汽车电子控制悬架系统培训

电子控制悬架系统

知识目标：

   1、了解悬架的发展概况及发展过程；

   2、熟练掌握电子控制主动悬架系统的结构及工作原理；

   3、掌握电子控制半主动悬架系统的结构及工作原理 。

   技能目标：

   1、能正确使用各种检测仪器及设备；

   2、熟练掌握电子控制悬架系统的检修方法与步骤；

   3、掌握电控悬架系统的应用状况。

目前在汽车的悬架系统方面，已出现了以微型计算机控制的车辆高度自动调节和减振器阻尼力自动调节装置，即电子控制的主动悬架系统。

该系统利用各种传感器将车速、车辆振动的加速度和方向、车身距路面的高度、转向轮角速度等参数转变为电信号，输送给车载计算机，计算机根据这些参数综合处理后输出控制信号，调节悬架的刚度和阻尼系数，使得汽车车身的高度以及悬架的刚度和阻尼系数随车速和路面的状况而改变，从而提高车辆的操纵性、稳定性、舒适性和安全性，使汽车在任何路面上行驶都能保持最小的车身姿态变化。

本项目重点介绍电子控制悬架系统的工作原理、基本结构组成及典型电子控制悬架系统故障诊断方法与步骤。

活动一    概述

电子控制悬架系统，是相对于传统的悬架系统而言的。

它是以电子控制模块为控制核心，对汽车悬架参数，如弹簧刚度、减振器阻尼系数、倾斜刚度和车身高度等进行实时控制的悬架系统。

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。

电控半主动式、电控主动式悬架由于舒适性好，应用日渐广泛。

电控主动式悬架能够对减振器的阻尼力、弹性元件刚度、车身高度和姿势进行动态调节，极大地改善了车辆的乘坐舒适性。

一、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，因此汽车悬架具有以下作用：

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。

二、汽车悬架的发展过程      

(一) 20世纪40、50年代

20世纪40年代末，汽车悬架由工字形系统改变为长短臂系统，从而掀起了悬架系统发展的开端。

 (二)20世纪70、80年代

20世纪70、80年代，在前轮驱动的轿车上，麦弗逊撑杆式悬架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，决定了汽车的行驶操纵稳定性和乘坐的舒适性。

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

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。

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。

 (三) 20世纪90年代后

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～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的稳定性。

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，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。

三、汽车悬架的分类

汽车悬架按导向机构的形式分类，可分为独立悬架和非独立悬架两大类。

按控制力的角度分，又可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种。

而主动悬架和半主动悬架按其控制方式又可分为机械控制悬架和电子控制悬架系统 。

 (一)被动悬架

由钢板弹簧或螺旋弹簧、减振器组成的机械式悬架系统，由于没有能源供给装置，悬架的弹性和阻尼参数不会随外部状态而变化，所以称这种悬架为被动悬架。

这种悬架在设计中尽管采用参数优化设计，以满足使用要求，但由于悬架参数不可调节，在使用中很难满足使用要求。如图1所示。

图1  被动悬架

 (二)半主动悬架

主动悬架可看作为由可变特性弹簧和减振器组成的悬架系统，它不能随外界的输入进行控制调节，但它可按电脑内存储的弹簧和减振器的优化参数指令调节刚度和阻尼状态。

半主动悬架是无源主动悬架，因为它没有动力源为悬架输入能量，所以在这种悬架中改变弹簧刚度比改变阻尼状态困难，所以这种悬架以改变其阻尼系统最常见，它的优点是不消耗动力。

 (三)主动悬架

主动悬架由产生力和扭矩的主动件，如油缸、汽缸、伺服电机、电磁铁等；测量元件，如加速度、位移和力传感器等，以及反馈控制装置组成。

主动悬架的特点是它具有做功能力，它有动力源，如液压泵或空气压缩机，为系统提供连续的动力输入。

当汽车的载荷、速度、道路状况等行驶条件变化时，主动悬架系统能自动调整悬架刚度，刚度的调整包括整体调整和各轮单独调整，以满足汽车行驶平顺性、操纵稳定性等方面的要求。

