电控悬架系统控制原理和检修Word格式文档下载.docx
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1.2国内外研究状况
电子控制悬架在国外高速客车和豪华城市客车上的使用率已接近100%,在其中、重型载货汽车和挂在车上使用率已超过80%
部分高级轿车也逐渐将电控悬架作为标准配置,在列车上应用也日益广泛;
在一些特种车辆上,对防震性要求高的仪表车、救护车及要求带高度调节的集装箱运输车,空气弹簧悬架的应用更为广泛.我国汽车悬架技术的研究和应用与欧美等发达国家相比还处于明显的落后地位,随着高档客车制造技术的引进以及满足人们对舒适性要求的提高,加上国家对客车等级划分的标准要求,电控悬架才开始逐步应用起来。
目前,国内拥有空气悬架项目的公司为数众多,但真正拥有电控悬架系统设计开发、制造的却寥寥无几。
国内具有代理性质但无实际设计能力的公司居多,对设计匹配等技术环节往往存在先天不足。
但是由于种种原因,这些研究成果大多还停留在理论上,产业转化率非常低。
其实我国早在20世纪50年代就开始对电控弹簧进行研究,
1957年,长春汽车研究所开始了空气悬架技术的研究,不少高校的相关专家学者及研究机构多年来也做了大量富有效的工作,并取得了许多重要研究成果。
1.3研究内容
本研究设计在过去的研究的基础上，分别从四个部分来写的：
第一部分：
电子控制悬架系统的概述（包括简介、功能、和组成部分）；
第二部分：
电子控制悬架系统传感器（传感器类型）
第三部分：
电子控制悬架系统电子控制模块及执行器（包括电子控制悬架系统电子控制模块和执行器的功能、结构、工作原理和执行器的类型）
第四部分：
电子控制悬架系统故障诊断与检测（故障类型及其原因、故障诊断工具、故障诊断流程和检测方法）
2电子控制悬架系统概述
汽车的操控性和舒适性越来越受到人们的重视，车辆悬架系统在汽车的操控性和舒适性方面起着至关重要的作用。
悬架是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。
它的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都传递到车身上，以保证汽车的正常行驶。
采用电子控制主动悬架系统不仅可提高乘坐舒适性,而且能够实现整车高度的自动升降,大大提高了车辆的舒适性，所以电子控制主动悬架系统被认为是汽车的发展趋势之一。
2.1电子控制悬架系统主要功能
汽车悬架类型可分为被动悬架，半主动悬架和主动悬架。
其中，被动悬架是由弹簧和减振器组成的机械式悬架系统，半主动悬架是由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统，主动悬架是可主动调节悬架的刚度和阻尼的系统。
半主动悬架和主动悬架系统都属于电子控制悬架系统，目前，电子控制悬架系统主要有四种结构形式：
空气悬架、液压悬架、电磁悬架以及电子液力悬架。
电子控制悬架系统包括动力源（液压泵或空气压缩机等），产生力和扭矩的主动作用器（油缸、汽缸、伺服电机、电磁阀等）、测量元件（如加速度、位移和力传感器等）和控制系统等，主要结构如图2.1。
电子控制悬架系统主要功能是能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元（ECU）控制悬架执行机构，使悬架系统的刚度、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。
图2.1电子控制悬架系统结构
2.2电子控制悬架系统结构与工作原理
1,电子控制悬架系统基本是由四个部分组成，如图2.2。
