主动悬挂系统工作原理

主动悬架是根据汽车的运动状态和路面状态，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。

它是在被动悬架（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控作用力的装置。

通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。

执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等）。

测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。

控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。

能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

主动悬挂系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元（ECU）控制悬挂执行机构，使悬挂系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数得以改变，从而使汽车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。

主动悬挂系统是近十几年发展起来的、由电脑控制的一种新型悬挂系统，它汇集力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置，例如装置主动悬挂系统的法国雪铁龙桑蒂雅，该车悬挂系统系统的中枢是一个微电脑，悬挂系统上的5种传感器分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据，电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较，选择相应的悬挂系统状态，同时，微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬挂系统运动，因此，桑蒂雅轿车备有多种驾驶模式选择，驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会自动设置在最佳的悬挂系统状态，以求最好的舒适性能，主动悬挂系统具有控制车身运动的功能，当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬挂系统会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化，例如德国 benz 2000款cl型跑车，当车辆拐弯时悬挂系统传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度，电脑根据传感器的信息，与预先设定的临界值进行比较计算，立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬挂系统上，使车身的倾斜减到最小。

（一）主动式空气悬挂系统工作原理
图 4所示为丰田索阿拉高级轿车电子控制主动式空气悬挂系统的构成图。

它主要由空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、带有减振器的空气弹簧、悬挂控制执行器、悬挂控制选择开关及电子控制单元等组成。

空气压缩机由直流电机驱动，形成压缩空气，压缩空气经干燥器干燥后由空气管道经空气电磁阀送至空气弹簧的主气室。

当车身需要升高时，电子控制单元控制空气电磁阀使压缩空气进入空气弹簧的主气室（见图 5（b）），使空气弹簧伸长，车身升高；当车身需要降低时，电子控制单元控制电磁阀使空气弹簧主气室中压缩空气排到大气中去（见图 5（a）），空气弹簧压缩，车身降低。

在空气弹簧的主、辅气室之间有一连通阔，空气弹簧的上部装有悬挂控制执行器（图中未画出）。

电子控制单元根据各传感器输出信号，控制悬挂执行器，一方面使空气弹簧主、辅气室之间的连通阀发生改变，使主、辅气室之间的气体流量发生变化，因此而改变悬挂的弹簧刚度；另一方面，执行器驱动减振器的阻尼力调节杆，使减振器的阻尼力也得以改变。

丰田索阿拉轿车采用的主动式空气悬挂系统中，车高、弹簧刚度和减振器阻尼力可同时得到控制，且各自可以取三种数值，其所取数值由电子控制单元根据当时的运行条件和驾驶员选定的控制方式决定。

驾驶员可以任意选择四种自动控制模式，即控制车身高度的“常规值自动控制”和“高值自动控制”，以及控制弹簧刚度和减振器阻尼力的“常规值自动控制”和“高速行驶时自动控制”，具体控制内容如下：
1.利用弹簧刚度/减振器阻尼力进行控制
（1）抗后坐：通过传感器检测油门踏板移动速度和位移。

当车速低于20km/h且加速度大时（急起步加速），ECU通过执行器将弹簧刚度和减振器阻尼力调到高值，从而抵抗汽车起步时车身后坐。

如果此时驾驶员选择了“常规值自动控制”状态，则弹簧刚度和减振器阻尼力由软调至硬；如果此时驾驶员选择了“高速行驶自动控制”状态，则刚度和阻尼力由中调至硬。

（2）抗侧倾：由装于转向轴的光电式转向传感器检测转向盘的操作状况。

在急转弯时，ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力转换到高（硬）值，以抵抗车身侧倾。

（3）抗“点头”：在车速高于60 km/h时紧急制动，ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力调到高（硬）值，而不管驾驶员选择了何种控制状态，以抵抗车身前部的下俯。

（4）高速感应：当车速大于110km/h时，系统将使弹簧刚度和减振器阻尼力调至中间
值，从而提高高速行驶时操纵稳定性。

既使驾驶员选择了“常规值自动控制”状态（刚度和阻尼处于低、软值），系统也将刚度和阻尼力调至中间值。

（5）前、后关联控制：车速在30-8O km/h范围内时，若前轮车高传感器检测出路面有小凸起（例如前轮通过混凝土路面接缝等），则在后轮越过该凸起之前，系统将使弹簧刚度和减振器阻尼力调至低（软）值，从而提高汽车乘坐舒适性。

