第18章 电子控制悬架系统

(1) 半主动悬架 半主动悬架就是指可以根据汽车运行时的振动及工况 变化情况，对悬架阻尼参数进行自动调整的悬架系统。 为了减少执行元件所需的功率，一般都采用调节减振 器的阻尼，使阻尼系数在几毫秒内由最小变至最大， 使汽车振动频率被控制在理想的范围内。半主动悬架 为无源控制，在汽车转向、起步及制动等工况时，不 能对悬架的刚度和阻尼进行有效的控制。
18.2.2 主动式悬架系统
主动悬架电子控制系统按其控制功能，可分为:
车速路面感应控制 车身姿势控制 车身高度控制
18.2.2 主动式悬架系统
① 车速路面感应控制 这种控制主要是随着车速和路面的变化，改变悬架 的刚度和阻尼，使之处于“软”或“硬”状态。在油气 弹簧悬架系统中它是由悬架ECU自动控制的，而在空气弹 簧悬架系统中它是由司机手动控制的。在“软”、“硬” 状态中，按刚度和阻尼的大小，又各分为低、中、高三 个程度不同的层次。在“软”状态时，悬架经常处于低 刚度、低阻尼层次，在“硬”状态时，悬架经常保持在 中间层次。综合起来，根据汽车不同运行工况，可有六 种不同的刚度、阻尼层次可供优选，使汽车平顺性、稳 定性达到最佳值。
制动车身“点头”控制: 在紧急制动时，会引起载荷的转移，尤其是 前轴载荷突然增加，使车身产生“点头”，因此 为控制制动时车身“点头”，必须适时增加前悬 架刚度和阻尼。当车速高于60km／h运行紧急制 动时，车速传感器的信号和制动开关发出阶跃信 号同时输入悬架ECU，悬架ECU计算分析后发出调 整悬架刚度和阻尼指令，不论原来处于“硬”、 “软”状态哪个层次，一律调整到原有状态的高 层次的阻尼和刚度值。
18.2.2 主动式悬架系统
1.主动式悬架系统的基本要求及优点 (1)主动式悬架的基本要求 主动式悬架系统除了具有吸收、缓和悬架的 振动冲击外，还能根据汽车载质量、路面情况、 行驶车速、起步、制动、转向等不同工况的变化， 自动地调整悬架的刚度、阻尼以及车身高度等， 使汽车在瞬息变化的运行条件下都能获得最舒适 的平顺性和最佳的操纵稳定性。为此，主动式悬 架应配有一套提供能量装置，控制系统所采集的 信息也较多。
18.2.2 主动式悬架系统
前后车轮关联感应控制: 车速在30～80km／h运行，偶尔前轮遇到障 碍时，安装在汽车前部的车身高度传感器将会有 脉冲信号输入悬架ECU，悬架ECU经过分析计算后， 发出改变悬架刚度和阻尼的指令，使前后车轮的 悬架不论原来选用“软”或“硬”的哪个层次， 都立即选用原状态的低层次，从而提高乘坐的舒 适性，当越过障碍后，则恢复原选用的状态层次。 但当车速超过80km／h时，若悬架刚度过小， 偶尔冲击时仍影响操纵稳定性，所以，无论原选 用什么状态，悬架都将自动保持原状态的中层次 刚度和阻尼。
(2)主动式悬架系统的控制原理 悬架ECU根据各传感器输入的信号，经过运 算分析后输出控制信号，控制各执行器动作，及 时调整悬架的刚度、阻尼及车身的高度，以确保 汽车行驶过程中的操纵稳定性和平顺性。悬架 ECU按照司机通过模式选择开关选定的“软”模 式或“硬”模式进行控制，有些悬架电子控制系 统则是由ECU根据有关传感器的信号自动选定一 种模式进行控制。
18.2.1 半主动悬架系统
当执行器将阻尼调节杆从“硬状态位置”沿反时针方 向转过60°时，减振器A-A、B-B、C-C三个阻尼孔所在位 置的截面上的阻尼孔全部打开，所以阻尼最小，处于 “软状态”也就是汽车载荷较小和在好路面运行时所选 用的阻尼。 当执行器将阻尼调节杆从硬状态位置沿顺时针方向 转过60°，减振器B-B截面上的阻尼孔打开，而A-A、C-C 截面上的阻尼孔仍被关闭，所以此时阻尼较“硬状态” 时小，较“软状态”时大，处中间值称之“运动状态”。
18.1.1 传统汽车悬架系统的不足
传统悬架的刚度和阻尼只能是根据一定的载荷、某种 路面情况和车速，兼顾各方面的要求，优化选定一种 刚度和阻尼，这种刚度和阻尼一定的悬架称之为被动 悬架。 由于汽车在行驶过程中，载质量、路面情况及车速是 变化不定的，因此刚度和阻尼一定的被动悬架不可能 在改善汽车行驶平顺性和操纵稳定性方面再有大的作 为，已不能适应现代汽车对乘座舒适性和操纵稳定的 更高要求。