如图2所示，为主动悬架系统结构图。

主动悬架系统主要缺陷是成本高，液压或气动装置噪声大，功率消耗较大。

图2  主动悬架

 (四)电子控制悬架

主动悬架和半主动悬架可分为机械控制系统和电子控制悬架系统两类。

电子控制悬架在汽车行驶过程中，它的刚度和阻尼随时调节，使其达到最佳的行驶平顺性和操纵稳定性。

电子控系统的控制装置主要由ECU、信号输入装置和输出装置组成。

信号输入装置主要由；车速传感器、高度传感器、转角传感器、节气门位置传感器等，信号输出装置即执行器主要是进气阀、排气阀、高度控制排气阀等组成。

活动二    电控悬架系统的组成及原理

汽车上装用的普通悬架系统的减振器是伸张型减振器，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。

一、电控悬架系统的基本组成及原理

电控悬架主要由传感器(转向传感器、车身高度传感器、车速传感器、节气门位置传感器、重力加速度传感器)、电控悬架ECU和执行器(压缩机控制继电器、空气压缩机排气阀、空气弹簧进/排气电磁控制阀、模式控制继电器)等组成，如图3所示。

图3  电控悬架的基本组成

电控悬架系统有转向传感器、车身高度传感器、车速传感器、节气门位置传感器、重力加速度传感器以及车门开关、制动开关、模式选择开关、停车灯开关等接收信号，这些信号经过电控单元ECU的运算处理，进行车身高度、弹簧刚度和阻尼系数的控制，保持车辆平顺性和操纵稳定性。

空气压缩机产生的压缩空气送入空气弹簧的空气室中，ECU根据汽车高度信号，控制压缩机和排气阀充气或排气，使空气弹簧伸长或压缩而控制车辆高度。

同时，ECU根据车速、转向、加速、制动、车高等信号，通过控制阀改变空气弹簧主、副气室间的流通面积，进行弹簧刚度的调节；并通过控制减振器中的旋转阀，通、断油孔改变节流孔的数量，使阀体中减振液的流通快慢发生变化，从而改变减振器的阻尼系数。