（1）传感器：
车高传感器、车速传感器、加速度传感器、转向盘转角传感器、
节气门位置传感器
（2）开关：
模式选择开关、制动灯开关、停车开关、车门开关
（3）电子控制单元：
ECU
（4）执行机构：
可调阻尼力的减振器、可调节弹簧高度和弹性大小的弹性元件等。
图2.3是丰田凌志LS400轿车电控空气悬架组成图
图2.2电子控制悬架系统构成图
图2.3丰田凌志LS400轿车电控空气悬架组成图
2,电控悬架系统的基本工作原理，如图2.4。
车身状态传感器和开关给ECU提供加速度、位移及其他目标参数等信号,ECU根据各传感器送来的信号进行运算分析,向悬架执行元件发出指令信号,使执行元件（如阻尼调节步进电机）产生一定的机械动作,调节悬架参数的执行器（电磁阀、步进电机等）改变悬架的刚度、阻尼系数和车身高度,使车辆在行驶过程中具有良好的平顺性和操纵稳定性。
2.4电控悬架系统的基本工作原理
3,汽车电控悬架的形式和控制种类
现代电控悬架的形式有很多种：
（1）按悬架工作介质的不一样分两类，分别油气悬架系统和空气悬架系统。
在这里介绍一下空气悬架系统。
电子空气悬架系统使用空气而不是使用液体来控制悬架系统。
在系统中，每个车轮上都安装了一个空气弹簧。
计算机控制进入每个空气弹簧的空气量。
系统有空气压缩机和各种元件来操纵和控制车辆的悬架系统。
（2）按控制目的不一样分四类，他们分别是车高控制系统、刚度控制系统、阻尼控制系统、综合控制系统等形式。
（3）按控制系统有源或无源，可以分为半主动悬架和主动悬架等。
当前，汽车悬控主要一下几种：
1.车高调整
不管车辆负载多少，一定保持汽车高度。
另外，汽车在坏路上行驶时，车高升高，防止车桥与地面相碰；
汽车在高速行驶时，使车高降低，这样可以减少空气的阻力，从而提高操的稳定性
2.减震器阻尼力控制
通过减震器阻尼力系数的调整，可以防止汽车稳速起步，紧急制动时车头下沉，金转弯时车身横向摇动且换挡时车身纵向摇动等，可以提高行驶平顺性和操纵稳定性
3.弹簧刚度控制
弹簧刚度控制也在各种工况下，通过弹性的调整，来控制汽车的操纵稳定性。
3电子控制悬架系统传感器
汽车电子控制悬架系传感器作用是行驶的速度，起步，加速度，制动和汽车震动状况，车身高度等信号输送给汽车悬架ECU。
汽车悬架系统所用的传感器有：
车身高度传感器、方向盘转角传感器、车速传感器、加速信号、车门信号、制动信号、悬架控制开关信号等。
3.1车身高度传感器
车身高度决定了汽车质心的高度，汽车质心的高度对动力性，经济性，制动性，操纵稳定性等都有影响。
有了车身高度传感器，就可以通过车上的ECU调节悬架阻尼和刚度参数，达到一个合适的值，兼顾各方面的性能。
如图3.1所示：
图3.1车身高度传感器
图3.2车身高度传感器安装位置
（1）模拟式高度传感器..
模拟式高度传感器给悬架控制模块提供与车身高度相关的，连续的电压信号。
模拟式传感器有一个三线连接器，分别是铁线，电源线和信号线。
当汽车高度正常时，电控开关关闭，控制模块接收到汽车高度为正常的信号
当汽车高度增加时，磁性阀上移，超高开关打开并向控制模块输送车身高度增加的信号
当汽车身高降低时，磁性滑阀下移，欠高开关打开，并向悬架ECU输送车身高度降低的信号，悬架ECU收到欠高开关的信号后，控制空气压缩机继电器接通，使空气压缩机工作，同时悬架ECU控制空气弹簧电磁阀打开，使空气压缩机产生的压缩空气充入空气弹簧，从而使车身高度增加，直至达到标准高度。
模拟式高度传感器如图3.3所示：
1-电线束2-阀与电控开关3-夹子4-防尘罩5-球头螺钉6-磁性滑阀
图3.3模拟式高度传感器
（2）数字式高度传感器.
