現(xiàn)代汽車新技術(shù)概論（第2版）-田晉躍課件第七章汽車現(xiàn)代懸架技術(shù)

汽車新技術(shù)概論第七章汽車現(xiàn)代懸架技術(shù)【教學(xué)目標(biāo)】

通過本章的學(xué)習(xí)，了解電控懸架的類型，熟悉電控懸架系統(tǒng)的基本組成，熟悉電控懸架系統(tǒng)的工作原理。上一頁下一頁

懸架是連接車架（承載式車身）和車橋（或車輪）之間的傳力連接裝置的總稱。懸架系統(tǒng)的主要功能有：(1)與輪胎一起，吸收和減緩汽車行駛中由于路面不平所造成的各種顫動，搖擺和振動，從而保證乘客和貨物的安全，并提高駕駛穩(wěn)定性；(2)將路面與車輪之間摩擦所產(chǎn)生的驅(qū)動力和制動力，傳遞到底盤和車身；(3)支承車身，并使車身與車輪之間保持適當(dāng)?shù)膸缀侮P(guān)系。上一頁下一頁

傳統(tǒng)懸架主要由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成（圖7.2）。其中彈簧、減振器和輪胎的綜合特性，決定了汽車的行駛性、操縱性和乘坐的舒適性。由于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)使用的是定剛度彈簧和定阻尼系數(shù)減振器，只能適應(yīng)特定的道路與行駛條件，無法滿足變化莫測的路面狀況和汽車行駛狀況，而且這種懸架只能被動地承受地面對車身的各種作用力，無法對各種情況進(jìn)行主動地調(diào)節(jié)、使操縱性和乘坐舒適性達(dá)到和諧。

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上一頁下一頁返回圖7.2汽車懸架系統(tǒng)電控懸架系統(tǒng)的基本功能(1)車高調(diào)整功能無論汽車的負(fù)載是多少，均能使車高保持一定。當(dāng)汽車在很差的道路上行駛時，可以使車高增加，加大離地間隙；當(dāng)汽車高速行駛時，又可以使車高降低，以便減小空氣阻力，提高操縱穩(wěn)定性。(2)衰減力控制功能作用是提高汽車的操縱穩(wěn)定性，在急轉(zhuǎn)彎、急加速和緊急制動的情況下，可以抑制汽車姿勢的變化。(3)彈簧彈性系數(shù)的控制功能利用控制彈簧彈性系數(shù)的辦法，控制汽車起步時的姿勢。按使用目的，本項(xiàng)功能分為運(yùn)動型(SPORT)和舒適型(TOURING)兩種。上一頁下一頁返回

電控懸架系統(tǒng)主要有半主動懸架和主動懸架

半主動懸架是指懸架元件中的彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)之一可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢愿鶕?jù)路面的激勵和車身的響應(yīng)對懸架的阻尼系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

全主動懸架簡稱主動懸架，它能自動調(diào)整懸架剛度和阻尼(包括整體調(diào)整和單輪調(diào)整)，此外，主動懸架還可根據(jù)車速的變化控制車身的高度。