二、传感器

 (一)转向传感器

转向传感器装在转向柱上，用来检测转向时的转向角度和汽车转弯的方向，并将这些信息提供给ECU，以在转弯时提高汽车操纵稳定性，防止出现侧倾。

转向传感器由一个带孔圆盘和两个光电传感器组成，其外形结构和内部电路工作原理如图4所示。

图4  转向传感器

开有20个孔的圆盘随方向盘一起转动，圆盘的两侧为由发光二极管和光敏晶体管组成的光电传感器，它们两者之间的光线变化随着圆盘遮挡或通过转换成“通”或“断”信号。

当操纵方向盘时，有槽圆盘随着一起转动而引起发光二极管发出的光线“通”或“断”信号，这种信号是与方向盘转动成正比的数字信号。

通过判断两个光电传感器信号的相位差可以判断转弯方向。

此时，当ECU判断方向盘的转动角度和车速大于设定值时，ECU会使弹簧刚度和减振力增加。

ECU根据两信号发生器输出端通、断变换的速率，即可检测出转向轴的转动速率；通过计数器统计通、断变换的次数，即可检测出转向轴的转角。

此外，设计时将两个信号发生器通、断变换的相位错开9°(见图9-4)汽车直线行驶时，信号S1处于通断的中间位置(高电平，断状态)。

转向时，根据信号S1和下降沿处信号S2的状态，即可判断出转动的方向。

在图9-4中，信号S1由断状态变为通状态(低电平)时，如果信号S2为通状态，则为左转向；如果信号S2为断状态，则为右转向。

 (二)车身高度传感器

在每个悬架上都装有一只车身高度传感器。

前轮车身高度传感器安装在下摆臂与车架横梁之间，如图5所示。

图5  前轮车身高度传感器

后轮车身高度传感器安装在悬架摆臂和车架之间，如图6所示。

通过它们监测车身与悬架下臂之间的距离变化，检测汽车高度和因道路不平坦而引起的悬架位移量。

图6  后轮车身高度传感器

车身高度传感器有：磁性滑阀式、霍尔式和光电式三种形式。

1、磁性滑阀式车身高度传感器   如图7所示，其上端有一个磁性滑阀，当汽车高度发生变化时，滑阀在传感器下壳内上下运动。

传感器下壳内有两个电控开关(超高开关、欠高开关)，通过线束与控制模块连接。

图7  磁性滑阀式车身高度传感器

2、霍尔式车身高度传感器

如图8所示，主要包括一个永磁转子和一个霍尔元件，为电控可旋转式高度传感器，主要利用永磁转子的转动和霍尔元件的霍尔效应产生车高电压信号。

悬架的运动使永磁转子旋转，使霍尔元件上的电压信号变化，电压信号与标准车高、超高和欠高成比例。

图8  霍尔式车身高度传感器

3、光电式车身高度传感器

如图9所示，主要由轴(靠连杆带动旋转)、遮光盘(装在轴上，上面刻有窄缝，可将转角数码化)和四组光电耦合元件组成。

图9  光电式车身高度传感器结构

车身高度传感器内部电路和信号，如图10所示。

车身高度传感器装于车身上，并通过传动轴、连杆与悬架臂相连接，而连杆随着汽车高度的变化而上、下摆动。

不同车高时，由于开口圆盘位置的变化，而使光电传感器发出的光线通或断，检测车高信息。

图10  车身高度传感器内部电路和信号

 (三)车速传感器

车速传感器与发动机电控系统共享，一般安装在变速器输出轴上，或车速表软轴的输出端内，检测出转速信号，ECU接收该信号与方向盘转动角度信号，计算出车身的侧倾程度，如图11所示。

图11  车速传感器 

(四)节气门位置传感器

节气门位置传感器可以间接检测汽车加速度信号。

ECU利用此信号作为防下坐控制的一个工作状态参数。

 (五)重力加速度传感器

重力加速度传感器安装在汽车的四角。

后重力加速度传感器安装在车架后部，靠近后悬架支架处；前重力加速度传感器安装在减振器支架上，它将车身垂直方向的加速度信息变成相应的电压信号传给控制单元。

 (六)停车灯开关

停车灯开关是当踩下制动踏板时，停车灯开关便接通，ECU接收这个信号作为防点头控制用的一个起始状态。

 (七)车门开关

车门开关是为了防止行驶过程中车门未关闭而设置的。

  (八)制动开关

制动开关为安装在制动阀总成上的常开式开关。

当制动压力达到2758kPa时，制动传感器开关闭合。

制动传感器如图12所示。

图12   制动传感器

 (九)模式选择开关

模式选择开关用来选择悬架的“软”、“中”或“硬”状态，ECU检测到该开关的状态后，操纵悬架控制执行器，从而改变减振器的弹簧刚度和阻尼系数

三、执行机构

执行机构主要包括空气弹簧组件(空气弹簧、空气弹簧阀、空气压缩机、压缩机继电器)和可调阻尼减振器执行装置。

ECU对汽车行驶的状态进行车高、弹簧刚度和阻尼系数的调节，使车辆的性能得到提高。

  (一)空气弹簧

电控悬架用空气弹簧代替传统悬架的螺旋弹簧或钢板弹簧，在其气室内充入空气而具有弹性功能。

空气弹簧安装在前后悬架的减振器上，在下摆臂和车架横梁之间。

其不同之处为：前悬架弹簧下端用卡子连在下摆臂上；后悬架弹簧下端用螺栓固定在下摆臂上。

每个空气弹簧都有一个进、排气电磁阀。

由于轿车前悬架空气弹簧比后悬架空气弹簧承受更多的质量，所以前悬架空气弹簧较大。

空气弹簧约比传统螺旋弹簧软1/3，汽车乘坐舒适性好。

空气弹簧由主气室、副气室、弹簧刚度执行机构、阻尼转换执行机构和液压减振器等组成，如图13所示。

弹簧刚度执行机构在主气室与副气室之间，在减振器的上部安有阻尼转换执行机构，减振器的内部有阻尼旋转阀。

因此，弹簧刚度是通过主气室与副气室进行调节，阻尼系数是通过减振器进行调节。

图13  空气弹簧的结构

 图14  空气弹簧的特性

空气弹簧具有一个保持正常气压的加强橡胶袋。

气袋底部连接到一个反向的活塞状的座上，颠簸期间用来减少气袋内部容积。

当被压缩时，能够增加弹簧内的空气压力，使其刚性逐渐变大，如图9-14所示。

这种非线性弹簧变化率有助于吸收冲击，对车身在悬架上下垂直颠簸起保护作用。

弹簧刚度越小，即弹簧越柔软，振动就越小，乘坐舒适性、平顺性就越好；弹簧刚度越大，即弹簧越坚硬，操纵稳定性就越好。

空气弹簧刚度系数的调整，如图15所示。

图15  空气弹簧刚度系数的调整

弹簧刚度调节机构如图16所示。

弹簧刚度的调节，通过弹簧刚度执行机构开闭主气室与副气室之间的隔板进行，改变气室的容积而改变弹簧的刚度，增大容积使刚度变小，减小容积可增加刚度。

图16  空气弹簧刚度控制阀

ECU根据车辆状态信号及时调节弹簧刚度：高速行驶时转换为大刚度；低速行驶时转换为小刚度；在制动时，使前弹簧刚度增加；在加速时，使后弹簧刚度增加；而在转弯时，调节左、右弹簧刚度以减少侧倾。

