电控悬架系统的结构原理与检修.docx

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电控悬架系统的结构原理与检修

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

本科毕业论文

电控悬架系统的结构原理与检修

PrincipleandMaintenanceoftheStructureoftheElectricControlSuspensionSystem

系（院）名称：

机械工程学院

专业班级：

XXXX级汽车服务工程

学生姓名：

XX

学生学号：

XXXXXXXXXXXX

指导教师姓名：

XXX

指导教师职称：

工程师

2012年5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

电控悬架系统的结构原理与检修

摘要：

随着汽车速度的提高，对汽车的性能也提出了更高的要求。

传统的悬架限制了汽车性能的提高。

人们希望汽车车身的高度，悬架的刚度，减震器的阻尼的大小能随汽车的载荷，行驶速度，以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。

通过采用电子技术实现汽车悬架的控制，既能提高汽车乘坐的舒适性，又能提高汽车操纵的稳定性。

近年来，人们不断开发适应各种行驶工况的最优悬架控制系统。

在车辆尤其是高档车中，相继出现了性能更加优越的各种电子控制悬架系统。

本论文首先介绍汽车悬架的发展历程、对汽车悬架系统的要求、汽车悬架的分类，说明了汽车悬架的重要性。

同时着重分析了电子控制主动悬架的结构组成和工作原理及刚度控制、阻尼控制、车高控制的过程。

最后简单介绍电子悬架的检修。

关键词：

电子控制悬架传感器检修

PrincipleandMaintenanceoftheStructureoftheElectricControlSuspensionSystem

Abstract:

Asthevehiclespeedsincrease,theperformanceofthecaralsohassethigherrequirements.Thetraditionallimitsofautomobilesuspensionperformancegains.Itishopedthatthevehiclebodyheight,suspensionstiffness,thesizeoftheshockabsorberdampingwiththeloadofthecar,drivingspeedandroadconditions,changesindrivingconditionsandautomaticallyadjust.Throughtheuseofelectronictechnologytoachieveautomotivesuspensioncontrol,bothtoimprovevehicleridecomfort,butalsoimprovevehiclehandlingandstability.Inrecentyears,peopleareconstantlydevelopingtoadapttoavarietyofdrivingconditionsoptimalsuspensioncontrolsystem.Invehicles,especiallyhigh-endcar,haveappearedinavarietyofsuperiorperformance,electronicallycontrolledsuspensionsystem.Followedbythemaintenanceofelectroniccontrolsuspensionalsoenterthescopeofourdailymaintenance.Thispaperfirstintroducesthedevelopmentcourseofautomobilesuspendedframe,theautomobilesuspensionsystemrequirements,theclassificationofautomobilesuspendedframe,andexplainstheimportanceofautomobilesuspendedframe.Atthesametimefocusingontheanalysisoftheelectroniccontrolactivesuspensionstructureandworkingprincipleandthestiffnessanddampingcontrol,carcontrolhighcontrolprocess.Finallysimpleintroductionofelectronicsuspensionoverhaul.

Keywords:

electronicallycontrolledsuspension;sensor;repair

引言

随着人们生活水平的不断提高，对车辆乘坐舒适性和操纵稳定性提出了更高的要求。

但是，传统悬架形式中所采用的那些具有固定刚度和确定阻尼的弹簧、减震器已经无法从根本上满足现代汽车所要求的舒适性及操纵稳定性。

例如，从提高汽车舒适性的角度出发，一般希望悬架具有较软的弹簧，以充分发挥缓冲作用。

但是这样却势必导致车身在行驶的过程中位移偏大,需要相应的提高车身高度，这会随之带来增加车身重心高度，不利于改善行驶稳定性的问题。

另一方面，为提高汽车的操纵稳定性，一般要求悬架具有较大的弹簧刚度和减震器阻尼，这显然与改善舒适性的要求相矛盾。

传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。

人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车载荷、行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。

为了满足人们对汽车舒适性的要求，20世纪90年代以来，在汽车电子技术以及高速公路飞速发展的同时，各汽车公司相继开发研制了电子控制悬架系统提高汽车舒适性。

由于电子控制悬架的应用数量不断扩大，便使电子控制悬架的维护逐渐的被人重视，但是，相关人才的增长速度跟不上电控悬架的普及速度或者缺乏相关知识，致使这方面的维护比较混乱，因此，本篇论文将重点阐述电控悬架的结构原理及检修。

第1章汽车悬架概述

1.1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、纵臂式独立悬架、车轮沿主销移动的悬架，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。

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～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。

