第六章 電子控制懸架系統(tǒng)

第六章電子控制懸架系統(tǒng)第一節(jié)概述一、 傳統(tǒng)汽車懸架系統(tǒng)的不足1、 懸架系統(tǒng)的作用是承受和傳遞車輪與車架之間所受的各種力和力矩，以及吸收和減緩汽車運行過程中所受的沖擊和振動，提高車輛的平順性和穩(wěn)定性。2、 懸架性能評價指標(biāo)懸架性能評價指標(biāo)是指行駛車輛的平順性和穩(wěn)定性。平順性和穩(wěn)定性的關(guān)系降低懸架彈簧的剛度，可使車身振動時的加速度減小，車輛的平順性得以改善，但這會導(dǎo)致車身位移增加，給操縱穩(wěn)定性帶來不良影響。增加懸架彈簧剛度，可提高車輛的操縱穩(wěn)定性，但剛度大的懸架對路面不平度很敏感，使平順性下降。汽車的平順性和穩(wěn)定性對懸架的剛度和阻尼的要求是互相排斥的。理想的懸架理想的懸架應(yīng)該是在不同的載質(zhì)量、不同行駛條件下，其彈簧的剛度和減振器阻尼會不同,以同時滿足車輛的平順性和穩(wěn)定性的要求。剛度和阻尼一定的懸架。傳統(tǒng)懸架的剛度和阻尼只能是根據(jù)一定的載荷、某種路面情況和車速，兼顧各方面的要求，優(yōu)化選定一種剛度和阻尼。被動懸架由于汽車在行駛過程中，載質(zhì)量、路面情況及車速是變化不定的，因此剛度和阻尼一定的被動懸架不可能在改善汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性方面再有大的作為，已不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車對乘座舒適性和操縱穩(wěn)定的更高要求。二、 電子控制懸架的作用與類型1、 電子控制懸架的作用電子控制懸架系統(tǒng)能自動控制汽車懸架的剛度、阻尼系數(shù)及車身高度。根據(jù)汽車載質(zhì)量、車速和路面情況的變化而改變懸架特性，因而可最大限度地提高汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性，適應(yīng)了現(xiàn)代汽車對乘座舒適性、行車安全性更高的要求。2、 電子控制懸架的類型半主動懸架就是指可以根據(jù)汽車運行時的振動及工況變化情況，對懸架阻尼和剛度進行自動調(diào)整的懸架系統(tǒng)。為了減少執(zhí)行元件所需的功率，一般都采用調(diào)節(jié)減振器的阻尼，使阻尼系數(shù)在幾毫秒內(nèi)由最小變至最大，使汽車振動頻率被控制在理想的范圍內(nèi)。(1)半主動懸架全主動懸架是指可根據(jù)汽車載質(zhì)量、路面狀況(振動情況)、行駛速度、起動、制動、轉(zhuǎn)向等工況的變化，自動調(diào)整懸架的剛度和阻尼以及車身高度的懸架系統(tǒng)。全主動懸架是一種有源控制懸架。第二節(jié)半主動懸架控制系統(tǒng)一、車速控制的可調(diào)阻尼懸架實時閉環(huán)控制的半主動懸架1、控制原理半主動懸架系統(tǒng)通常以車身振動加速度的均方根值作為控制目標(biāo)參數(shù)，以懸架減振器的阻尼為控制對象。(1)控制模型在ECU中，事先設(shè)定了一個以汽車行駛平順性最優(yōu)化控制為目標(biāo)的控制參數(shù)：O。汽車行駛時，安裝在車身上的加速度傳感器將車身振動信號輸入ECU，ECU計算當(dāng)前車身振動加速度的均方根值Oi，并與設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)進行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出控制信號。