有的空气弹簧通过控制阀改变主、副气室之间的流通面积来调节空气弹簧刚度，可实现弹簧刚度的“软/中/硬”三级转换控制。

在城镇公路或高速公路行驶，弹簧刚度调节为“软”；在高速行驶(速度大于110km/h时)或在弯曲道路上行驶时，弹簧刚度调节为“中”；而在加速、转弯等情况时，弹簧刚度调节为“硬”，以减小汽车高度的变化提高操纵稳定性。

一般减小空气弹簧刚度会使汽车增大侧倾、下坐或点头。

因此，弹簧刚度的控制多数情况下是和汽车高度和阻尼系数的调节相结合使用，以便于从总体上改善平顺性。

空气弹簧刚度控制阀的执行机构如图17所示，安装在减振器的顶部，与减振器阻尼控制执行机构设计在一起。

电机接收ECU的控制信号，通过齿轮传动带动刚度控制杆转动，调节刚度控制阀处于不同的位置，从而改变主、副气室之间的流通面积。

该阀开度最大时，弹簧刚度为软，全关闭时弹簧刚度为硬，开口较小时弹簧刚度为中。

图17  空气弹簧刚度控制执行机构

由于空气黏性阻力的作用，空气弹簧的刚度频率特性如图18所示。

中等刚度条件下，悬架振动处于低频率区时，刚度接近于软的设置；而悬架振动在高频率区时，刚度接近于硬的设置。

为了在较低的频率时获得中等的弹簧刚度，较小的流通面积的直径一般为2mm。

图18  空气弹簧刚度频率特性

对于装有空气弹簧的汽车，其高度可以根据乘员人数、载质量变化和汽车的状态自动调节。

当乘员人数和载质量增加或减少时，汽车高度自动保持一定，使汽车行驶平稳；当在高低不平的路面上行驶时，为防止发生车架与车身之间的撞击，ECU控制悬架弹簧的行程在一定的范围内；当高速行驶时，为减少空气阻力而降低车高；而当汽车停车后，

乘员下车或货物卸完后车高会增加，ECU会控制空气弹簧在几秒钟后将空气少量排出，为保持汽车外形的美观而降低车高保持标准车高。

因此，车高控制包括自动高度控制、高速行驶时的车高控制和驻车时的车高控制三种功能。

车高控制执行机构有空气弹簧阀、空气压缩机和主气室。

车高控制主要是利用空气弹簧中主气室空气量的多少来进行调节。

当ECU接收到车高传感器、车速传感器、车门开关等传来的信号，经过处理判断，若是增加车高，则控制执行机构向空气弹簧主气室充气增加空气量，使汽车高度增加；若是降低车高，则控制执行机构打开排气装置向外排气，使空气弹簧主气室的空气量减少而降低汽车高度，如图19所示。

图19  车身高度控制

空气弹簧阀(图20)安装在空气弹簧顶部，是两位两通电磁滑阀，通常关闭。

线圈通电时，阀芯移动将空气弹簧的通道打开，空气弹簧进气或排气。

图20  空气弹簧阀

空气压缩机如图21所示，为单活塞的曲轴和连杆机构，采用直流电动机作为动力源驱动压缩机工作，通过活塞在汽缸内上下运动实现高压空气源的形成。

汽缸顶端装有进、排气阀。

图21 空气压缩机

排气阀(如图22)通常关闭，用来给系统排气。

当需要给空气弹簧排气时，空气弹簧阀和排气阀必须同时通电，且压缩机关闭。

压缩机继电器如图23所示，控制压缩机电动机工作电源的通断，它采用12V电源。

        图22  排气阀            图23  压缩机继电器

 (二)减振器

电控悬架中的减振器阻尼控制有主动阻尼控制和半主动阻尼控制两种形式。

主动阻尼控制为连续变化的阻尼控制。

要实现连续阻尼控制，减振器中需要有一个可以在最大和最小节流孔流通面积之间连续变化的阻尼控制阀。

半主动阻尼控制为“开/关”型阻尼控制，在减振器结构中采用较为简单的控制阀，仅需在“最大、中等、或最小”的流通面积之间进行有级调节，控制阀的结构和控制方法大为简化，同时也降低了控制系统的复杂性。