1.2对汽车悬架系统的要求

汽车悬架系统对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性都有较大的影响。

所谓行驶平顺性是指汽车在行驶过程中，保持驾驶员和乘员处于振动环境中具有一定的舒适度，或保持所载物资完好的能力。

汽车的操纵稳定性则包括两方面的含义：

一是汽车是否具有正确遵守驾驶员操纵转向机构所给规定方向行驶的能力，即所谓的操纵性；二是汽车在外界条件（如地面不平、坡道、大风等）干扰下，能否保持原方向行驶的能力，即所谓的稳定性。

在悬架系统设计时应尽可能做到既能使行驶平顺性（即乘坐舒适性）达到令人满意的程度，又能使其操纵稳定性（即行驶安全性）也达到最佳的状态。

然而，这两个要求在悬架系统的设计中往往是矛盾的。

平顺性和操纵稳定性对汽车悬架系统这一互为矛盾的要求，在传统的被动悬架系统设计中几乎无法同时满足。

即使经过慎重的权衡，通过最优控制理论使悬架系统在平顺性和操纵稳定性之间寻求一个折衷的方案，而这种最优的折衷也只能是在特定的道路状态和速度下达到。

为了克服传统的被动悬架系统对其性能改善的限制，在现代汽车中采用和发展了新型的电子控制悬架系统。

电子控制悬架系统可以根据不同的路面条件，不同的载重质量，不同的行驶速度等，来控制悬架系统的刚度、调节减振器的阻尼力大小，甚至可以调整车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳的组合。

1.3汽车悬架的分类

目前汽车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和无级半主动式两种；主动式悬架根据频率和能量消耗的不同，分为全主动式和慢全主动式；而根据驱动机构和介质的不同，可分为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到最大，使车身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。

它比全主动式悬架优越的地方是不需要外加动力源，消耗的能量很小，成本较低。

主动式悬架是一种能供给和控制动力源的装置。

根据各种传感器检测到的汽车载荷、路面状况、行驶速度、起动、制动、转向等状况的变化，自动调整悬架的刚度、阻尼力以及车身高度等。

它能显著提高汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性。

第2章电控悬架系统的组成

2.1电控悬架系统的功能

装备电子控制主动悬架系统的汽车能够根据本身的负载情况、行驶状态和路面情况等，主动地调节包括悬架系统的阻尼力、汽车车身高度﹑行驶姿势、弹性元件的刚度在内的多项参数。

这类悬架系统大多采用空气弹簧或油气弹簧作为弹性元件，通过改变弹簧的空气压力或油液压力的方式来调节弹簧的刚度，使汽车的相关性能始终处于最佳状态。

1.减振器的阻尼力调节

由于减振器的阻尼力对汽车乘坐的舒适性和安全性有较大的影响，所以目前可调节阻尼力的减振器应用十分普遍。

这种减振器可以实现以下控制目标：

（1）防止车尾下蹲控制

汽车在急速起步或加速时，在惯性力和驱动力的作用下，汽车尾部的下蹲控制到最小程度，以保持车身的稳定。

（2）防止汽车点头控制

汽车在高速行驶采取紧急制动时，由于惯性力和车轮与地面之间的附着力的作用，促使车头下沉。

防止汽车点头控制就是要使这种点头现象减小到最小程度。

（3）防止汽车侧倾控制

汽车在转弯时，由于离心力的作用，使汽车与车身的外侧下沉，转弯结束时，会产生车身外侧的恢复，造成汽车横向摆动。

防止汽车侧倾控制就是使这种现象控制到最佳状态。

（4）防止汽车纵向摇动控制

汽车的纵向摇动一方面是由于汽车在换挡过程中，驱动车轮上的驱动力在短时间内发生较大变化使汽车纵向摇动；另一方面是由于汽车在不平整的道路上行驶时，汽车的车速与路面的波动产生共振，或受路面的影响，造成车身纵向摇动。

防止汽车纵向摇动控制就是使车身的这种状态得到最佳的控制。

2.悬架系统弹性元件刚度的调节

影响汽车乘坐的舒适性和行驶的安全性的另一个主要因素就是汽车悬架弹性元件的刚度，悬架弹性元件的刚度将直接影响车身的振动强度和对路况及车速的感应程度。

目前，中、高档汽车倾向于利用可调刚度的空气弹簧或油气弹簧，通过调节这些元件的空气压力的办法来调整弹性元件的刚度。

3.车身高度和姿势的调节

通过调节弹性元件的刚度和减振器的阻尼力，可使汽车四个车轮上的悬架参数具有不同组合，就可进行车身高度和姿势的调节。

如使用空气弹簧的悬架，当乘员人数和载物较重使车身下沉时，通过加大空气弹簧气压的办法，使车身恢复到正常高度；当汽车高速行驶时为了提高汽车行驶的安全性，减少空气阻力，可适当减少空气弹簧的气压，同时减少因减振器的阻尼力使车身降低的高度等。

