汽車修理技能知識(shí)：電子控制懸架的結(jié)構(gòu)及控制原理
一、電子控制半主動(dòng)懸架系統(tǒng)
半主動(dòng)懸架系統(tǒng)是以減振器的阻尼系數(shù)為控制對(duì)象的懸架系統(tǒng)，其控制原理如圖3-3-2所示。
在半主動(dòng)懸架的ECU中，事先設(shè)定了一個(gè)以汽車行駛平順性最優(yōu)化控制為目標(biāo)的控制參數(shù)σ。汽車行駛時(shí)，安裝在車身上的車身傳感器將車身振動(dòng)情況轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，并輸人ECU。ECU立刻計(jì)算當(dāng)前車身振動(dòng)加速度的參考值a:,并與設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。如果σ=a₁,ECU不輸出調(diào)整懸架阻尼控制信號(hào)，減振器保持原阻尼；如果σ>ar,ECU則輸出增大懸架阻尼信號(hào)；如果>σ,ECU則輸出減小懸架阻尼信號(hào)。
1.三級(jí)可調(diào)式減振器
三級(jí)可調(diào)式減振器裝在空氣彈簧下面，與空氣彈簧一起構(gòu)成懸架支柱，上端與車架連接，下端裝在懸架擺臂上。
可調(diào)式減振器減振阻尼的改變是由流過(guò)活塞節(jié)流孔油量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而油量的變化是靠改變活塞節(jié)流孔的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。與控制桿連成一體的轉(zhuǎn)閥上有兩組節(jié)流孔，活塞桿上也有兩個(gè)節(jié)流孔。懸架控制執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)控制桿，使轉(zhuǎn)閥在活塞桿內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而打開(kāi)或關(guān)閉這些節(jié)流孔，使通過(guò)這些節(jié)流孔的油液量發(fā)生變化，以此來(lái)控制減振器的減振阻尼。
節(jié)流孔A和B開(kāi)合的不同組合、可得到減振器減振阻尼力的3級(jí)變化�？烧{(diào)式減振器減振阻胞力變處狀態(tài)如下：
1)減振阻尼力為“軟”。
節(jié)流孔A和B均打開(kāi)、減振器油液流動(dòng)。
2)減振阻尼力為“中”。
節(jié)流孔A關(guān)閉，節(jié)流孔B打開(kāi)，減振器油液流動(dòng)。
3)減振阻尼力為“硬”。
節(jié)流孔A和B均關(guān)閉，減振器油液流動(dòng)如圖3-3-7所示。
執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)如圖3-3-8所示，它裝在減振器的上部，可以根據(jù)需要帶動(dòng)減振器中轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，改變減振器阻尼力的大小，為適應(yīng)汽車運(yùn)行時(shí)工況頻繁的變化，保證準(zhǔn)確快速控制，減小驅(qū)動(dòng)電流和部件質(zhì)量，執(zhí)行器采用了直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和電磁制動(dòng)開(kāi)關(guān)。
直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3,帶動(dòng)小齒輪4,驅(qū)動(dòng)扇形齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，與扇形齒輪5同軸的控制桿1帶動(dòng)減振器內(nèi)的轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，使阻尼孔開(kāi)閉的數(shù)量變化，從而達(dá)到了調(diào)節(jié)減振器阻尼的變化。
2.壓電式減振器
圖3-3-9是壓電式減振器的結(jié)構(gòu)
壓電式減振器主要由壓電傳感器、壓電執(zhí)行器和阻尼力變換閥3部分組成。壓電傳感器和壓電執(zhí)行器所用的壓電元件是一個(gè)壓電陶瓷元件，其主要成分是錯(cuò)、錯(cuò)和鈦。壓電元件都是利用壓電效應(yīng)的原理進(jìn)行工作的。