（2）控制過程如果，Oi=O，ECU不輸出調(diào)整懸架阻尼控制信號，減振器保持原阻尼。如果，Oi<O，ECU則輸出增大懸架阻尼信號。如果，Oi>O，ECU則輸出減小懸架阻尼信號。2、減振器結(jié)構(gòu)與工作原理（1）有級調(diào)整式半主動懸架系統(tǒng)1） 阻尼分級懸架的阻尼分為2?3級，根據(jù)載荷和工況的變化，由駕駛員選擇或根據(jù)各傳感器的信號ECU自動選擇。三級式半主動減振器在A、B、C三個不同截面上，設(shè)有三排阻尼孔的回轉(zhuǎn)閥，在A-A上有2個小孔，在B-B上有4個小孔，在C-C上有2個小孔，與阻尼調(diào)節(jié)桿相連，執(zhí)行器可使阻尼調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動來控制阻尼孔的開閉，以達(dá)到調(diào)節(jié)減振器阻尼大小的目的。2） 減振器阻尼的三種阻尼狀態(tài)減振器阻尼最大，處于“硬狀態(tài)”也就是汽車載荷大，或運行在不良路面以及制動等工況下選用的阻尼。減振器阻尼最小，處于“軟狀態(tài)”也就是汽車載荷較小和在好路面運行時所選用的阻尼。減振器阻尼較“硬狀態(tài)”與“軟狀態(tài)”中間值，稱之“運動狀態(tài)”調(diào)阻尼減振器由具有不同節(jié)流孔的轉(zhuǎn)閥得到舒適（軟）正常（中）運動（硬）三個等級的阻尼。3） 不同等級的阻尼的車速范圍起步、制動、急轉(zhuǎn)彎和高速（100公里/小時以上）選擇運動（硬）改善操縱穩(wěn)定性。低速（40公里/小時以下）選擇舒適（軟）得到好的平順性。中速（40-100公里/小時）選擇正常（中）兼顧平順性與操縱穩(wěn)定性。4） 執(zhí)行器執(zhí)行器裝在減振器的上部，可以根據(jù)需要帶動減振器中回轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動，改變減振器阻尼力的大小。執(zhí)行器采用了直流步進電動機和電磁制動開關(guān)。（2）無級調(diào)整式半主動懸架系統(tǒng)無級調(diào)整式半主動懸架系統(tǒng)能在幾毫秒內(nèi)使其阻尼力從最小到最大的無級連續(xù)調(diào)整。阻尼的改變是由步進電動機，帶動可變截面阻尼器實現(xiàn)的,驅(qū)動桿和空心活塞一同上下運動，減振器油液被壓，通過驅(qū)動桿和空心活塞的小孔，利用小孔節(jié)流作用形成阻尼。第二節(jié)半主動懸架控制系統(tǒng)二、可調(diào)剛度懸架具有副氣室的空氣彈簧,由剛度控制閥改變主、副氣室的通道面積，得到（軟）（中）、（硬）不同的剛度，其控制與由車速控制的有級可調(diào)阻尼半主動懸架有類似之處。彈簧剛度控制第三節(jié)磁流變半主動懸架控制系統(tǒng)一、概述1、液力減振器的弊端減振器的阻尼力越大，振動衰減得越快，但是并聯(lián)在減振器外部的螺旋彈簧不能充分發(fā)揮作用。液壓阻尼力隨溫度的變化而變化，長時間使用后，液壓油和細(xì)小孔壁之間的摩擦以及液體分子內(nèi)摩擦產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致油溫升高，粘度迅速降低，阻尼力也隨之減少，減振器的減振性能隨之惡化。第三節(jié)磁流變半主動懸架控制系統(tǒng)磁流變減振器應(yīng)用磁流變液效應(yīng)工作。