2.2电控悬架系统的主要组成部分

目前，电控空气悬架在高级轿车、客车上应用较为广泛，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、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2.1所示。

系统根据悬架车身高度、车速、转向和制动等传感信号，由ECU控制电磁式或步进电机执行器，改变悬架的特性，以适应各种复杂的行驶工况对悬架特性的不同要求。

图2.1电控主动悬架的系统原理图

2.3传感器

1.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.转向传感然由一个带孔圆盘和两个光电传感器组成，其外形和工作原理如图2.2所示。

图2.2光电式转角传感器的安装位置和结构

1.转角传感器2.信号发生器3.遮光盘4.转向轴5.传感器圆盘

开有20个孔的遮光盘随转向轴一起转动，遮光盘的两侧为由发光二极管和光敏晶体管组成的信号发生器，它们两者之间的光线变化随着遮光盘遮挡或通过转换成“通”或“断”信号。

当操纵方向盘时，遮光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。

传感器信号发生器以两个为一组，相位错开半齿套装在遮光盘上。

ECU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，如图2.3所示。

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。

当信号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。

根据两信号发生都输出端通、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。

图2.3光电式转角传感器电路及输出信号

2.车身高度传感器

车身高度传感器通过监测车身与悬架摆臂之间的距离变化，可以检测汽车高度和因道路不平坦而引起的悬架位移量，如图2.4所示。

车身高度传感器有磁性滑阀式、霍尔式和光电式三种形式，其中光电式车身高度传感器应用较多，通常安装于车身上，并通过转轴、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。

2.4轴式车高传感器结构

l.信号发生器2.遮光盘3.盖4.电缆5.金属封油环6.壳体7.轴图

与光电式转角传感器类似，光电式车身高度传感器在随轴转动的开口圆盘上刻有一定数量的窄缝，信号发生器由发光二极管和光敏三极管组成，以4个为一组，覆盖了开口圆盘，如图2.5所示。

开口圆盘位于发光二极管与光敏管之间，转动开口圆盘，发光二极管发出的光不断被开口圆盘挡住，信号发生器的光敏管输出端出现电平高低的变化。

图2.5车高传感器的工作原理

1.信号发生器2.遮光盘3.导杆4.转轴

ECU接受到电平信号的变化，可检测出开口圆盘的转动角度。

当车身高度发生变化时（汽车载荷发生变化），导杆随摆管上下摆动，从而通过轴驱动遮光盘转动，信号发生器的输出信号随之进行通（ON）、断（OFF）变换。

电控悬架系统的ECU是根据各个信号发生器通断状态的不同组合来判断车高状态的。

3.车速传感器

车速传感器安装在变速器上，由变速器齿轮通过转出轴驱动，车速传感器信号经仪表转换后送至悬架ECU，该信号与转向传感器信号一起用来计算车身侧倾程度。

4.节气门位置传感器

节气门位置传感器安装在发动机的节气门体上，检测节气门的开启角度和开启速度，间接获取汽车加速度信号，ECU利用此信号作为汽车车身后仰控制的一个工作状态参数。

5.加速度传感器

在车轮打滑时，不能以转向角和汽车车速正确判断车身侧向力的大小。

为直接测出车身横向加速度和纵向加速度，有时在汽车的四角安装加速度传感器。

常用的加速度传感器主要有差动变压器式和滚球式两种。

差动变压器式加速度传感器工作原理如图2.6所示。

激磁气圈（1次线圈）通以交流电，当汽车转弯（或加、减速）行驶时，芯杆在汽车横向力（或纵向力）的作用下产生位移，随着芯杆位置的变化，检测线圈（2次线圈）的输出电压发生变化。

所以，检测线圈（2次线圈）的输出电压与汽车横向力（或纵向力）一一对应，反应了汽车横向力（或纵向力）的大小，悬架系统电子控制装置根据此输入信号即可正确判断汽车横向力（或纵向力）的大小，对汽车车身姿势进行控制。