应用最广泛的是光电式数字车身高度传感器。
在传感器内部有一个传感器轴，轴外端安装的连接杆与悬架臂相连接，轴上固定一个开有一定数量窄槽的遮光盘。
遮光盘两侧对称安装有四组发光二极管和光敏三极管，组成四对光电耦合器（信号发生器）。
当车身高度变化时，车身与悬架臂作相对运动，连接杆带动传感器轴和遮光盘一起转动。
当遮光盘上的槽对准耦合器时，光敏三极管通过该槽感受到发光二极管发出的光线，光电耦合器输出导通（ON）信号，反之则输出截止（OFF）信号。
只要使遮光盘上的槽适当分布，就可以利用这四对光电耦合器导通和截止的组合，这种高度传感器有一个六线连接器──电源线、地线及四个信号线。
3.2方向盘转角传感器
方向盘转角传感器基于多种原理，机构如图3.4所示，方向盘转角传感器提供的表示方向盘旋转角度的输出信号，可以参见图2。
相对直角效应，光电效应，电阻分压效应，磁阻效应等，方向盘转角传感器对汽车的稳定性控制系统有很大的作用，尤其是精度和稳定性直接关系着行车安全。
方向盘转角传感器用来测量方向盘的转角度，提供给ESP的ECU作为控制输入,在多年的发展过程中方向盘转角传感器也经历了自身的发展过程。
它安装在转向轴上，其作用是检测转向盘的转角信号，从而得到汽车转向成都信号，即以下两个信息：
转向盘位置和转向盘转向速率，方向盘转角传感器位于方向盘下面，位置如图3.5所示：
1-齿轮；
2-测量齿轮；
3-磁铁；
4-判断电路；
5-各向异性磁阻集成电路
图3.4方向盘传感器结构
1-螺钉；
2-螺旋电缆；
3-转接板；
4-螺钉；
5-方向盘转角传感器；
6-固定凸舌；
7-转向信号解除凸轮
图3.5方向盘转角传感器的安装位置
3.3车速传感器
车速传感器是检测电控汽车的车速，通过电脑控制这个输入信号来控制发动机怠速，自动变速器的变扭器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能。
车速传感器的输出信号可以是磁电式交流信号，也可以是霍尔式数字信号或者是光电式数字信号，车速传感器通常安装在驱动桥壳或变速器壳内，车速传感器信号线通常装在屏蔽的外套内，这是为了消除有高压电火线及车载电话或其他电子设备产生的电磁及射频干扰，用于保证电子通讯不产生中断，防止造成驾驶性能变差或其他问题。
在各种汽车上一般采用是磁电传感器来进行车速、曲轴转角和凸轮轴转角的控制，还可以用它来感受其它转动部位的速度和位置信号等，如压缩机离合器等。
（1）磁电式车速传感器
磁电式车速传感器是一个交流信号发生器，它们会产生交变电流信号，一般由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。
这两个线圈接线柱是传感器输出的端子，当由铁质制成的环状轮转动经通过传感器时，线圈里将产生交流电压信号。
磁组轮的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样的。
输出信号的振幅与磁组轮的转速成正比（车速），信号的频率大小就确定磁组轮的转速大小。
传感器磁芯与磁组轮间的气隙大小对传感器的输入信号的幅度影响极大，如果在磁组轮上去掉一个或多个齿就可以产生同步脉冲来确定上止点的位置。
这会引起输出信号频率的改变，而在齿减少时输出信号幅度也会改变，发动机控制电脑或点火模块正是靠这个同步脉冲信号来确定触发电火时间或燃油喷射时刻的。
（2）霍尔效应传感器
霍尔效应传感器在汽车应用中是非常重要的，这主要是由于变速器周围空间位置冲突，霍尔效应传感器是固体传感器，它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。
霍尔效应传感器的原理图如图3.6所示：
图3.6霍尔效应传感器的原理图
（3）光电式车速传感器
光电式车速传感器由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。
一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号。
发光二极管透过转盘上的孔照到光电三极管上实现光的传递与接收。