傳感器檢測路面狀況和各種行駛工況傳給ECU,控制減振器瞬間做出反應(yīng)，抑制振動，保持車身穩(wěn)定，特別是在車速很高，突遇故障物時優(yōu)勢更明顯。磁流變減振器的反應(yīng)速度高達(dá)1000Hz，比傳統(tǒng)減振器快5倍，解決了傳統(tǒng)減振器存在的舒適性和穩(wěn)定性不能兼顧的問題。2、 磁流變減振器3、 磁流變液（2）磁流變液的構(gòu)成可磁極化的固體微粒在基液中組成的懸浮液。磁流變液主要由以下三部分組成1） 可在磁場中產(chǎn)生極化的彌散質(zhì)顆粒，如Fe304、Fe3N、Fe、Co、Ni等；2） 防止粒子結(jié)團和沉降的表面活性劑；3） 溫度效（2）奧迪的磁流變液是一種以碳?xì)浠衔餅榛w的合成油，其中含有很多直徑為3?10微米的磁懸浮微粒。磁場的變化會按照磁力線方向改變磁懸浮微粒的排列狀態(tài)。磁懸浮微粒磁力線（3） 磁流變液的流變特性磁流變液在零磁場的條件下，顆粒在基液中的分布是雜亂無章的。此時的磁流變液是可以自由流動的液體。零磁場情況下顆粒分布無磁場時有磁場時在外加磁場的作用下，液體中被磁化的彌散質(zhì)顆粒形成與外加磁場方向平行的鏈狀結(jié)構(gòu)，隨著外加磁場的增大，鏈狀結(jié)構(gòu)將進一步發(fā)生聚集，形成團簇狀結(jié)構(gòu)。鏈狀結(jié)構(gòu)限制了液體的運動，使磁流變液的表觀粘性系數(shù)增加。在強磁場作用下，磁流變液會變成類似“固體”的狀態(tài)，其流動性幾乎消失。當(dāng)磁流變液受到剪切時，外加磁場強度越大，磁流變液剪切應(yīng)力也就越大。磁流變液變?yōu)楣腆w有磁場條件下的顆粒分布（4） 磁流變效應(yīng)及其特性磁流變效應(yīng)是指磁流變液在磁場作用下，流體的表觀粘度發(fā)生了巨大的變化，甚至在磁場強度達(dá)到某一臨界值時，流體停止流動而達(dá)到固化，并具有一定的抗剪切能力，還表現(xiàn)出固體所特有的屈服現(xiàn)象。1） 在外加磁場作用下，磁流變液可在液態(tài)和固態(tài)之間轉(zhuǎn)換是可逆的。2） 在外加磁場作用下，磁流變液的屈服強度隨磁場強度的增大而增大，直至固體顆粒達(dá)到磁飽和后趨向于某一穩(wěn)定值。3） 在外加磁場作用下，磁流變液的粘度和屈服強度隨磁場強度的變化是連續(xù)的、無級的和可控的。4） 磁流變效應(yīng)的控制較簡單，可以利用磁感應(yīng)線圈通過調(diào)整電流大小來控制。6） 磁流變效應(yīng)對磁場作用的響應(yīng)十分靈敏，一般其響應(yīng)時間為毫秒級。7） 控制磁流變效應(yīng)的能量低。4、磁流變減振器的工作模式三種模式：流動模式、剪切模式擠壓模式。上、下兩固定板為磁極，磁流變液被限制在靜止的磁極之間，在壓力差作用下產(chǎn)生流動，流動阻力通過磁場強度來控制。下板為固定磁極，上板為可動的磁極。上板在力F作用下相對下板橫向運動，并帶動靜止的磁流變液一起運動。當(dāng)磁場強度增強時，磁流變液很快從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變。磁流變液對上板的作用力也隨之增大，只有加大作用力F才能使兩板作相對運動，這時就轉(zhuǎn)變到通過控制磁場強度來控制作用力F的大小。在上下兩板之間充滿磁流變液，上板為活動板，下板為固定板。外加磁場通過兩極板垂直作用在磁流變體上，當(dāng)上極板沿磁場方向向下移動時，磁流變體向四周流動，控制外加磁場即可控制極板所受的阻尼力。二、 磁流變減振器2、工作原理一般的磁流變減振器工作于剪切模式。電磁線圈通電微粒會按照磁場的磁力線方向排列。特別是活塞孔內(nèi)聚集了一長串微粒。