图2.6差动变压器式加速度传感器工作原理

1、2.2次线圈3、6.1次线圈4.电源5.芯杆

钢球位移式加速度传感器的结构如图2.7所示。

根据所检测的力（横向力、纵向力或垂直力）不同，加速度传感器的安装方向也不一样。

如汽车转弯行驶时，钢球在汽车横向力的作用下产生位移，随着钢球位置的变化，磁场发生变化，造成线圈的输出电压发生变化，所以，悬架系统电子控制装置根据线圈的输出信号即可正确判断汽车横向力的大小，对汽车车身姿势进行控制。

图2.7钢球位移式加速度传感器

1.轭铁2.信号处理回路3.磁铁4.钢球

6.制动开关

用于向悬架电子控制器提供制动信息，控制器根据制动开关所提供的阶跃信号，并参考车速信号对相关悬架的刚度进行调整，以抑制车身“点头”。

制动开关有制动灯开关和制动液压开关两种形式。

7.车门开关

车门开关是为了防止行驶过程中车门未关而设置的。

8.模式选择开关

模式选择开关用于选择悬架的“软”、“中”、“硬”状态。

ECU检测到该开关的状态后，操纵悬架执行机构，从而改变悬架的弹簧刚度和阻尼系数。

2.4执行器

不同类型的电控悬架系统具有不同的执行机构，空气悬架的执行器为空气弹簧控制阀；油气悬架的执行器为油气弹簧压力控制阀；变阻尼半主动悬架可采用电动式、电磁式或磁流变式可调阻尼减振器作为执行器。

如图2.8为一种空气弹簧用控制车身高度的控制阀，它由芯杆、电磁线圈和柱塞等组成。

当对电磁线圈通电，在电磁力的作用下芯杆推动柱塞移动。

关闭空气通路，形成ON/OFF动作。

图2.8空气弹簧控制阀

1.芯杆2.线圈3.柱塞

如图2.9为一种油气弹簧用压力控制阀。

当对电磁线圈通以电流时，电磁线圈产生正比于此电流的电磁力，电磁力推动阀杆移动。

当阀杆的推力输出压力相等时，阀杆停止移动，这样，可以产生与电流大小成正比的油压力。

图2.9直动型比例电磁减压阀

1.进油管2.油泵3.回油管4.油箱5.电磁线圈6.活塞7.出油管

对于悬架阻尼调节分有级式和无级式两种，无级的悬架减振器阻尼调节原理如图2.10所示。

减振器中的驱动杆和空心活塞一同上下运动，减振器油液可通过驱动杆和空心活塞的小孔流通，利用小孔节流作用形成阻尼。

步进电动机通过转动驱动杆来改变驱动杆与空心活塞的相对角度，以使阻尼小孔实际通过的截面大小改变，从而实现减振器阻尼的调节。

图2.10无级悬架减振器阻尼调节原理

1.步进电机2.驱动杆3.活塞杆4.空心活塞

2.5控制单元

在不同汽车上所采用的控制系统ECU结构和输入输出信号大同小异，ECU主要由输入电路、微处理器、输出电路和电源电路等四部分组成。

它是悬架控制系统的中枢，具有多种功能。

1.提供稳压电源

控制装置内部所用电源和供各种传感器的电源均由稳压电源提供。

2.传感器信号放大

用接口电路将输入信号中的干扰信号除去，然后放大、变换极值、比较极值，变换为适合输入悬架ECU的信号。

3.输入信号的计算

悬架ECU根据预先写入只读存储器ROM中的程序对各输入信号进行计算，并将计算结果与内存中的数据进行比较后，向执行器发出控制信号。

输入悬架ECU的信号除了开关信号外，还有电压值，还应进行A/D变换。

4.驱动执行器

悬架ECU用输出驱动电路将输出驱动信号放大，然后输送到各执行器，如电机、电磁阀、继电器等，以实现对汽车悬架参数的控制。

5.故障检测

悬架ECU用故障检测电路来检测传感器、执行器和线路的故障，当发生故障时将信号送入悬架ECU，目的在于即使发生故障，也能使悬架系统安全工作，另外在修理故障时容易确定故障所在位置。

第3章电控悬架的控制过程

3.1悬架刚度控制

ECU接收由车速传感器、转向操作传感器、汽车加速度传感器、油门踏板加速度传感器和汽车高度传感器传来的信息，计算并控制弹簧刚度。

基于不同传感器输入的信号，弹簧刚度的控制主要有“防前倾”、“防侧倾”和“前后轮相关”控制等方面的操作。

1.防前倾控制

“前倾”一般是汽车高速行驶时突然制动时发生的现象，防前倾主要是防止紧急制动时汽车前