18.2.1 半主动悬架系统
2.半主动悬架减振器结构原理
半主动悬架减振器分为有级调整式和无级调整式两种。 (1)有级调整式半主动悬架系统 有级调整式半主动悬架系统将悬架的阻尼(刚度)分为 2～3级，根据载荷和工况的变化，由驾驶员选择或根 据各传感器的信号自动选择。 图18-3为一个三级式半主动减振器的简图。
18.2 电子控制悬架的结构与工作原理 18.2.1 半主动悬架系统
1.半主动悬架的控制原理 半主动悬架系统通常以 车身振动加速度的均方 根值作为控制目标参数， 以悬架减振器的阻尼为 控制对象，其控制模型 如图18-1所示。
18.2.1 半主动悬架系统
半主动悬架的 控制过程如图 18-2所示。
18.2.1 半主动悬架系统
第18章 电子控制悬架系统
本章主要内容
电子控制主动悬架 电子控制半主动悬架 车高控制悬架
18.1 概
述
悬架系统的作用是承受和传递车轮与车架之间 所受的各种力和力矩，以及吸收和减缓汽车运 行过程中所受的冲击和振动，提高车辆的平顺 性和稳定性。行驶车辆的平顺性和稳定性是衡 量悬架性能好坏的主要指标，但是二者对悬架 的刚度和阻尼的要求是互相排斥的。
18.2.1 半主动悬架系统
在A、B、C三个不同截面上，设有 三排阻尼孔的回转阀4，在A-A上 有2个小孔，在B-B上有4个小孔， 在C-C上有2个小孔，与阻尼调节 杆1相连，执行器可使阻尼调节杆 1转动来控制阻尼孔的开闭，以达 到调节减振器阻尼大小的目的。
18.2.1 半主动悬架系统
在减振器A-A、B-B、C-C 三个阻尼孔所在位置的截面 上，活塞杆3将三个截面上 的所有阻尼孔全部封闭，只 有减振器下边底部的阻尼孔 可开通工作，所以减振器阻 尼最大，处于“硬状态”， 也就是汽车载荷大，或运行 在不良路面以及制动等工况 下选用的阻尼。
18.2.1 半主动悬架系统
(2) 无级调整式半主动悬架系统
无级调整式半主动悬架系统 能在几毫秒内使其阻尼力从最小 到最大的无级连续调整。 图18-5所示的是无级调整式半主 动悬架减振器原理示意图。
18.2.1 半主动悬架系统
阻尼的改变是由步进电动机，带动可变截面 阻尼器实现的，驱动杆2和空心活塞4一同上下运 动，减振器油液被压，通过驱动杆和空心活塞的 小孔,利用小孔节流作用形成阻尼。步进电动机 通过转动驱动杆，改变驱动杆与空心活塞的相对 角度，从而改变阻尼孔实际通过截面的大小，使 减振器阻尼改变。
18.1.2 电子控制悬架的作用与类型
1．电子控制悬架的作用 电子控制悬架系统由传感器、控制器和执行机构组成。 电子控制悬架系统能自动控制车辆悬架的刚度、阻尼 系数及车身高度根据汽车载质量、车速和路面情况的 变化而改变悬架特性，因而可最大限度地提高汽车的 行驶平顺性和操纵稳定性，适应了现代汽车对乘座舒 适性、行车安全性更高的要求。
在半主动悬架的ECU中，事先设定了一个以 汽车行驶平顺性最优化控制为目标的控制参数。 汽车行驶时，安装在车身上的车身加速度传感器 将车身振动情况转换为相应的电信号，并输入 ECU。ECU中的CPU立刻计算当前车身振动加速度 的均方根值i，并与设定的目标参数进行比较， 根据比较结果输出控制信号。如果i=，ECU不 输出调整悬架阻尼控制信号，减振器保持原阻尼； 如果i<，ECU则输出增大悬架阻尼信号；如果 i>，ECU则输出减小悬架阻尼信号。
18.1.2 电子控制悬架的作用与类型
2．电子控制悬架的类型 电子控制悬架的优点是能随汽车载质量和工况变化而 自动改变悬架刚度和阻尼，以提高汽车的平顺性和稳 定性。电子控制悬架则属于主动悬架，但根据是有源 控制还是无源控制可分为半主动悬架和全主动悬架两 类。
18.1.2 电子控制悬架的作用与类型
18.1.2 电子控制悬架的作用与类型