這就提高了液體與孔壁的摩擦力，因而也就提高了流變壓力和阻尼力。減振器內(nèi)的磁懸浮微粒呈雜亂無序狀態(tài)，彼此之間沒有力的作用。在活塞運動時，這些微粒與液體一同從活塞孔被壓出。這時的阻尼力相對較低，該力取決于減振器內(nèi)液體的粘度。電磁線圈未通電三、 磁流變半主動懸架結(jié)構(gòu)2、奧迪磁流變半主動懸架ECU安裝在副駕駛座椅下，接受車身高度傳感器信號及ESP當(dāng)前行駛狀態(tài)信息，并對這些數(shù)據(jù)進行處理，然后計算出當(dāng)前減振器控制電流。對每個減振器的控制并不相同。汽車靜止時，不對減振器進行控制。四、 磁流變半主動懸架控制原理1、 工作原理磁流變半主動懸架采用磁流變減振器作為改變阻尼大小的執(zhí)行器，控制系統(tǒng)根據(jù)路面激勵和懸架響應(yīng)來調(diào)節(jié)輸入給磁流變減振器的電流，從而改變減振器勵磁線圈產(chǎn)生的磁場強度，使阻尼通道中磁流變液的粘度隨之變化，達(dá)到調(diào)整減振器阻尼力的目的。阻尼力與電流的關(guān)系2、 控制模式奧迪磁流變半主動懸架的減振模式有兩種：運動模式和舒適模式。不同模式的調(diào)節(jié)通過按鍵實現(xiàn)。汽車正常行駛時為舒適型模式。按鍵選擇運動型模式。3、 系統(tǒng)性能奧迪磁流變減振器特性曲線與傳統(tǒng)減振器特性的對比每個減振器的伸長和壓縮都是單獨調(diào)節(jié)的。在不到1毫秒內(nèi)ECU就可計算出控制減振器所需的電流大小。\1)如果某個減振器的控制功能出現(xiàn)故障，那么只將這個減振器關(guān)閉，報警燈就接通并存儲該故障。2)如果多個減振器的控制功能出現(xiàn)故障，那么所有減振器都被關(guān)閉，報警燈就接通并存儲該故障。如果識別出ECU出現(xiàn)故障，那么就用恒定電流來控制減振器，報警燈就接通并存儲該故障。如果傳感器信號以及CAN總線信息不可靠，那么會根據(jù)故障的具體情況起動各種應(yīng)急程序，盡可能對減振器進行調(diào)節(jié)。這時報警燈就會接通并存儲這些故障。4、 系統(tǒng)特殊功能溫度調(diào)整隨著磁流變液溫度的升高，減振器會變軟。ECU中裝有修正溫度的控制軟件模塊。當(dāng)磁流變液溫度升高時，通過提高電磁線圈的控制電流，維持減振器的阻尼。同樣，環(huán)境溫度較低時，控制電流會被降低。通過測量電磁線圈的電阻值間接計算磁流變液溫度。汽車停止6小時后測得的電阻值為基準(zhǔn)值，汽車行駛中測量的電阻值與基準(zhǔn)值進行比較。根據(jù)電阻值的變化，ECU推斷減振器內(nèi)當(dāng)時的溫度，同時還要計算ECU的溫度。通過該計算分析ECU就可控制通過線圈電流的大小。磁流變液溫度計算為平衡減振器中溫度變化的影響，必須提高電磁線圈的控制電流。電流強度的提高會使電磁線圈繼續(xù)變熱。在達(dá)到規(guī)定的極限溫度90°C時，駕駛員不能再切換進入運動型駕駛模式。高溫切斷提高電磁線圈的控制電流運動型駕駛時，阻尼力變大，可以增大通過電磁線圈的電流實現(xiàn)。起用運動駕駛模式會導(dǎo)致減振器中高溫繼續(xù)升高。ECU溫度超過110C時，這種調(diào)節(jié)會被中斷。運動型駕駛模式當(dāng)多個電磁線圈控制失靈時，所有電磁線圈的控制會被切斷。減振器被調(diào)整到最舒適的狀態(tài)。