此时既使驾驶员选择了高速行驶状态（刚度和阻尼力为中间值），系统仍将刚度和阻尼力调至低（软）值。

为了不影响高速时的操纵稳定性，这种动作在车速为80km/h以下才发生。

（6）坏路、俯仰、振动感应：车速在40-100km/h范围内，当前轮车高传感器检测出路面有较大凸起时（例如汽车通过损坏的铺砌路面等），系统将弹簧刚度和减振器阻尼力调至中间值，以抑制车体的前后颠簸、振动等大动作，从而提高汽车的乘坐舒适性和通过性.而不管驾驶员选择了何种控制状态。

车速高于100km/h时，系统将使刚度和阻尼力调至高（硬）值。

（7）良好路面正常行驶：弹簧刚度和减振器阻尼力由驾驶员选择，“常规值自动控制”状态，刚度和阻尼力处于低（软）值；“高速行驶时自动控制”状态，则刚度和阻尼力为中间值。

2.车身高度控制
由左右前轮和左后轮三个车身高度传感器发出车高信号，ECU发出指令来进行车身高度调整。

（l）高速感应：当车速高于9Okm/h时，将车身高度降低一级，以减小风阻，提高行驶稳定性。

如果驾驶员选择了“常规值自动控制”状态，则车身高度值由中间值（标准值）调至低值；如果驾驶员选择了“高值自动控制”状态，则车高由高值调至中间值（标准值）。

在车速为60km/h时，车高恢复原状。

（2）连续坏路面感应：汽车在坏路面上连续行驶，车高信号持续2.5s以上有较大变动，且超过规定值时，将车高升高一级，使来自路面的突然抬起感减弱，并提高汽车的通过性能。

连续坏路且车速大于4Okm/h小于90km/h时，不论驾驶员选择了何种控制状态，都将车高调至高值，以减小路面不平感，确保足够的离地间隙，提高乘坐舒适性。

车速小于4Okm/h时，车高则完全由驾驶员选择，选择“常规值自动控制”时，车高为中间值（标准值）；选择“高值自动控制”时，车高为高值。

在连续坏路面上，车速高于9Okm/h时，不管驾驶员选择了何种控制状态，车高都将调至中间值，这样做是为了避免车身过高对高速行驶稳定性产生不利影响。

另外，还具有驻车时车高控制功能。

当汽车处于驻车状态时，为了使车身外观平衡，保持良好的驻车姿势，在点火开关断开后，ECU即发出指令，使车身高度处于常规模式的低状态。

（二）主动式油气弹簧悬挂系统工作原理
油气弹簧以气体（一般是惰性气体--氮）作为弹性介质，而用油液作为传力介质。

它一般是由气体弹簧和相当于液力减振器的液压缸组成。

通过油液压缩气室中的空气实现刚度特性，而通过电磁阀控制油液管路中的小孔节流实现变阻尼特性。

图 6所示为雪铁龙XM 轿车的主动式油气弹簧悬挂布置图，从图中可以看到，它有五个基本行车状态的传感器。

其中，转向盘转角传感器安装于转向柱上，通过转向盘转角信号间接地把汽车转向程度（快慢、大小）的信息送给微机。

加速度传感器实际上是与油门踏板连接的油门动作传感器，间接地将加速动作信号送给微机。

制动压力传感器安装于制动管路中，当制动时，它向微机发送一个阶跃信号，表示制动，使微机产生抑制“点头”的信号输出。

车速传感器安装于车轮上，送出与转速成正比的脉冲，微机利用它和转向盘转角信号，可以计算出车身的侧倾程度。

车身位移传感器安装于车身与车桥之间，用来测量车身与车桥的相对高度，其变化频率和幅度可反映车身的平顺性信息，同时还用于车高自动调节。

该系统的工作原理如图 7所示。

在图 7中，电磁阀7在微机指令下向右移动，从而接通压力油道，使辅助液压阀8的阀芯向左移动，中间的油气室9与主油气室连通，使总的气室容积增加，气压减小，从而刚度变小，所以9又称为刚度调节器。

a、b节流孔是阻尼器，在上图图示位置，系统处于“软”状态。

下图中，电磁阀7中无电流通过，在弹簧作用下，阀芯左移，关闭压力油道，原来用于推动液压阀8的压力油通过阀7的左边油道泄放，阀8阀芯右移，关闭刚度调节器9，气室总容积减小，刚度增大，使系统处于“硬”状态。

