器阻尼力、弹性元件刚度的电控悬架。1987年，日本本田公司率先推出装有空气弹簧的主动悬架，它是一种通过改变空气弹簧的空气压力来改变弹性元件刚度的主动悬架。1989年，世界上又推出了装有油气弹簧的主动悬架。20世纪90年代是电子技术在汽车悬架系统中的应用越来越多的时期。现在，某些计算机控制的悬架系统已具有在10ms到12ms内即能对路面和行驶条件做出反应的能力，以改善行驶时的平稳性和操纵性。5.1.3汽车悬架的分类目前，汽车的悬架系统通常分为传统被动式、半主动式、主动式三类。其中半主动式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；主动式悬架根据频带和能量消耗的不同，分为全主动式(频带宽大于15Hz)和慢全主动式(频带宽3Hz到6Hz)；而根据驱动机构和介质的不同，可分为由电磁阀驱动的油气主动式悬架和由步进电动机驱动的空气主动式悬架。无级半主动式悬架可以根据路面的行驶状态和车身的响应对悬架阻尼力进行控制，并在几毫秒内由最小变到最大，使车身上的振动响应始终被控制在某个范围内。但在转向、起步、制动等工况时不能对阻尼力实施有效的控制。它比全主动式系统优越的地方是不需要外加动力源，但所需要的传感器较多，使成本较高。主动式悬架是一种带有动力源的悬架，在悬架系统中附加一个可控制作用力的装置。主动式悬架可根据汽车载荷、路面状况、行驶速度、启动、制动、转向等状况的变化，自动调整悬架的刚度、阻尼力及车身高度等。通常把用于提高平顺性的控制称为路面感应控制，而把用于增加稳定性的控制称为车身姿势控制。另外，车身高度控制是主动式悬架系统的重要控制项目之一。5.2电控悬架的结构及工作原理汽车上装用的普通减振器的伸张型减振器，缸筒为全密封式结构，伸缩杆上有一个活塞，阻尼孔位于活塞上，活塞将缸筒分为上下两腔。当汽车向上振动带动活塞杆伸张时，上腔油液通过活塞上阻尼较大的阻尼孔，流向下腔。由于活塞杆收缩时，油液流动阻尼大，流速慢，汽车振动所消耗的能量大，从而有效地减轻了汽车的振动幅度，提高了汽车行驶的安全性和操纵稳定性。由于这种减振器的阻尼孔的通流截面积在汽车行驶过程中不可调节，它只能满足特定车速和路况条件下的有效减振。而对于在复杂的路况条件下行驶的汽车，就不可能满足汽车在所有行驶车速和行驶条件下的有效减振，也就很难满足现代汽车的舒适性和操纵稳定性、安全性的要求。在现代中、高档汽车上很少采用普通的减振器，转而采用电控半主动悬架或电控主动悬架，以提高汽车的综合性能。5.2.1电控半主动悬架的结构和工作原理大部分半主动悬架采用了手动控制方式，由驾驶员根据路面状况和汽车的行驶条件，手动控制相关的动作，对减振器的阻尼力进行变换。如果当减振器的阻尼力被调整为“硬”时，还可增强汽车在转弯或在不平道路上行驶时抗侧倾的能力，提高汽车操纵的稳定性。如果当减振器的阻尼力被调整为“软”时，使汽车行驶时的上下颠簸幅度减少，提高汽车乘坐的舒适性。这种悬架系统，可以通过驾驶员根据汽车行驶的路面状况，借助挡位转换开关来控制悬架的特性参数变化。悬架系统性能控制的特性参数包括：减振器的阻尼力、横向稳定杆的刚度。其控制方式有机械式和电子控制式两种。电控半主动悬架的一般工作原理是：利用传感器把汽车行驶时路面的状况和车身的状态进行检测，检测到的信号经输入接口电路处理后，传输给计算机进行处理，再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。其工作原理如图5.1所示。1.阻尼力的调节所谓阻尼力的调节就是根据汽车负荷、行驶路面的条件和汽车行驶状态(加速、减速、制动或转弯等)来控制减振器的阻尼力，使汽车在整个行驶状态下，减振阻尼力在二段(软、硬)或三段(软、中等、硬)之间变换。近来大多数阻尼力控制系统允许连续改变减振器的阻尼力，并且各种传感器和执行器也可以连续对行驶情况进行检测，从而提高了系统的响应性。图5.2所示为丰田汽车所装用的电子控制半主动悬架系统(TEMS)。它主要由模式选择开关、电子控制单元(ECU)、可调节阻尼力的减振器、转换阻尼力的执行器、车速传感器、转向盘转角传感器、节气门位置传感器、制动灯开关、空挡启动开关等部件组成。该系统的基本工作原理是：根据汽车的行驶状态和路面情况，模式选择开关的工作模式，通过相关的传感器对汽车的行驶状态、路面反应及车速等进行检测。