另外，根據(jù)懸架介質(zhì)的不同，電控懸架系統(tǒng)又可分為油氣式主動懸架和空氣式主動懸架。7．1電控懸架系統(tǒng)的類型上一頁下一頁返回

各種獨(dú)立懸掛形式的應(yīng)用實(shí)例：雙橫臂式：如圖7.3所示。紅旗CA7560、依維柯等的前懸掛；它有兩個不等長的擺臂，當(dāng)車輛在不平路面行駛，車輪可以上下跳動、左右擺動旋轉(zhuǎn)。裝在橫梁與下臂間的螺旋彈簧與減振器，可支承車重并減緩沖擊載荷。此外，在左右輪下擺臂處，裝有穩(wěn)定桿；并且，有橡膠緩沖塊，裝在上下擺臂或車架。上一頁下一頁返回Flash圖7.3典型的雙橫臂式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)圖縱臂式：如圖7.4所示：單縱臂式富康、桑塔納、捷達(dá)、雷諾5型等轎車的后懸掛；縱臂式獨(dú)立懸架是指車輪在汽車縱向平面內(nèi)擺動的懸架結(jié)構(gòu)，又分為單縱臂式和雙縱臂式兩種形式。單縱臂式懸架當(dāng)車輪上下跳動時會使主銷后傾角產(chǎn)生較大的變化，因此單縱臂式懸架不用在轉(zhuǎn)向輪上。雙縱臂式懸架的兩個擺臂一般做成等長的，形成一個平行四桿結(jié)構(gòu)，這樣，當(dāng)車輪上下跳動時主銷的后傾角保持不變。雙縱臂式懸架多應(yīng)用在轉(zhuǎn)向輪上。上一頁下一頁返回圖7.4典型的縱臂式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)圖麥弗遜式（滑柱擺臂式）：捷達(dá)、桑塔納、高爾夫、奧迪100、紅旗7220等的前懸掛。這種懸架目前在轎車中采用很多。如圖7.5所示。麥弗遜式懸架將減振器作為引導(dǎo)車輪跳動的滑柱，螺旋彈簧與其裝于一體。這種懸架將雙橫臂上臂去掉并以橡膠做支承，允許滑柱上端作少許角位移。內(nèi)側(cè)空間大，有利于發(fā)動機(jī)布置，并降低車子的重心。車輪上下運(yùn)動時，主銷軸線的角度會有變化，上一頁下一頁返回圖7.5麥弗遜式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)示意圖單斜臂式：Sierra轎車、寶馬5系列轎車的后懸掛。這種懸架如圖7.6所示。這種懸架是單橫臂和單縱臂獨(dú)立懸架的折衷方案。其擺臂繞與汽車縱軸線具有一定交角的軸線擺動，選擇合適的交角可以滿足汽車操縱穩(wěn)定性要求。這種懸架適于做后懸架。上一頁下一頁返回圖7.6單斜臂式獨(dú)立懸架7.2電控懸架系統(tǒng)的基本組成

上一頁下一頁返回圖7.7電控懸架系統(tǒng)的組成1.電控懸架系統(tǒng)的傳感器

國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。汽車傳感器的主要作用是將汽車行駛的速度、起動、加速度、轉(zhuǎn)向、制動和路面狀況、汽車振動狀況、車身高度等信號輸送給電子控制模塊。這里我們主要介紹電控懸架中的幾種傳感器：1）車身高度傳感器

車身高度傳感器的作用是把車身與車橋之間的相對位置變化量轉(zhuǎn)化為電信號送給懸架ECU，然后通過有關(guān)執(zhí)行元件，隨時對車身高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持車身高度基本不隨載荷的變化而變化；還可以在汽車起步、轉(zhuǎn)向、制動以及前、后、左、右車輪載荷相應(yīng)發(fā)生變化時，隨時調(diào)整有關(guān)車輪懸架的剛度，以提高汽車抗俯仰、抗側(cè)傾的能力，從而保證良好的操縱穩(wěn)定性；也可以在汽車各輪載荷不同時，分別對各輪懸架的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持車身姿式基本不變。高度傳感器的數(shù)量與車上裝備的電控懸架系統(tǒng)的類型有關(guān)。圖7.8是車高傳感器的結(jié)構(gòu)圖。高度傳感器的一端與車架連接，另一端裝在懸架系統(tǒng)上（圖7.9）。上一頁下一頁返回