转盘上间断的孔可以开闭照射到光电三极管上的光源，进而触发光电三极管和放大器，使之像开关一样地打开或关闭输出信号。
1-接线电缆；
2-油封；
3-外壳；
4-轴；
5-光电耦合元件；
6-遮光盘；
7-盖板
图3.7光电式传感器
3.4加速信号
通常电子控制悬架系统不同专门的加速传感器。
一般利用发动机节气传感器信号来判断汽车是否在进行急加速。
加速信号的原理如下；
电控悬架系统的传感器都是将信号直接输入悬架ecu，节气门位置传感器信号侧是输入发动机电子控制系统，以后发动机电控系统再信号输入悬架ecu。
汽车起动或者加速时，东力传动模块根据节气门位置传感器信号生成加速信号，将加速信号提供给悬架ecu，悬架ecu控制执行器其转换到硬阻尼状况，以便减少汽车抬头。
3.5车门信号
通过悬架ECU利用车门信号实现系统的一些功能，车门打开时防止排气或保持目前行驶高度。
在车门关闭时，整个系统恢复正常状态。
3.6制动信号
制动信号是影响汽车安全行驶的重要因素。
同样,制动信号在安全行车过程中也起到了。
可忽视的作用。
汽车制动信号是用在汽车减速行驶或者要停车时,作为汽车制动的报警信号,用以提醒车后车辆驾驶员应保持行车距离,以免造成汽车追尾撞车事故。
其工作过程是:
在驾驶员踩下制动踏板时,制动灯开关触点闭合,制动灯电源接通,制动灯点亮。
3.7悬架控制开关
悬架控制开关一般有悬架刚度和阻尼选择开关，高度控制开关和锁止开关。
图3.8悬架刚度和阻尼选择开关和高度控制开关
（1）悬架刚度和阻尼选择开关
悬架刚度和阻尼选择开关的作用是控制悬挂控制执行器的工作，对于减振器的减振力和气压缸的弹簧刚度进行自动控制。
悬架刚度和阻尼选择开关拨到SPORT侧时接通，系统进入高速行驶自动控制状态；
LRC开关拨到NORM侧时断开，系统进入常规自动控制状态。
（2）高度控制开关
高度控制开关”norm”和”high”有两种，根据汽车身的高度从高到低有高，中，低三种状态。
车身高度处于HIGH状态时，也就是高状态，系统对车身进行高值自动控制。
车身高度处于NORM状态时，也就是低状态，系统对车身进行常规值自动控制。
车身高度调整过程如图3.9所示：
图3.9车身高度调整过程
（3）锁止开关
锁止开关对车身高度控制有重要作用，如果锁止开关”NO”时，按照司机通过高度控制开关选定的模块式进行车身高度控制。
如果锁止开关”OFF”时，对车身高度不进行控制调节。
4电子控制悬架系统电子控制模块
4.1电控空气悬架系统电子控制模块（悬架ECU）功能
ECU即电子控制单元，泛指汽车上所有电子控制系统。
随着汽车电子自动化程度的越来越高，汽车零部件中也出现了越来越多的ECU参与其中，线路之间复杂程度也急剧增加。
为了使电路简单化，精细化，小型化，汽车电子中引进了CAN总线来解决这个问题。
因为CAN总线能将车辆上多个ECU之间的信息传递形成一个局域网络。
有效的解决线路信息传递所带来的复杂化问题。
悬架ECU是悬架控制系统的最重要部分，它具有多种功能：
1、传感器信号放大
信号放大器用于从传感器读取弱信号，经过变送器的预处理，即采用固定增益系数对信号进行放大，然后经由A/D转换电路变换成标准的模拟量信号输出给控制器、PLC或终端处理系统。
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。
2、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。
3、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。
4、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。
4.2电控空气悬架系统电子控制模块（悬架ECU）的结构和工作原理
（一）结构：
它是由输入电路、微机和输出电路等三部分组成，如图4.1所示。
（1）输入处理电路：
ECU的输入信号主要有三种形式，模拟信号、数字信号（包括开关信号）、脉冲信号。
模拟信号通过A/D转换为数字信号提供给微处理器。
控制系统要求模拟信号转换具有较高的分辨率和精度（>
10位）。
为了保证测控系统的实时性，采样间隔一般要求小于4ms.