ECU对这些信号进行比较和处理后，控制相关的执行机构来改变减振器的阻尼力，抑制汽车急加速时车尾的下蹲、汽车转弯时的侧倾和紧急制动时的点头，以及高速行驶时车身的振动等，以此来提高汽车乘坐的舒适性和操纵的稳定性。1)模式选择开关模式选择开关位于变速器操纵手柄旁，如图5.3所示。驾驶员根据汽车的行驶状况和路面情况选择模式选择开关的组合方式，从而确定选择模式来决定减振器的阻尼力大小。模式选择开关的不同组合，可使悬架系统有四种工作方式：即自动、标准(Auto、Normal)；自动、运动(Auto、Sport)；手动、标准(Manu、Normal)；手动、运动(Manu、Sport)。如选择自动模式，悬架系统可以根据汽车行驶状态和车速等自动地调节减振器的阻尼力，以保证让汽车乘坐的舒适性和操纵的稳定性。在手动模式下，悬架系统的阻尼力只有标准(中等)和运动(硬)两种状态的转换。2)减振器可调阻尼力的减振器主要由缸筒、活塞及活塞控制杆和回转阀等组成，如图5.4所示。活塞杆为一空心杆，在活塞杆的中心装有控制杆，控制杆的上端与执行器相连。控制杆的下端装有回转阀，回转阀上有三个油孔，活塞杆上有两个直孔，缸筒中的油液一部分经活塞上的阻尼孔在缸筒的上下两腔流动；一部分经回转阀与活塞杆上连通的孔在缸筒的上下两腔间流动。根据回转阀与活塞杆上的小孔不同的连通情况，减振器的阻尼力有硬(hard)、软(soft)、中等(normal)三种。这种阻尼力的特性是：硬(hard)——减振器的阻尼力较大，减振能力强，使汽车好像具有跑车的优良操纵稳定性。中等(normal)——适合用于汽车高速行驶。软(soft)——减振器的阻尼力较小，减振能力较弱，可充分发挥弹性元件的缓冲作用，使汽车具有高级旅游车的舒适性。当模式选择开关处于自动模式下，减振器的阻尼力与汽车的行驶状态和路面状况的配置情况见表5-1。可调节阻尼力的减振器的基本工作原理：当ECU促使执行器工作时，通过控制杆带动回转阀相对活塞杆转动，使回转阀与活塞杆上的油孔连通或切断，从而增加或减小油液的流通面积，使油液的流动阻力改变，达到调节减振器阻尼力的目的。当回转阀上的A、C油孔相连时，流通面积较大，减振器的阻尼力为软；当只有回转阀B油孔与活塞杆油孔相连时，减振器的阻尼力为中等；当回转阀上三个油孔均被堵住时，仅有活塞上的阻尼孔起衰减作用，此时减振器的阻尼力为硬。3)执行器如图5.5所示，是丰田汽车采用的直流电动机式执行器的结构和工作原理图。从图中可以看出该执行器主要由直流电动机、小齿轮、扇形齿轮、电磁线圈、挡块、控制杆组成。每个执行器安装于悬架系统中减振器的顶部，并通过其上的控制杆与减振器的回转阀相连接，直流电动机和电磁线圈直接接受ECU的控制。该执行器的基本工作原理是：ECU输出控制信号使电磁线圈通电控制挡块的动作(如将挡块与扇形齿轮的凹槽分离)，另外直流电动机根据输入的电流方向作相应方向的旋转。从而驱动扇形齿轮作对应方向的偏转，带动控制杆改变减振器的回转阀与活塞杆油孔的连通情况，使减振器的阻尼力按需要的阻尼力大小和方向改变。当阻尼力调整合适后，电动机和电磁线圈都断电，挡块重新进入扇形齿轮的凹槽，使被调整好的阻尼力大小能稳定地保持。表5-2所示为执行器的直流电动机和电磁线圈在工作时的通电情况。当ECU发出软阻尼力信号时，电动机转动促使扇形齿轮作逆时针方向转动，直到扇形齿轮上凹槽的一边靠在挡块上为止；如发出中等硬度信号，电动机反向通电，使扇形齿轮顺时针方向偏转，直到扇形齿轮上凹槽的另一边靠在挡块上为止；当ECU发出硬阻尼力信号时，ECU同时向电动机和电磁线圈发出控制信号，电动机带动扇形齿轮离开软阻尼力位置或中等阻尼力位置，同时电磁线圈将挡块拉紧，使挡块进入扇形齿轮中间的一个凹槽内。如图5.6所示，是由直流电动机与三级齿轮减速机构组成的可调节阻尼力减振器的执行装置。它主要由直流电动机、齿轮减速机构、驱动轴及与轴连在一起的电刷、印制电路板、挡位转换开关、制动电路等组成。该执行器只有两段(Touring/Sport)模式控制。随着执行器的工作，驱动轴带动电刷在电路板上扫过，可以接通或切断模式选择开关的电流通路。一般驱动轴每转过90°就进行一次“Touring/Sport”的转换，从而控制直流电动机的工作状态。电刷与印制电路板形成两个接点开关SW1和SW2，它们分别模式选择开关的Touring挡和Sport挡作电路上的连接。接点开关SW1和SW2与模式选择开关的对应位置关系见表5-3。电路工作分析：当模式转换开关转换到“Touring”挡时，如图5.7所示，ECU与驱动