在正常行车状态时，系统处于“软”状态，以提高乘坐的舒适性，当高速、转向、起步和制动时，系统处于“硬”状态，以提高车辆的操纵稳定性
（三）带路况预测传感器的主动悬挂系统
图 8所示为带有路面状况预测传感器的主动悬挂示意图。

该系统中包括一个悬挂弹簧16和一个单向液压执行器14，控制阀6通过油管8与单向液压执行器的油压腔相通。

油管上还接有一个支管8a，该支管与一个储压器11相连，储压器内充有气体，这些可压缩的气体可以产生一种类似弹簧的效果。

另外，支管的中间还设有一个主节流孔12，以限制储压器和油压腔之间的油流，从而形成减振作用。

在油管和储压器之间还设有一个旁通管路8b，该旁路上带有一个选择阀10和一个副节流孔9，副节流孔的直径大于主节流孔的直径。

当选择阀打开时，油流通过选择阀的副节流孔，在储压器和油压腔之间流动，从而减小振动阻尼。

采用这样的装置可以使悬挂系统在选择阀的作用下，具有两种不同的阻尼参数。

控制阀的开度可以随控制电流的大小而改变，以控制进入油管的油量，进而控制施加到液压执行器的油压，随着输入控制阀的电流的增加，液压执行器的承载能力也增加。

在该悬挂系统中，输入到控制单元ECU的信号有：各轮上设置的检测车身纵向加速度的传感器输出信号，路面状况预测传感器测出的车辆前方是否有凸起物及其大小的检测信号，在各车轮处检测车身高度的传感器输出信号及车速传感器输出的车速信号等。

控制单元根据这些信号，对设置在各车轮上的控制阀和选择阀进行控制。

图 9所示为路况预测传感器的设置情况。

这种传感器通常为超声波传感器，频率为40kHz 左右，它安装在车身的前面，以便对其下方的路面状况进行检测。

在车辆正常行驶时，选择阀关闭，液压执行器的油压腔通过主节流孔与储压器相通，它可以吸收并降低因路面不平而引起的微小振动。

当车辆上的路况预测传感器发现路面上有将引起振动的凸起物时，控制单元便控制选择阀打开，并将悬挂系统的阻尼系数减小到一个特定的值上。

图 10所示为路况预测传感器的输出信号，输出信号的幅值与路面凸起物的大小成正比。

如果完全按照传感器输出信号进行控制，悬挂系统的阻尼变化就会过于频繁，因此，在控制系统中设置了一个低阈值V1。

另外，如果在车辆通过一个很大的凸起物时，悬挂系统的阻尼系数若调整得过低，就可能会产生极大的冲击力，形成悬挂底部与车桥的刚性碰撞，因此，控制系统中还设定了一个高阈值V2。

只有在路况预测信号介于V1和V2之间时，控制单元才输出一个打开选择阀的控制信号。

控制单元在检测路况传感器输出信号的同时，也不断地检测车速。

根据车速可以估算出测得的凸起物和实际车轮通过凸起物之间的滞后时间。

选择阀应恰好在车轮通过凸起物时打开，这样，在车轮通过凸起物时，悬挂的阻尼系数只是作短暂变化，车轮过了凸起物后，选择阀便再次关闭。

具有路况预测传感器（声纳系统）的主动悬挂系统可以在汽车到达之前对路面情况进行预测处理，因而大大改善了悬挂的工作性能，装有这种系统的车辆在不平的路面上行驶时，甚至可以不扶转向盘。

图 11为日产公司具有声纳系统的悬挂构成图。