数字信号需要通过电平转换，得到计算机接受的信号。
对超过电源电压，电压在正负之间变化，带有较高的振荡和噪声，带有波动电压等输入信号，输入电路也对其进行转换处理。
（2）微处理器：
微处理器首先完成传感器信号的A/D转换、周期脉冲信号测量和其它有关汽车行驶状态信号的输入处理，然后计算并控制所需的输出值，按要求适时地向执行机构发送控制信号。
过去微处理器多数是8位和l6位的，也有少数采用32位的。
现在多用16位和32位机。
输出处理电路
微处理器输出的信号往往用作控制电磁阀、指示灯、步进电机等。
微处理器输出信号功率小，使用+5v的电压，汽车上执行机构的电源大多数是蓄电池，需要将微处理器的控制信号通过输出处理电路处理后再驱动执行机构。
（二）工作原理：
输入电路接受传感器和其它装置输入的信号，对信号进行过滤处理和放大，然后转换成一定伏特的输入电平。
从传感器送到ECU输入电路的信号既有模拟信号也有数字信号，输入电路中的模／数转换器可以将模拟信号转换为数字信号，然后传递给微机。
微机将上述已经预处理过的信号进行运算处理，并将处理数据送至输出电路。
输出电路将数字信息的功率放大，有些还要还原为模拟信号，使其驱动被控的调节伺服元件工作。
传感器信ECU执行控制
图4.1ECU的结构和工作原理图
4.3电控空气悬架系统执行器的功能
悬架执行器的作用就是驱动主、副气室的空气阀阀心和减振器阻尼孔的回转阀，使其转动，从而实现对悬架刚度和阻尼参数的控制。
图4.2空气悬架的组成
电控空气悬架系统的控制功能主要包括以下三方面的控制；
1.车速与路面感应控制
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系数，使之处于低，中，高三种状态。
车速和路面感应主要有以下三种：
（1）高速感应。
当车速很高时，控制模块输出控制信号，使悬架的刚度和阻尼系数相应增大，以提高汽车高速行驶时的操纵稳定性。
（2）前后车轮关联感应。
当汽车前轮在遇到路面单个的凸起时，控制模块输出控制信号，相应减少后轮悬架的刚度和阻尼系数，以减小车身的震动和冲击。
（3）坏路面感应。
当汽车进入差路面行驶时，为了控制车身产生大的震动，控制模块输出控制信号，相应增大悬架的刚度和阻尼系数。
2.车身姿态控制
当汽车起步，制动和转向时，会造成车身姿态的急刷改变。
这种车身姿态的改变既降低了汽车的乘坐舒适性，又由于车身的过度顺斜容易使汽车失去稳定性，所以应该对其进行控制。
这种控制主要包括三个方面：
（1）转向时车身的顺斜控制，
（2）制动时车身的点头控制
（3）起步或者加速时车身的后坐控制
3.车身高度控制
车身高度控制是在汽车行驶车速和路面变化时，悬架ecu对执行元件输出控制信号，控制调节车身的高度，以确保汽车行驶的稳定性和通过性。
车身高度控制主要有两方面
（1）高速感应控制
（2）连续差路面行驶控制
4.4电控空气悬架系统执行器的结构、工作原理及分类
（一）电控空气悬架系统执行器的结构、工作原理
空气悬架系统执行器的结构如图4.3所示。
当悬架ECU控制步进电机动作时，带动小齿轮转动，小齿轮驱动扇形齿轮转动。
与扇形齿轮同轴的阻尼调节杆带动回转阀旋转，从而使阻尼孔开闭的数量发生变化，达到调节减振器阻尼的目的。
同时阻尼调节杆上通过齿轮带动空气阀控制杆转动，使空气阀阀心转动，随着阀心转动角度的改变，使空气弹簧的刚度也得到调节。
悬架系统执行器上还有一个电磁线圈，当电磁线圈不通电时，由它控制的制动开关松开，制动杆处于扇形齿轮的滑槽内，扇形齿轮可以转动；
当电磁线圈通电而吸合制动开关时，制动杆往回拉，各齿轮处于锁止状态，阻尼调节杆和空气阀控制杆都不能转动，此时悬架的刚度参数和阻尼参数都为固定值，悬架系统处于相对稳定的状态。
1—阻尼调节杆；
2—小齿轮；
3—步进电机；
4—制动杆；
2—5—电磁线圈；
6—扇形齿轮；
7—空气阀驱动齿轮；
8—空气阀控制杆
图4.3悬架系统执行器的结构
（二）电控空气悬架系统执行器的分类
现在常见的有三种空气悬架系统执行器：
4线执行器，3线执行器和2线执行器。
下面分别介绍这三种执行器：
（1）4线执行器：
4线执行器是一个双向直流电机。
执行器安装在减振器的顶部，执行器驱动减振器内的一根轴来改变减振器阀门。
这类执行器由悬架ECU通过一对称为硬/软继电器来控制。
4线执行器可以从减振器总成上取下单独更换，4线执行器内带位置传感器。
（2）2线执行器：
2线执行器是一个on/off电磁阀。
如果电磁阀处于off位置，减振器处于硬阻尼状态；
如果电磁阀处于on位置，减振器处于软阻尼状态。
2线执行器与减振器为一体式，不可单独维护。
（3）3线执行器：
3线执行器是一个直流电
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