當(dāng)在壓電元件上施加外力時(shí)，壓電元件將產(chǎn)生電壓，這一現(xiàn)象稱為壓電正效應(yīng)；而給壓電元件施加電壓時(shí)，則壓電元件將產(chǎn)生移位，這一現(xiàn)象稱為壓電負(fù)效應(yīng)。
壓電傳感器是根據(jù)壓電正效應(yīng)進(jìn)行工作的。當(dāng)由顛簸路面而引起的沖擊力作用在減振器支撐桿上時(shí)，由于壓電正效應(yīng)的作用，在壓電傳感器上大約2μs的短時(shí)間內(nèi)就可產(chǎn)生電壓信號(hào)。懸架電子控制器ECU接收到壓電傳感器的電壓信號(hào)后，立即對(duì)壓電執(zhí)行器施加電壓。
圖3-3-11為壓電執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。由88個(gè)壓電元件所組成的壓電執(zhí)行器根據(jù)電子控制器ECU發(fā)出的指令被施加電壓后，由于壓電負(fù)效應(yīng)的作用，在約5ms的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生50μm左右的移位，此移位經(jīng)活塞和推桿所放大后，使阻尼力變換閥動(dòng)作。壓電式減振器從出現(xiàn)顛簸信號(hào)到阻尼力變換閥動(dòng)作僅需要幾毫秒的時(shí)間。因此這種減振器阻尼力電子控制系統(tǒng)具有很高的響應(yīng)能力。
3.阻尼力連續(xù)可調(diào)的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)
圖3-3-12為一種阻尼力連續(xù)可調(diào)的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖。該裝置的阻尼力能在幾毫秒內(nèi)由最小變到最大。電子懸架系統(tǒng)控制器ECU根據(jù)從傳感器接收的速度、位移、加速度等信號(hào)，計(jì)算出相應(yīng)的要調(diào)節(jié)的阻尼值，向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)閥桿調(diào)節(jié)閥門(mén)，使節(jié)流孔阻尼連續(xù)變化。
二、電子控制主動(dòng)式懸架系統(tǒng)
1.主動(dòng)懸架電子控制系統(tǒng)基本組成
不同類型、不同車型上使用的主動(dòng)懸架電子控制系統(tǒng)的組成部件會(huì)有一些差別。
2.主動(dòng)式懸架系統(tǒng)的控制原理
懸架ECU根據(jù)各傳感器器輸入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算分析后輸出控制信號(hào)，控制各執(zhí)行器動(dòng)作，及時(shí)調(diào)整懸架的剛度、阻尼及車身的高度，以確保汽車行駛過(guò)程中的操縱穩(wěn)定性和平順性。懸架ECU按照駕駛員通過(guò)模式選擇開(kāi)關(guān)選定的“軟”模式或“硬”模式進(jìn)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(hào)自動(dòng)選定一種模式進(jìn)行控制。
主動(dòng)懸架電子控制系統(tǒng)按其控制功能，可分為車速路面感應(yīng)控制、車身姿勢(shì)控制、車身高度控制等，其控制原理如下
1)利用彈簧剛度/減振器阻尼力進(jìn)行控制
(1)抗“點(diǎn)頭”:在車速高于60km/h時(shí)緊急制動(dòng)，電子控制器ECU通過(guò)執(zhí)行器使彈簧剛度和減振器阻尼力調(diào)到高(硬)值，而不管駕駛員選擇了何種控制狀態(tài)，以抵抗車身前部的下沖。
(2)抗側(cè)傾：由裝于轉(zhuǎn)向軸的光電式轉(zhuǎn)向傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)的操作狀況。在急轉(zhuǎn)彎時(shí)，電子控制器ECU通過(guò)執(zhí)行器使彈簧剛度和減振器阻尼力轉(zhuǎn)換到高(硬)值，以抵抗車身側(cè)傾。