通常，根据不同的路面条件和不同的行驶要求，有“软、硬”两种阻尼工况或“软、中、硬”三种，是主动减振器和普通减振器之间的折中。

目前，电控悬架多用的是后者。

这种减振器的结构原理如图24所示。

图的左边是减振器的结构，在空气悬架的下边，与控制杆连接的回转阀上有3个阻尼孔，回转阀外面的活塞杆上有两个阻尼孔，控制机构可以带动控制杆使回转阀旋转，从而改变阻尼孔的开闭组合，实现阻尼系数“软中硬”的有级转换。

图24  可变阻尼减振器结构

通过驱动设置在减振器顶部的电机，来控制旋转阀1或2到不同位置，以得到不同的阻尼。

当需要将阻尼系数调节为“软”状态时，控制杆带动回转阀旋转一角度处于图中位置所示，此时A—A、B—B、C—C 3个截面的阻尼孔全部开通，悬架的阻尼系数最小；若需要将阻尼系数调节为“中”状态时，同样控制杆带动回转阀又旋转一角度处于图中位置所示，此时只有B—B截面中的小阻尼孔开通，而A—A、C—C两个截面中阻尼孔被关闭，悬架阻尼系数处于中间；若需要将阻尼系数调节为“硬”状态时，同样控制杆带动回转阀又旋转一角度处于图中位置所示，此时A—A、B—B、C—C 3个截面的阻尼孔全部关闭，仅靠减振器中的单向阀产生阻尼，悬架阻尼系数为最大。

因此，电控悬架ECU根据转向操作、节气门位置、速度、加速度等信号调节悬架阻尼系数的“软中硬”，控制汽车制动、加速、急转弯时产生的汽车姿态变化，从而提高汽车的平顺性和操纵稳定性。

阻尼转换执行机构安装在减振器的上部，它由直流电机、扇形齿轮、控制杆、电磁铁和限制器等组成，如图25所示。

电控悬架ECU根据接收到的信号，使直流电机驱动扇形的减速齿轮左右转动，通过控制杆带动减振器中的回转阀旋转，有级地改变阻尼孔的开闭，从而改变阻尼系数即减振阻力。

扇形齿轮的转动方向依赖于电流的方向。

若同时给电机和电磁阀供电，则使扇形齿轮停在中间位置。

图25  减震器的阻尼转换控制机构

四、控制单元    

电子控制单元（悬架ECU）接受各种传感器的输入信号并进行各种运算，然后给执行机构输出控制悬架的刚度、阻尼力和车身高度的信号。

同时，电子控制单元还监测各传感器的信号是否正常，若发现故障，则存储故障码和相关参数，并点亮故障指示灯。

五、电控悬架的控制方法

目前，电控悬架的控制方法很多，主要有多工况综合控制、最优控制、预测控制、自适应控制、鲁棒控制、变结构控制、模糊控制等几种方法。

  (一)多工况综合控制

多工况综合控制方法，应用经典反馈控制理论，主要是使汽车的行驶性能在加速工况、制动工况、转向工况以及换挡等工况下其行驶性能得到优化。

多工况综合控制方法因其易于实现而具有实际应用的意义。

 (二)最优控制

最优控制方法，应用现代反馈控制理论建立系统的状态方程，同时提出控制目标以及加权系数，进而找到最优控制方案。

包括全状态反馈最优控制及部分状态反馈最优控制。

其中，全状态反馈最优控制方法，由于所需要的车身绝对位移等控制变量难以获得，因而应用起来比较困难。而部分状态反馈最优控制方法根据那些易于测量的部分状态信号估计出所需的全部状态，因此比较实用。

 (三)预测控制

预测控制方法，通过对车辆前方道路状况的提前检测，使系统可以提前进行操作。

避免了由于控制元件以及执行元件的响应滞后而带来的不良后果，提高了车辆系统的性能。

预测控制方法不仅可以减少对能量的需求，而且也能改善行驶性能。

但这种理论是基于对未来信息进行预测的基础上的，故所需要相关元器件较多，造价较高。

 (四)自适应控制

悬架的自适应性表现在两个方面：首先，悬架能够针对不同的路面输入自动地在乘坐舒适性与操纵稳定性之间进行取舍，在好路面下强调操纵稳定性，而在坏路面下则强调乘坐舒适性；其次，悬架能够针对不同的车辆参数做出反应，并自动进行调整，使控制器在新的参数配置下仍然能够达到性能的最优。