電磁線圈控制失靈處理5、 優(yōu)點第四節(jié)主動懸架控制系統(tǒng)一、基本要求及優(yōu)點1、基本要求主動懸架除了具有吸收、緩和懸架的振動沖擊外，還能根據(jù)汽車載質(zhì)量、路面情況、行駛車速、起步、制動、轉(zhuǎn)向等不同工況的變化，自動地調(diào)整懸架的剛度、阻尼以及車身高度等，使汽車在瞬息變化的運行條件下都能獲得最舒適的平順性和最佳的操縱穩(wěn)定性。主動懸架配有一套供能裝置。2、主動懸架系統(tǒng)優(yōu)點汽車載荷變化時，主動懸架系統(tǒng)能自動維持車身高度使其變化較小，保證汽車即使在凹凸不平路面上行駛時也能車身平穩(wěn)。由于剛度可自動調(diào)整，能有效的防止和減緩汽車轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)的車身側(cè)傾，起步、加速時引起車身的縱向擺動等。由于很好地控制和調(diào)整懸架的剛度和阻尼，消除了惡性振動沖擊，提高了汽車運行壽命。一般的懸架系統(tǒng)，在汽車制動時，尤其是緊急制動時，車頭向下俯沖，使后軸載荷劇減，造成后輪與地面的附著條件嚴(yán)重惡化，制動失靈。主動懸架系統(tǒng)能防止這一不良后果，保證應(yīng)有的附著條件和制動距離。主動懸架可使車輪與地面一直保持良好接觸，因而使附著力穩(wěn)定，提高了牽引力、制動力、抗側(cè)滑力，可提高動力性、安全性和經(jīng)濟性。第四節(jié)主動懸架控制系統(tǒng)不同類型、不同車型上使用的主動懸架其電子控制系統(tǒng)的組成部件會有些差別。1、基本組成(1)傳感器傳感器名稱用途車身加速度傳感器檢測車身的振動，間接反應(yīng)汽車行駛的路面情況。車身位移傳感器檢測車身相對車橋的位移，反應(yīng)車身的平順性和車身的高度。車速傳感器通過檢測車輪的轉(zhuǎn)速獲得車速信息，用于計算機車身可能的側(cè)傾程度。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角，用于計算機車身可能的側(cè)傾程度。制動燈開關(guān)提供汽車制動信號。制動壓力開關(guān)檢測制動管路的壓力，提供汽車制動信號。節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門開度，提供汽車加速信號。加速踏板傳感扌錶測加速踏位置，提供汽車加速信號。器懸架控制模式選擇開關(guān)用于手動選擇懸架“軟”、“硬”控制模式。二、基本組成與控制原理一般由微機、傳感器電源、執(zhí)行器驅(qū)動電路及監(jiān)控電路等組成。（2）懸架ECU2、 主動式懸架系統(tǒng)的控制原理懸架ECU根據(jù)各傳感器輸入的信號，經(jīng)過運算分析后輸出控制信號，控制各執(zhí)行器動作，自動改變彈簧剛度、減振器阻尼特性參數(shù)、車身的高度和姿態(tài)。以確保汽車行駛過程中的操縱穩(wěn)定性和平順性。懸架ECU按照駕駛員通過模式選擇開關(guān)選定的“軟”模式或“硬”模式進行控制。有些懸架電子控制系統(tǒng)則是由ECU根據(jù)有關(guān)傳感器的信號自動選定一種模式進行控制。3、 主動式懸架系統(tǒng)的控制功能（1） 車速路面感應(yīng)控制這種控制主要是隨著車速和路面的變化，改變懸架的剛度和阻尼，使之處于“軟”或“硬”狀態(tài)。在“軟”、“硬”狀態(tài)中，按剛度和阻尼的大小，又各分為低、中、高三個程度不同的層次。在“軟”狀態(tài)時，懸架經(jīng)常處于低剛度、低阻尼層次，在“硬”狀態(tài)時，懸架經(jīng)常保持在中間層次。根據(jù)汽車不同運行工況，有六種不同的剛度、阻尼層次供優(yōu)選，使汽車平順性、穩(wěn)定性達(dá)到最佳值。