(3)抗后坐：通過(guò)傳感器檢測(cè)加速踏板移動(dòng)速度和位移量。當(dāng)車速低于20km/h且加速度比較大時(shí)(急起步加速),電子控制器ECU通過(guò)執(zhí)行器將彈簧剛度和減振器阻尼力調(diào)到高值，從而抵抗汽車起步時(shí)車身后坐。如果此時(shí)駕駛員選擇了“常規(guī)值自動(dòng)控制”狀態(tài)，則彈簧剛度和減振器阻尼力由軟調(diào)至硬；如果此時(shí)駕駛員選擇了“高速行駛自動(dòng)控制”狀態(tài)，則剛度和阻尼力由中調(diào)至硬。
(4)前、后關(guān)聯(lián)控制：車速在30～80km/h范圍內(nèi)時(shí)，若前輪車身高度傳感器檢測(cè)出路面有小凸起(例如前輪通過(guò)混凝土路面接縫等)則在后輪越過(guò)該凸起之前，系統(tǒng)將使彈簧剛度和減振器阻尼力調(diào)至低值，從而提高汽車乘坐舒適性。此時(shí)，即使駕駛員選擇了高速行駛控制模式(剛度和阻尼力為中間值),系統(tǒng)仍將剛度和阻尼力調(diào)至低(軟)值。為了不影響高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性，此動(dòng)作在車速為80km/h以下才發(fā)生。
(5)高速感應(yīng)：當(dāng)車速大于110km/h時(shí)，電子控制器ECU將使彈簧剛度和減振器阻尼力調(diào)至中間值，從而提高高速行駛時(shí)操縱穩(wěn)定性。即使駕駛員選擇了“常規(guī)值自動(dòng)控制”狀態(tài)(剛度和阻尼處于低、軟值),系統(tǒng)也將剛度和阻尼力調(diào)至中間值。
(6)壞路、俯仰、振動(dòng)感應(yīng)：車速在40～100km/h范圍內(nèi)時(shí)，當(dāng)前輪車身高度傳感器檢測(cè)出路面有較大凸起時(shí)(例如汽車通過(guò)損壞的鋪砌路面等)電子控制器ECU將彈簧剛度和減振器阻尼力調(diào)至中間值，以抑制車體的前后顛簸、振動(dòng)等大動(dòng)作，從而提高汽車的乘坐舒適性和通過(guò)性，而不管駕駛員選擇了何種控制模式。車速高于100km/h時(shí)，系統(tǒng)將使剛度和阻尼力調(diào)至高(硬)值。
(7)良好路面正常行駛：彈簧剛度和減振器阻尼力由駕駛員選擇，“常規(guī)值自動(dòng)控制”模式時(shí)，剛度和阻尼力處于低(軟)值；“高速行駛時(shí)自動(dòng)控制”模式，則剛度和阻尼力為中間值。
2)車身高度控制
懸架電子控制器ECU接收左右前輪和左后輪3個(gè)車身高度傳感器發(fā)出車身高度信號(hào)，經(jīng)電子控制器ECU處理后，向執(zhí)行器發(fā)出指令，對(duì)車身高度進(jìn)行調(diào)整。
(1)高速感應(yīng)：當(dāng)車速高于90km/h時(shí)，將車身高度降低一級(jí)，以減小風(fēng)阻，提高行駛穩(wěn)定性。如果駕駛員選擇了“常規(guī)值自動(dòng)控制”模式，則車身高度值由中間值(標(biāo)準(zhǔn)值)調(diào)至低值；如果駕駛員選擇了“高值自動(dòng)控制”模式，則車高由高值調(diào)至中間值(標(biāo)準(zhǔn)值)。在車速為60km/h時(shí)，車高恢復(fù)原狀。
(2)連續(xù)壞路面感應(yīng)：汽車在壞路面上連續(xù)行駛，車高信號(hào)持續(xù)2.5s以上有較大變動(dòng)，且超過(guò)規(guī)定值時(shí)，將車身高度升高一級(jí)，使來(lái)自路面的突然抬起感減弱，并提高汽車的通過(guò)性能。
汽車在連續(xù)壞路行駛且車速大于40km/h小于90km/h時(shí)，不論駕駛員選擇了何種控制模式，懸架控制系統(tǒng)都將車身高度調(diào)至高值，以減小路面不平感，確保足夠的離地間隙，提高乘坐舒適性。
若行駛車速小于40km/h時(shí)，車身高度則完全由駕駛員選擇，選擇“常規(guī)值自動(dòng)控制”時(shí)，車身高度為中間值(標(biāo)準(zhǔn)值),選擇“高值自動(dòng)控制”時(shí)，車身高度為高值。
在連續(xù)壞路面上，行駛車速高于90km/h時(shí)，不管駕駛員選擇了何種控制模式，車身高度都將調(diào)至中間值，這樣做是為了避免車身過(guò)高對(duì)高速行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。