  (五)鲁棒控制

在悬架中，应用鲁棒控制是为使其在任何工况下都能够性能稳定。悬架系统本质上属于一个非线性系统，而在控制器的设计中，往往将其简化为一个线性系统。

汽车实际运行在一个多变且相对恶劣的环境中，由于噪声干扰、系统建模误差、车辆参数多变等原因，原本在理论仿真和正常条件下控制性能良好的控制器就很可能出现失稳的情况。

鲁棒控制很好地解决了这个问题。

但因为它主要考虑的是控制器的稳定性，是在稳定性的前提下寻找满意解。

也就是说，以性能换稳定，这种设计思想偏重于保守。

 (六)变结构控制

变结构控制，是一种控制系统的综合方法，是通过切换函数来实现的。

当系统的状态变量所决定的切换函数值，随着系统的运动达到某一特定值时，控制系统就由一种结构转变为另一种结构。

变结构控制的一大优点是：其滑动模态对加给系统的干扰和摄动具有完全的自适应性。

 (七)模糊控制

模糊控制是对人脑所具有的模糊推理机能的模拟。

它应用模糊数学的知识，模拟人的思维方法，把人用自然语言描述的控制策略改造成模糊控制规则，按此规则确定控制量，再对控制量进行解模糊，得到精确的控制值。

模糊控制中，关键就是控制规则的确定，它是许多专家经验和知识的结合。

近几年，对模糊控制的研究非常多，但真正实用的却非常少。

课后练习

1、通过本活动的学习，能够电控悬架系统的基本工作原理和控制方法；

2、能够了解电控悬架系统电控器件的结构和工作原理。

活动三    电控悬架系统的应用

随着人们对车辆乘坐舒适性要求的提高、电控系统应用的推广以及车辆控制技术的发展，电子控制逐渐取代传统的机械悬架系统，电子控制悬架系统在汽车上的应用日益广泛。

电子控制悬架系统不仅提高了操作的舒适性和反应的灵敏度，而且可以附加很多辅助功能。

一、电控空气式主动悬架系统的应用

80年代末期，日本丰田公司在Soarer牌轿车上安装了电子控制空气式主动悬架系统。

这种悬架采用独立的空气弹簧，能使悬架的刚度、阻尼、车身高度随着行驶工况的改变，不仅使车辆获得好的平顺性，而且在车辆的转向侧倾、起步俯仰、制动点头等车辆的姿态响应方面均获得极大的改善。

图26为该系统的控制示意图，该系统由各种传感器、四个车轮的空气悬架调节器、空气压缩机、高度控制阀以及控制微机组成。

图26   丰田Soarer汽车电子控制空气悬架示意图

（一）车辆姿态控制

车辆姿态控制是从驾驶员的驾驶操作中来预测车辆姿态的变化，使悬架的刚度、阻尼暂时处于硬状态，以减少车辆姿态的变化。

（二）车速、路面感应控制

该控制具有以下功能：

1、高速感应

当汽车速度超过110 km/h时，将悬架刚度和阻尼从软状态调整封标准状态，以增加高速时的操纵稳定性。

2、前后轮的相关性

汽车在悬架刚度、阻尼以中间的标准状态行驶，若前轮越过水泥路面的接缝等单一突起，接着后轮在即将临近接缝时将悬架的刚度、阻尼变换到软状态，以减少冲击，改善平顺性。

但在高速行驶时，此状态又影响到车辆的操纵稳定性，因而该种状态限定在车速低于80km/h。

3、坏路面感应

这种控制是在汽车通过坏路面时，为抑制车身的前后颠簸和大的跳动，需提高悬架的刚度和阻尼。

检测信号用左前轮的高度传感器的车高信号来判断路面状态。

(三)车身高度控制

车身高度调整分为3个等级，通常是手控选择中间的标准级或高级，无论装载量为多少都能自动调整，并保持设定的高度，而且根据车速和路面状况，能恰当地转换成3级车高中的某一设定的高度。

车高调整由左右前轮和左后轮的3个高度传感器发出车高信号，微机根据车高传感器的信号和驾驶员给出的控制指令，操纵控制车高的电磁阀动作。

例如当车身需要升高时，微机发出指令，空气压缩机和高度控制阀工作，将压缩空气送入空气悬架的主气室，从而抬起车身。

降低车身时，打开排气阀和高度控制阀工作，将悬架主气室的气体经过电磁阀、管路、排气阀排出，车身下降。

高速感应控制是当车速达到90km/h以上时，使车高降低一级高度，即当车高原处于高状态，那么降低到标准状态，当车高处于标准状态时，则降低到低状态。

使车辆提高高速行驶的稳定性，减少空气阻力，在60 km/h时恢复原有高度。

连续坏路面感应控制，当汽车进入长距离的坏路面连续行驶时，应该提高车身的高度，避免悬架被击穿(即弹簧被压死，车身直接承受来自车轮的冲击)。

当车高传感器向控制装置给出连续2.5s以上车身高度大幅度变化信号，而车速在40km/h～90km/h时，若悬架处于正常模式，则车身高度从标准状态提高到高状态；如果处于高状态，则车身高度维持在高状态不变。