上一頁下一頁返回圖7.8車高傳感器結(jié)構(gòu)1—遮光器；2—圓盤；3—蓋；4—電纜；5—金屬封油環(huán)；6—?dú)んw；7—軸上一頁下一頁返回圖7.9車身高度傳感器的安裝位置2）方向盤轉(zhuǎn)角傳感器上一頁下一頁返回轉(zhuǎn)角傳感器裝于轉(zhuǎn)向軸管上，可向ECU提供汽車轉(zhuǎn)向速率、轉(zhuǎn)角大小及轉(zhuǎn)向方向信息，由ECU確定需調(diào)哪些車輪的懸架及調(diào)節(jié)量需要多大。圖7.10所示為該傳感器的安裝位置和構(gòu)造圖，圖7.11為其工作原理圖圖7.11光電式轉(zhuǎn)角傳感器其工作原理圖圖7.10光電式轉(zhuǎn)角傳感器安裝位置及構(gòu)造1、2轉(zhuǎn)角傳感器；；3—光電耦合器；4、7—遮光盤；5—轉(zhuǎn)向軸；6—圓盤上一頁下一頁返回3）車速傳感器懸架控制模塊可從車速傳感器，各種其他控制模塊或多路傳輸網(wǎng)絡(luò)接收車速信號輸入，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種控制功能。4）加速信號當(dāng)汽車啟動或突然加速時，動力傳動控制模塊（PCM）根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器信號或空氣流量信號生成加速信號，然后將加速信號提供給懸架控制模塊，懸架控制模塊控制執(zhí)行器使其轉(zhuǎn)換到硬阻尼狀態(tài)，以便減少汽車抬頭（后坐）。5）車門信號懸架控制模塊利用車門信號實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的某些功能，如在車門打開時防止排氣或保持目前行駛高度等。在車門關(guān)閉時，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。6）制動開關(guān)當(dāng)汽車制動時，制動開關(guān)給懸架控制模塊一個制動信號，懸架控制模塊收到制動信號后，控制執(zhí)行器將懸架由軟轉(zhuǎn)換到硬的狀態(tài)，以防止汽車點(diǎn)頭。7）懸架控制開關(guān)懸架控制開關(guān)包括懸架剛度和阻尼選擇(LRC)開關(guān)、車高控制開關(guān)和鎖止開關(guān)（高度控制ON/OFF開關(guān)），前兩個開關(guān)一般都裝在駕駛室內(nèi)變速器控制桿旁邊，鎖止開關(guān)一般裝在后備箱內(nèi)。上一頁下一頁返回2.電控懸架系統(tǒng)的電子控制模塊電子控制模塊（懸架ECU）接收各種傳感器的輸入信號并進(jìn)行各種計(jì)算，然后給執(zhí)行器輸出控制懸架的剛度，阻尼力和車身高度的信號。同時，懸架ECU還監(jiān)測各種傳感器的信號是否正常，若發(fā)現(xiàn)故障，則存儲故障碼和相關(guān)參數(shù)，并點(diǎn)亮故障指示燈。3.電控懸架系統(tǒng)的執(zhí)行元件通常所用的執(zhí)行元件是電磁閥、步進(jìn)電動機(jī)和氣泵電動機(jī)等。當(dāng)執(zhí)行元件接收懸架ECU的控制信號后，及時準(zhǔn)確地動作，從而按照要求調(diào)節(jié)懸架的剛度、阻尼力和車身高度。7.3電控懸架的工作原理1.半主動懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

半主動懸梁系統(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。半主動懸架的控制模型見圖7.15上一頁下一頁返回圖7.15半主動懸架控制模型圖1—控制器；2—整形放大電路；3—加速度傳感器；4—懸架質(zhì)量；5—阻尼可調(diào)減振器；6—懸架彈簧；7—非懸架質(zhì)量；8—輪胎的當(dāng)量質(zhì)量

在懸架控制單元中，事先設(shè)定了一個目標(biāo)控制參數(shù)

，它是以汽車行駛平順性最優(yōu)控制為目的設(shè)計(jì)的。汽車行駛時，安裝在車身上的加速度傳感器產(chǎn)生的車身振動加速度信號經(jīng)整形放大后輸入電腦，電腦立刻計(jì)算出當(dāng)前車身振動加速度的均方根值

，并與設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出控制信號：（1）如果是

，控制器不輸出調(diào)整懸架阻尼控制信號。（2）如果是

，控制器輸出增大懸架阻尼控制信號。（3）如果是

，控制器輸出減小懸架阻尼控制信號。圖7.16控制器的懸架阻尼控制過程圖7.17所示為一個由外部電磁鐵控制的減振器簡圖。

滿足舒適性要求時，可選擇較低阻尼級；汽車高速行駛時，可選擇較高阻尼級。高阻尼可提高汽車行駛安全性，但舒適性下降；低阻尼可降低系統(tǒng)自振頻率，減少對車身的沖擊，利于提高舒適性，但安全性下降。上一頁下一頁返回a)實(shí)物圖

b）結(jié)構(gòu)簡圖

圖7.17外部電磁鐵控制的減振器懸架阻尼的改變一般是通過控制步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動可調(diào)阻尼減振器中的有關(guān)部件，改變阻尼孔的大小實(shí)現(xiàn)的，可調(diào)阻尼減振器的原理見圖7.18。

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a）實(shí)物圖

b）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖圖7.18阻尼力可連續(xù)調(diào)節(jié)的半主動懸架系統(tǒng)1—節(jié)流孔；2—步進(jìn)電動機(jī)；3—ECU；4—閥桿；5—閥門