另外，還具有駐車時(shí)車高控制功能。當(dāng)汽車處于駐車狀態(tài)時(shí)，為了使車身外觀平衡，保持良好的駐車姿勢(shì)，在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電子控制器ECU即發(fā)出指令，使車身高度處于常規(guī)模式的低控制模式。
三、電子控制主動(dòng)式懸架系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)及原理
1.空氣懸架剛度調(diào)節(jié)裝置
1)空氣懸架系統(tǒng)的構(gòu)造
空氣懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-3-15所示，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。空氣彈簧主、副氣室設(shè)計(jì)為一體，使結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，隨著汽車運(yùn)行時(shí)車輪與車身相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使主氣室的容積不斷變化，主副氣室之間通過(guò)一個(gè)通路可使氣體相互流動(dòng)。通過(guò)改變這一通路的流通能力(流通截面大小),可使主氣室內(nèi)被壓縮空氣的壓力發(fā)生變化，也就改變了空氣彈簧的剛度。下部減振器中阻尼系數(shù)的改變方式與半主動(dòng)懸架相同。
2)懸架剛度調(diào)節(jié)原理
主副氣室之間由連通閥相連，連通閥由懸架控制執(zhí)行器通過(guò)連通閥控制桿來(lái)控制，以連通或關(guān)閉主、副氣室之間的空氣通道，使空氣彈簧的有效工作容積改變，從而使空氣彈簧的剛度發(fā)生變化，如圖3-3-16所示。此外，主氣室也是一個(gè)變?nèi)菔�，其下部有卷�?dòng)膜片，通過(guò)增減主氣室內(nèi)的壓縮空氣量，就可調(diào)節(jié)汽車高度。
當(dāng)連通閥轉(zhuǎn)到如圖3-3-18所示的位置時(shí)，主、副氣室的氣體通道被打開(kāi)，主氣室的氣體經(jīng)連通閥的中間孔與副氣室的氣體相通，相當(dāng)于空氣彈簧的工作容積增大，空氣彈簧的剛度變“軟”。
當(dāng)連通閥轉(zhuǎn)到如圖3-3-19所示的位置時(shí)，主、副氣室的氣體通道被關(guān)閉，主、副氣室之間的氣體不能相互流動(dòng)，此時(shí)的空氣彈簧只有主氣室的氣體參加工作，空氣彈簧的剛度變“硬”。
3)懸架控制執(zhí)行器
懸架控制執(zhí)行器
懸架控制執(zhí)行器裝在各空氣彈簧和可調(diào)減振器的上方。執(zhí)行器同時(shí)驅(qū)動(dòng)減振器的轉(zhuǎn)閥和空氣彈簧的連通閥，以改變減振器的減振阻尼和空氣彈簧的剛度。
(1)電磁閥式懸架控制執(zhí)行器
執(zhí)行器由電磁力驅(qū)動(dòng)，能夠精確地對(duì)頻繁變化的行駛工況作出快速響應(yīng)。電磁閥由4個(gè)定子繞組(鐵芯和線圈)和永久磁鐵轉(zhuǎn)子組成，如圖3-3-21所示。電流流到定子繞組的線圈時(shí)，在定子鐵芯中產(chǎn)生電磁力。流到兩個(gè)定子線圈的電流由懸架ECU控制。懸架ECU通過(guò)控制定子線圈電流的流向，改變定子鐵芯的極性。永久磁鐵轉(zhuǎn)子由定子線圈產(chǎn)生的磁力驅(qū)動(dòng)。永久磁鐵轉(zhuǎn)子與空氣彈簧的連通閥控制桿連成一個(gè)整體，并通過(guò)一對(duì)齒輪與減振器的轉(zhuǎn)閥控制桿聯(lián)動(dòng)，將懸架剛度調(diào)節(jié)到“軟”或“中”轉(zhuǎn)至“硬”等三3種狀態(tài)。
(2)步進(jìn)電機(jī)式懸架控制執(zhí)行器。
這種執(zhí)行器由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。與上述3步式的電磁閥相比，可獲得更快速的響應(yīng)和更精確的控制，因此汽車在不平路面行駛時(shí)可獲得更佳的懸架控制效果。