当车高传感器给出同样的信号，而车速在90km/h以上时，考虑到这时应首先保证汽车的行驶稳定性，所以悬架始终维持在标准状态。

当汽车正常行驶时，车高传感器每隔0.008 s进行一次车高的采样，微机经过20s采样后取平均值，车高数据被记录下来，并与控制模式中的车高进行比较，判断此时的车高位置是否适当，若不合要求，微机将控制电磁阀动作，使车身调整到适当的位置。

有时汽车的某个车轮会突然碰到石块或落空，也可能因为振动而使车轮跳离地面，这时微机会发出指令，使车身控制过程暂停，待到正常行驶时再重新实施控制。

二、电控油气悬架系统的应用

雪铁龙在XM轿车中首先使用了电控油气悬架系统，图27为该车的系统组成和布置图。

该系统主要由电子控制装置、方向盘转角传感器、车速传感器、制动压力传感器、车速传感器、车身位移传感器、油气弹簧、刚度调节器和电磁阀等组成。

图27  雪铁龙XM轿车油气悬架系统

系统提供了2种弹簧刚度(运动和舒适)和2种悬架阻尼力(软和硬)，并且在各轴上引入了第3个氮气弹簧（中间氮气弹簧），汽车在正常行驶时，系统控制装置打开前后轴的电磁阀，使中间的氮气弹簧发生作用，这样，悬架可压缩气体的体积增加50％，降低了悬架刚度，同时由于各电磁阀还打开了一个节流孔，使油液在各轴上的三个弹簧之间自由流动，降低了悬架的阻尼，改善了汽车行驶的舒适性。

而当要求较硬悬架特性时，电控装置关闭前后电磁阀，使中间的氮气弹簧与系统隔开，各悬架之间的油液停止流动，使悬架刚度增加，阻尼力增大，提高了汽车抗侧倾的能力。

 (一)传感器

系统的主要传感器已在上一活动中作了介绍，系统主要接收8个输入信号：控制开关位置信号(运动或舒适)、方向盘位置和转速信号、车速信号、加速踏板移动信号、制动力信号、车身位移信号、车门开关和行李箱开关信号。

方向盘转角传感器和车身位移传感器都是光电式传感器。

而车速传感器则是安装于主传动桥壳中的简单霍尔传感器。

加速踏板位置根据节气门位置传感器(普通旋转式电位计)信号计算得到。

汽车制动力由安装在制动管路中的压力开关间接测得。

 (二)执行器

执行器实质上是一电磁阀，它固定在前、后轴的中间气体弹簧上(如图28)。

图28    电磁阀工作原理

(a)悬架工作在硬模式   (b)悬架工作在软模式

不加电时，电磁阀在回位弹簧的作用下保持在关闭位置，此时，中间气体弹簧与前、后轴上其他两个弹簧隔绝，悬架处于硬模式(硬阻尼)；当电控装置给电磁阀加电时，回位弹簧被压缩，电磁阀处于打开位置，此时，中间气体弹簧与前、后轴上其他两个弹簧相通，悬架处于软模式(软阻尼)。

电控装置用一晶体管实时检测电磁阀线圈电阻(约5Ω)，当检测到错误的阻值时，停止对电磁阀加电，则系统自动使悬架工作在硬模式(硬阻尼)。

 (三)电子控制装置

电子控制装置(ECU)是一封闭装置，它固定在发动机室内，用两个微处理器接收来自各传感器的输入信号，并计算出汽车车身的纵向加速度、横向加速度和垂直方向加速度，以确定汽车当前行驶条件下最佳的悬架工作模式。

所有传感器的输入信号不断与预先编好的门限值(随车速变化)进行比较，正常情况下电子装置使各电磁阀保持在打开状态，悬架工作在软模式，但是，当传感器输入信号超过门限值时，微处理器将使悬架切换到硬工作模式，电磁阀停止加电，这个过程很短，只有不到2ms的时间。