上一頁下一頁返回圖7.19所示的懸架阻尼調(diào)節(jié)裝置為三級可調(diào)式減振器。三級可調(diào)式減振器旁路控制閥調(diào)節(jié)電動機(jī)帶動控制桿使回轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動，便可通、斷油孔和控制油路截面積的變化，使控制閥具有小、中、大3個位置，產(chǎn)生3個阻尼值，以適應(yīng)不同的行駛條件。圖7.19

三級可調(diào)式減振器結(jié)構(gòu)1—阻尼調(diào)節(jié)桿；2—阻尼孔；3—活塞桿；4—回轉(zhuǎn)閥

上一頁下一頁返回根據(jù)電動機(jī)與電磁鐵的通電方式，可以形成3種阻尼，通電方式見表7-2表7-2電動機(jī)與電磁鐵的通電方式現(xiàn)在的角度驅(qū)動角度電動機(jī)電磁鐵正極負(fù)極—軟-+斷開—運(yùn)動+-斷開軟硬-+接通運(yùn)動硬+-接通2．主動懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理上一頁下一頁返回1）空氣彈簧主動懸架系統(tǒng)圖7.21是一種空氣式主動懸架的工作原理圖。在這個控制系統(tǒng)中，用到了5個基本行車工況和車身狀態(tài)傳感器：

（1）車身位移傳感器：安裝于車身與車橋之間，用來監(jiān)測車身與車橋的相對高度，其變化頻率和幅度反映了車身的振動。（2）節(jié)氣門開度傳感器：它通過監(jiān)測節(jié)氣門開度的變化向控制器提供汽車的加速度信息。（3）轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器：安裝于轉(zhuǎn)向柱上，通過監(jiān)測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角，向控制器提供汽車轉(zhuǎn)向的程度，包括轉(zhuǎn)向的快慢和大小。（4）車速傳感器：它實(shí)際上就是裝于車輪上的車輪轉(zhuǎn)速傳感器控制器可根據(jù)它輸入的脈沖信號和轉(zhuǎn)向信號，計(jì)算出車身的側(cè)傾程度。（5）制動燈開關(guān)：它送入控制器的是一個階躍信號，向控制器提供了汽車制動信息，控制器可據(jù)此產(chǎn)生抑制車身“點(diǎn)頭”的控制信號。

上一頁下一頁返回圖7.21電子控制空氣式懸架原理圖1—高度控制閥；2—空氣懸架；3—車身位移傳感器；4—干燥器；5—空氣泵；6—排氣閥

主動懸架按其控制功能，可分為車速與路面感應(yīng)控制、車身姿態(tài)控制和車身高度控制。（1）車速與路面感應(yīng)控制

車速路面感應(yīng)控制又可分為高速感應(yīng)控制、前后車輪相關(guān)控制和壞路面控制三種控制功能。（2）車身姿態(tài)控制 車身姿態(tài)控制是指在汽車車速突然改變及轉(zhuǎn)向等情況下，控制器對懸架的剛度和阻尼實(shí)施控制，以抑制車身的過度擺動，從而確保汽車乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。它包括轉(zhuǎn)向車身側(cè)傾控制、制動車身點(diǎn)頭控制和起步車身俯仰控制。（3）車身高度控制

車身高度控制是控制器在汽車行駛車速和路面變化時，控制器對懸架輸出控制信號，調(diào)整車身的高度，以確保汽車行駛的穩(wěn)定性和通過性。控制方式包括高速感應(yīng)控制和連續(xù)壞路面行駛控制

上一頁下一頁返回2）油氣彈簧主動懸架系統(tǒng)

油氣彈簧以氣體作為彈性介質(zhì)，而用油液作為傳力介質(zhì)，一般由氣體彈簧和相當(dāng)于液壓減壓振器的液壓缸組成。通過油液壓縮氣室中的空氣實(shí)現(xiàn)剛度特性，通過電磁閥控制油液管路中的小孔節(jié)流實(shí)現(xiàn)變阻尼特性。圖7.24為雪鐵龍XM轎車的主動式油氣彈簧懸架布置圖，該系統(tǒng)采用了5個基本行車狀態(tài)的傳感器上一頁下一頁返回