為了適應(yīng)頻繁變化的工況，并保證精確的定位，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力采用了直流步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪驅(qū)動(dòng)扇形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與扇形齒輪同軸的阻尼調(diào)節(jié)桿帶動(dòng)回轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，使阻尼孔開(kāi)閉的數(shù)量變化，從而調(diào)節(jié)減振器的阻尼。
在調(diào)節(jié)阻尼的同時(shí)，齒輪系帶動(dòng)與氣室閥芯相連接的剛度調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著氣室閥芯角度的改變，懸架的剛度也得以調(diào)節(jié)。
電磁線圈控制的電磁制動(dòng)開(kāi)關(guān)松開(kāi)時(shí)，制動(dòng)桿處于扇形齒輪的滑槽內(nèi)，扇形齒輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)；電磁制動(dòng)開(kāi)關(guān)吸合時(shí)，制動(dòng)桿往回拉，齒輪系處于鎖住狀態(tài)，各轉(zhuǎn)閥均不能轉(zhuǎn)動(dòng)，使懸架的參數(shù)保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。
為另一種結(jié)構(gòu)形式的空氣懸架結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是主氣室與副氣室為分開(kāi)式結(jié)構(gòu)，中間由連接管相通。主、副氣室的氣體通路仍由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)氣閥體來(lái)控制。
為步進(jìn)電機(jī)在3個(gè)不同位置時(shí)，懸架剛度的變化情況。
所示氣閥體的大通氣孔與副氣室相通，主、副兩氣室之間的氣體流量增大，懸架剛度處于低狀態(tài)。
所示氣閥體的小通氣孔與副氣室相通，主、副氣室間氣體流通有阻尼存在，所以懸架剛度處于中狀態(tài)。
所示氣閥體完全關(guān)閉，只有主氣室參加工作，所以懸架剛度處于高狀態(tài)。
2.車身高度控制裝置
車身高度控制裝置是指車身的高度可根據(jù)汽車內(nèi)乘坐人員或車輛載重情況自動(dòng)作出調(diào)整，以保持汽車行駛所需要的高度及汽車行駛姿態(tài)的穩(wěn)定。車身高度控制有兩種類型，一種是對(duì)汽車全部4個(gè)車輪懸架系統(tǒng)進(jìn)行高度控制；另一類型是僅對(duì)兩個(gè)后輪的懸架系統(tǒng)進(jìn)行高度控制。下面主要介紹四輪控制系統(tǒng)的組成、原理及主要部件的結(jié)構(gòu)，
圖3-3-25為空氣懸架的車身高度控制系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、排氣閥、干燥器、進(jìn)氣閥、儲(chǔ)氣罐、調(diào)壓閥、電磁閥、高度傳感器、氣室及控制單元等組成。
懸架電子控制器ECU根據(jù)車高傳感器信號(hào)的變化和駕駛員給的控制模式(常規(guī)正常模式或高模式)指令，給控制車身高度的電磁閥發(fā)出指令。當(dāng)車身需要升高時(shí)，電磁閥動(dòng)作，壓縮空氣進(jìn)入空氣懸架的主氣室，主氣室的充氣量增加，車身上升。如果電磁閥不動(dòng)作，則懸架主氣室的氣量保持不變，車身維持在一定的高度。如果乘客增加而使車身高度降低時(shí)，車高傳感器輸出的車高信號(hào)將與電子控制器ECU存貯的車高信息不符，電子控制器ECU就會(huì)發(fā)出指令，電磁閥通電打開(kāi)，給懸架主氣室充氣，直到車身高度達(dá)到規(guī)定的高度為止。當(dāng)車身需要下降時(shí)，電子控制器ECU使空氣壓縮機(jī)停止工作、電磁閥通電打開(kāi)，同時(shí)排氣閥也通電打開(kāi)，懸架主氣室的氣體通過(guò)電磁閥、空氣管路、干燥器、排氣閥而排出，車身下降。
干燥器的封閉容器內(nèi)裝有硅膠，在壓縮空氣經(jīng)干燥器送至儲(chǔ)氣罐時(shí)，硅膠將壓縮空氣中的水分吸出。在排氣閥打開(kāi)，壓縮空氣經(jīng)排氣閥從系統(tǒng)中排出時(shí)，通過(guò)抽氣噴嘴從干燥器內(nèi)將吸出的潮濕氣霧排出。