一旦传感器输入信号低于门限值，并进行预设的时间延迟后，悬架将返回软工作模式。

当驾驶员将SPORT控制开关转到SPORT位置时，电子控制装置将降低传感器输入信号门限值33％，这时悬架工作模式仍可以在软模式和硬模式之间进行切换，但是，系统更容易切换到硬工作模式。

三、电控液压式主动控制悬架系统的应用

  (一)系统的组成

系统根据加速度传感器的输出信号，控制各车轮执行器的油压、车身姿态的变，降低来自路面的冲击。

以日产无穷Q45轿车为例，该系统由油压系统和控制系统组成。

油压主要由贮油箱、油泵、油泵贮压器、组合阀、主贮压器、压力控制阀及执行器组成；控制系统主要由4个车身高度传感器(四个车轮上各一个)、3个垂直加速度传感器(一个在汽车前端)、2个横向加速度传感器(在中间车架上)、1个纵向加速度传感器(在中间车架上)及电子控制装置组成。

作为系统动力源的油泵，其结构如图29所示。

油泵总成为一串联式结构，前端为一柱塞泵(供悬架系统用)，后端为一叶片式油泵(供动力转向系统用)，两个油泵由一根轴驱动。

主贮压器存贮来自组合阀的油压，当执行器一时需要大流量油液时进行补充，在发动机熄火保持车身高度，主贮压器一般为自由活塞型贮压器，要求高压、大容量、长时间可靠工作。构造如图30。

图29   油泵的结构

图30  主贮压器构造

组合阀用于对油压系统的基本油压控制。

它是由多个不同功能的阀组合在一起的多功能阀。

其构成如图31。

图31  组合阀构成图

压力控制阀根据控制输入信号控制控制口压力，以控制车身姿势，并且产生最佳阻尼力。

压力控制阀和执行器如图32。

图32   压力控制闽及执行器的结构示意图

电子控制装置包括两个高速16位微处理器(MCU1)和(MCU2)，运算速度非常快，如图33。

图33  电子控制装置的内部构造和主要输入信号

微处理器MCU1处理来自加速度传感器的信号，并把控制信号输送到压力控制阀的驱动电磁线圈内；微处理器MCU2处理来自高度传感器等的信号，并把控制信号输送到压力控制阀的驱动电磁线圈内。

MCU1与MCU2一直相互联系，一方发生异常时，就把信号输入故障安全回路，使故障安全阀动作，以确保安全性。

  (二)系统的控制

1、侧倾的控制

当汽车转弯时，在离心力的作用下，车身有发生侧倾的倾向，横向加速度传感器测得此离心力，系统控制装置根据此离心力的大小，按比例增加外侧车轮悬架的液压，降低内侧车轮的液压，以抵消汽车离心力，防止车身侧倾。

2、俯仰振动控制

汽车制动时，汽车产生向前的惯性力，系统通过纵向加速度传感器测得汽车向前的惯性力，系统控制装置则根据此惯性力，按比例增加前轮执行器产生的作用力，降低后轮执行器产生的作用力，以抵消惯性力，控制车身的俯仰振动。

汽车起步时的控制过程与上述相反。

3、上下振动控制

当汽车行驶于不平路面时，来自路面的冲击使车身发生上下振动，根据车身上下振动的绝对速度，系统控制各车轮执行器产生作用力，来抵消来自路面的冲击，此绝对速度可将汽车垂直加速度传感器测得的车身垂直方向的加速度积分求得。

此控制方式采用的是前述的天棚阻尼器控制理论。

4、车身高度控制

根据车轮部分的高度传感器测得的车身高度变化信号，系统控制装置自动使车身高度维持为一个定值(不管载荷如何变化)。

也可以通过手动操作使车身高度增加20mm，以避免汽车行驶在坏路面使车身与路面相碰。

液压式主动控制悬架系统的工作过程可用图34来说明。

图34   液压式主动控制悬架系统工作过程

使用油泵和带执行器的液压系统，并通过电子控制装置控制，达到改善汽车乘坐舒适和行驶稳定的目的。

电子控制装置接收10个独立传感器的输入信号，经过分析计算后向执行器发出控制信号，执行器则根据电子控制装置的控制信号不断调整前后悬架液压的大小，从而补偿路面的下降、车身的侧倾、制动时的点头、加速时的后蹲和汽车高度的变化。

系统的液压管路布置见图35。

图35  液压管路布置图

课后练习

1、通过本活动的学习，能够了解电控空气式主动悬架系统的应用原理；

2、能够了解电控油气悬架系统的应用原理；

3、能够了解电控液压式主动控制悬架系统的应用原理 。

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