上一頁下一頁返回圖7.24雪鐵龍XM轎車的主動式油氣彈簧懸架系統(tǒng)1—ECU；2—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器；3—加速度傳感器；4—制動壓力傳感器；5—車速傳感器；6—車身位移傳感器；7—電磁閥；8—輔助壓力閥；9—剛度調(diào)節(jié)器；10—前油氣室；11—后油氣室

上一頁下一頁返回（a）系統(tǒng)處于“軟”狀態(tài)

（b）系統(tǒng)處于“硬”狀態(tài)圖7.25油氣主動懸架系統(tǒng)的工作原理1—ECU；2—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器；3—加速度傳感器；4—制動壓力傳感器；5—車速傳感器；6—車身位移傳感器；7—電磁閥；8—輔助壓力閥；9—剛度調(diào)節(jié)器；10—前油氣室；11—后油氣室

油氣主動懸架系統(tǒng)工作原理如圖7.25所示，電磁閥在ECU指令下向右移動，接通壓力油道，使輔助液壓閥的閥芯向左移動，中間的油氣室與主油氣室連通，使總的氣室容積增加，氣壓減小，從而剛度變小。a、b節(jié)流孔是阻尼器，在圖7.25(a)位置，系統(tǒng)處于“軟”狀態(tài)。在圖7.25(b)位置，電磁閥中無電流通過，在彈簧作用下，閥芯左移，關(guān)閉壓力油道，原來用于推動液壓閥的壓力油通過電磁閥的左邊油道泄出，輔助液壓閥閥芯右移，關(guān)閉剛度調(diào)節(jié)器，氣室總?cè)莘e減小，剛度增大，使系統(tǒng)處于“硬”狀態(tài)。

在正常行車狀態(tài)時，系統(tǒng)處于“軟”狀態(tài)，以提高乘坐舒適性；當(dāng)高速、轉(zhuǎn)向、起步和制動時，系統(tǒng)處于“硬”狀態(tài)，以提高汽車的操縱穩(wěn)定性。

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3）帶路況預(yù)測傳感器的主動懸架系統(tǒng)

圖7.26所示為帶路況預(yù)測傳感器的主動懸架系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個懸架彈簧和一個單向液壓執(zhí)行器，控制閥6通過油管8與單向液壓執(zhí)行器的油壓腔相通。油管上還接有一個支管8a，該支管與一個蓄能器11相連，蓄能器內(nèi)充有氣體，該氣體具有彈簧的作用。另外，支管中間還沒有一個主節(jié)流孔12，以限制蓄能器和油壓腔之間的油流，從而形成減振作用。在油管和蓄能器之間還設(shè)有一個旁通管路8b，該旁路上帶有一個選擇閥10和一個副節(jié)流孔9，副節(jié)流孔的直徑大于主節(jié)流孔的直徑。當(dāng)選擇閥打開時，油流通過選擇閥的副節(jié)流孔，在蓄能器和油壓腔之間流動，從而減小振動阻尼。因此，懸架系統(tǒng)在選擇閥的作用下，具有兩種不同的阻尼參數(shù)。上一頁下一頁第三章電容式傳感器返回上一頁下一頁返回圖7.26帶路況預(yù)測傳感器的主動懸架系統(tǒng)1—油箱；2—油泵；3—濾清器；4—單向閥；5—蓄能器；6—控制閥；7—回油閥；8—油管8a、8b支管；9—副節(jié)流孔；10—選擇閥；11—蓄能器；12—主節(jié)流孔；13—油壓腔；14—液壓執(zhí)行器；15—車輪；16—懸架彈簧

路況預(yù)測傳感器的設(shè)置情況如圖7.27所示。該傳感器通常為超聲波傳感器，頻率為40kHz左右。它安裝在車身的前面，以便對其下方的路面狀況進(jìn)行檢測。

在汽車正常行駛時，選擇閥關(guān)閉，液壓執(zhí)行器的油壓腔通過主節(jié)流孔與蓄能器相通，它可以吸收并降低因路面不平面引起的微小振動。當(dāng)路況預(yù)測傳感器發(fā)現(xiàn)路面上有將引起振動的凸起物時，ECU使控制選擇閥打開，并將懸架系統(tǒng)的阻尼系數(shù)減小到一特定值。上一頁下一頁返回圖7.27路況預(yù)測傳感器的位置