（2） 車身姿勢控制1） 轉(zhuǎn)向車身側(cè)傾控制當(dāng)車速和轉(zhuǎn)向急劇變化時，會引起車身姿勢變化，這不但使乘坐不舒適，嚴(yán)重時會因轉(zhuǎn)向使車身側(cè)傾失去穩(wěn)定性。在汽車急轉(zhuǎn)彎或轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速過快時，轉(zhuǎn)向盤傳感器便把轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速信息輸入懸架ECU，懸架ECU計算分析后發(fā)出調(diào)整懸架剛度和阻尼的指令，根據(jù)轉(zhuǎn)角和車速的大小確定不同的調(diào)整幅度。最大時，不管原來處于“軟”“硬”狀態(tài)的哪個層次，都一律調(diào)整到那個狀態(tài)的高層次的剛度和阻尼。2） 制動車身“點頭”控制在緊急制動時。會引起載荷的轉(zhuǎn)移，尤其是前軸載荷突然增加，使車身產(chǎn)生“點頭”，因此為控制制動時車身“點頭”，必須適時增加前懸架剛度和阻尼。當(dāng)車速高于60km/h運行緊急制動時，車速傳感器的信號和制動開關(guān)發(fā)出階躍信號同時輸入懸架ECU，懸架ECU計算分析后發(fā)出調(diào)整懸架剛度和阻尼指令，不論原來處于“硬”、“軟”狀態(tài)哪個層次，一律調(diào)整到原有狀態(tài)的高層次的阻尼和剛度值。3） 起步車身后仰控制當(dāng)汽車起步過快或在車速較低加速過猛時，會引起后橋載荷增加，使車身產(chǎn)生后仰現(xiàn)象，此時應(yīng)增加后懸架的剛度和阻尼，以控制后仰程度保持平順和舒適。當(dāng)汽車起步速度過大，或車速在小于20km/h時，猛踩油門加速時，節(jié)氣門開度傳感器和車速傳感器的信號輸入懸架ECU,懸架ECU分析計算發(fā)出調(diào)整懸架剛度和阻尼的指令。如果此時懸架處于“軟”狀態(tài)，則應(yīng)從中層次或低層次直接進入高層次，如果此時懸架處于“硬”狀態(tài)，則也從中層次進入高層次。（3）車身高度控制車身高度控制分“常規(guī)狀態(tài)”、“高狀態(tài)”兩種模式。每種狀態(tài)又從低到高分為“低”、“中”、“高”三個層次。通常在“常規(guī)狀態(tài)”模式中，車身高度處于中層次，在“高狀態(tài)”模式中車身高度處于高層次，當(dāng)工況變化時，懸架ECU根據(jù)傳感器輸入的信號，發(fā)出指令選擇層次。當(dāng)汽車上乘員人數(shù)和載荷變化時，懸架ECU能根據(jù)傳感器輸入的信號發(fā)出指令，在已選擇的狀態(tài)內(nèi)自動選擇合理的車身高度層次。車身高度控制模式載貨變化車身高度控制三、結(jié)構(gòu)與工作原理1、主動式空氣懸架系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、干燥器、空氣電磁閥、車身高度傳感器、帶有減振器的空氣彈簧、懸架控制執(zhí)行器、懸架控制選擇開關(guān)、懸架ECU等組成。（1） 組成（2） 帶有減振器的空氣彈簧1） 組成與安裝上部為空氣彈簧，下部為減振器，上端與車身相連，下端與車輪相連。空氣彈簧的主、輔氣室設(shè)計為一體，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕。2） 結(jié)構(gòu)汽車運行時車輪與車身相對運動，使主氣室的容積不斷變化，主、輔氣室之間通過一個通路使氣體相互流動。改變這一通路的流通截面大