(2) 全主动悬架 全主动悬架简称主动悬架，是一种有源控制悬架，所 以它包括有提供能量的设备和可控制作用力的附加装 置。它可根据汽车载质量、路面状况(振动情况)，行 驶速度、起动、制动、转向等工况变化时，自动调整 悬架的刚度和阻尼以及车身高度，从而能同时满足汽 车行驶平顺性和稳定性等各方面的要求。 根据悬架介质的不同，又可分为油气式主动悬架和空 气式主动悬架两种。
18.2.2 主动式悬架系统
车速感应控制包括: 高速感应控制 前后轮关联控制 坏路面感应控制
18.2.2 主动式悬架系统
高速感应控制 当车速大于100 km/h时，悬架ECU根据车速 传感器输入的信息，发出改变悬架刚度和 阻尼的指令。若原来处于“软”状态时， 则刚度和阻尼自动从低层次进入中层次， 若原来处于“硬”状态时，则刚度和阻尼 仍稳定于中层次，当车速降低后则又回到 原来层次。
Байду номын сангаас8.2.2 主动式悬架系统
起步车身后仰控制: 当汽车起步过快或在车速较低加速过猛时， 会引起后桥载荷增加，使车身产生后仰现象，此 时应增加后悬架的刚度和阻尼，以控制后仰程度 保持平顺和舒适。当汽车起步速度过大，或车速 在小于20km／h时，猛踩油门加速时，节气门开 度传感器和车速传感器的信号输入悬架ECU，悬 架ECU分析计算发出调整悬架刚度和阻尼的指令。 如果此时悬架处于“软”状态，则应从中层次或 低层次直接进入高层次，如果此时悬架处于“硬” 状态，则也从中层次进入高层次。
18.2.2 主动式悬架系统
②车身姿势控制 当车速和转向急剧变化时，会引起车身姿势变化， 这不但使乘坐不舒适，严重时会因转向使车身侧倾失去 稳定性。所以随着设计车速的提高，车身姿势控制是必 不可少的。车身姿势控制主要有: 转向车身侧倾控制 制动车身“点头”控制 起步车身后仰控制
18.2.2 主动式悬架系统
18.2.2 主动式悬架系统
2. 主动悬架电子控制系统的基本组成与控制原理
(1)主动悬架电子控制系统基本组成 不同类型、不同车型上使用的主动悬架其电子控制系统的组成部件 会有一些差别，图18-6所示的是某种空气式主动悬架电子控制系统 的组成。
18.2.2 主动式悬架系统
18.2.2 主动式悬架系统
转向车身侧倾控制: 在汽车急转弯或转向盘转速过快时，转向盘 传感器便把转向盘转角及转速信息输入悬架ECU， 悬架ECU计算分析后发出调整悬架刚度和阻尼的 指令，根据转角和车速的大小确定不同的调整幅 度。最大时，不管原来处于“软”、“硬”状态 的哪个层次，都一律调整到那个状态的高层次的 刚度和阻尼。
18.2.2 主动式悬架系统
18.2.2 主动式悬架系统
坏路面感应控制: 当汽车以40～100km／h突然驶入坏路面时， 为了控制突然产生的车身纵向角振动，悬架ECU 在接收到车身高度传感器输入的车身高度变化周 期小于0.5s的信号后，发出调整悬架刚度阻尼指 令，如果原来处于“软”状态，则悬架立即从低 层次转入中层次。如果原来处于“硬”状态，则 悬架刚度、阻尼保持中层次不变。如果汽车以大 于100 km／h速度驶入坏路面，悬架ECU发出的指 令是：如果原处于“软”状态，则直接进入高层 次，如果原处于“硬”状态，则也直接进入高层 次。
18.2.2 主动式悬架系统
主动式悬架用到的传感器如表18-1所示。
18.2.2 主动式悬架系统
(2)主动悬架系统优点 ① 汽车载荷变化时，主动悬架系统能自动维持车身高度使其变 化较小，保证了汽车即使在凹凸不平路面上行驶时也能车身平稳。 ② 悬架刚度可以设计小些，使车身的固有振动频率在70次／分 左右，在人感到乘坐非常舒适的范围内，由于刚度可自动调整，能 有效的防止和减缓汽车转弯时出现的车身侧倾，起步、加速时引起 车身的纵向摆动等。 ③ 一般的悬架系统，在汽车制动时，尤其是紧急制动时，车头 向下俯冲，使后轴载荷剧减，造成后轮与地面的附着条件严重恶化， 制动失灵。主动悬架系统能防止这一不良后果，保证应有的附着条 件和制动距离。 ④ 主动悬架可使车轮与地面一直保持良好接触，因而使附着力 稳定，提高了牵引力、制动力、抗侧滑力，可提高动力性、安全性 和经济性。 ⑤ 由于很好地控制和调整悬架的刚度和阻尼，消除了恶性振动 冲击，提高了车辆的运行寿命。