主動(dòng)懸掛
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主動(dòng)懸掛
一、概 述
（一）汽車懸掛系統(tǒng)的作用及組成
懸掛是車身與車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱。它的作用是把路面作用于車輪上的垂直反力（支承力）、縱向反力（牽引力和制動(dòng)力）和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩都傳遞到車身上，以保證汽車的正常行駛。
汽車懸掛盡管有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但一般都是由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成（圖 1）。 由于汽車行駛的路面不可能絕對(duì)平坦，路面作用于車輪上的垂直反力往往是沖擊性的，特別是在壞路面上高速行駛時(shí)，這種沖擊力將達(dá)到很大的數(shù)值。沖擊力傳到車身時(shí)，可能引起汽車機(jī)件的早期損壞；傳給乘員和貨物時(shí)，將使乘員感到極不舒適，貨物也可能受到損傷。為了緩和沖擊，在汽車行駛系中，除了采用彈性的充氣輪胎之外，在懸掛中還必須裝有彈性元件，使車身與車輪之間作彈性聯(lián)系。但彈性系統(tǒng)在受到?jīng)_擊后，將產(chǎn)生振動(dòng)。持續(xù)的振動(dòng)易使乘員感到不舒適和疲勞。故懸掛系統(tǒng)還應(yīng)具有減振作用，以使振動(dòng)迅速衰減，振幅迅速減小。為此，在許多形式的懸掛系統(tǒng)中都設(shè)有專門的減振器。
車輪相對(duì)于車身跳動(dòng)時(shí)，車輪（特別是轉(zhuǎn)向輪）的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)符合一定的要求，否則就會(huì)影響汽車的操縱穩(wěn)定性，因此，懸掛系統(tǒng)中還應(yīng)具有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（如圖 1中的橫、縱向推力桿），以使車輪按一定的軌跡相對(duì)于車身跳動(dòng)。
由此可見，上述這三個(gè)組成部分分別起緩沖、減振和導(dǎo)向的作用，然而三者共同的任務(wù)則是傳力。在多數(shù)的轎車和客車上，為防止車身在轉(zhuǎn)向等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸掛系統(tǒng)中還設(shè)有輔助彈性元件--橫向穩(wěn)定器。
應(yīng)當(dāng)指出，懸掛系統(tǒng)只要求具備上述各個(gè)功能，在結(jié)構(gòu)上并非一定要設(shè)置上述這些單獨(dú)的裝置不可。例如常見的鋼板彈簧，除了作為彈性元件起緩沖作用外，當(dāng)它在汽車上縱向安置，并且一端與車架作固定鉸鏈連接時(shí)，就可擔(dān)負(fù)起決定車輪運(yùn)動(dòng)軌跡的任務(wù)，因而就沒有必要再設(shè)置其它導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。此外，一般鋼板彈簧是多片疊成的，它本身即具有一定的減振能力，因而對(duì)減振要求不高時(shí)，在采用鋼板彈簧作為彈性元件的懸掛系統(tǒng)中，就可以不裝減振器（例如，一般中型貨車的后懸掛和重型貨車懸掛中都不裝減振器）。
（二）對(duì)汽車懸掛系統(tǒng)的要求
汽車懸掛系統(tǒng)對(duì)汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性都有較大的影響。所謂行駛平順性是指汽車在行駛過程中，保持駕駛員和乘員處于振動(dòng)環(huán)境中具有一定的舒適度，或保持所載物資完好的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性則包括兩方面的含義：一是汽車是否具有正確遵守駕駛員操縱轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所給規(guī)定方向行駛的能力，即所謂的操縱性；二是汽車在外界條件（如地面不平、坡道、大風(fēng)等）干擾下，能否保持原方向行駛的能力，即所謂的穩(wěn)定性。在懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能做到既能使行駛平順性（即乘坐舒適性）達(dá)到令人滿意的程度，又能使其操縱穩(wěn)定性（即行駛安全性）也達(dá)到最佳的狀態(tài)。然而，這兩個(gè)要求在懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中往往是矛盾的。
平順性和操縱穩(wěn)定性對(duì)汽車懸掛系統(tǒng)這一互為矛盾的要求，在傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾乎無法同時(shí)滿足。即使經(jīng)過慎重的權(quán)衡，通過最優(yōu)控制理論使懸掛系統(tǒng)在平順性和操縱穩(wěn)定性之間尋求一個(gè)折衷的方案，而這種最優(yōu)的折衷也只能是在特定的道路狀態(tài)和速度下達(dá)到。
為了克服傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)對(duì)其性能改善的限制，在現(xiàn)代汽車中采用和發(fā)展了新型的電子控制懸掛系統(tǒng)。電子控制懸掛系統(tǒng)可以根據(jù)不同的路面條件，不同的載重質(zhì)量，不同的行駛速度等，來控制懸掛系統(tǒng)的剛度、調(diào)節(jié)減振器的阻尼力大小，甚至可以調(diào)整車身高度，從而使車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性在各種行駛條件下達(dá)到最佳的組合。
（三）汽車懸掛的分類及性能
懸掛的結(jié)構(gòu)形式很多，分類方法也不盡相同。若按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式來分可分為獨(dú)立懸掛和非獨(dú)立懸掛兩大類。如果從控制力的角度來分，則可把懸掛分為被動(dòng)懸掛、半主動(dòng)懸掛和主動(dòng)懸掛三大類。
1、被動(dòng)懸掛
一般的汽車絕大多數(shù)裝有由彈簧和減振器組成的機(jī)械式懸掛。由于這種常規(guī)懸掛系統(tǒng)內(nèi)無能源供給裝置，懸掛的彈性和阻尼參數(shù)不會(huì)隨外部狀態(tài)而變化，因而稱這種懸掛為被動(dòng)懸掛。這種懸掛雖然往往采用參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，以求盡量兼顧各種性能要求，但在實(shí)際上由于最終設(shè)計(jì)的懸掛參數(shù)是不可調(diào)節(jié)的，所以在使用中很難滿足高的行駛要求。
2.半主動(dòng)懸掛
半主動(dòng)懸掛可視為由可變特性的彈簧和減振器組成的懸掛系統(tǒng)，雖然它不能隨外界的輸入進(jìn)行最優(yōu)控制和調(diào)節(jié)，但它可按存貯在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各種條件下彈簧和減振器的優(yōu)化參數(shù)指令來調(diào)節(jié)彈簧的剛度和減振器的阻尼狀態(tài)。半主動(dòng)懸掛又稱無源主動(dòng)懸掛，因?yàn)樗鼪]有一個(gè)動(dòng)力源為懸掛系統(tǒng)提供連續(xù)的能量輸入，所以在半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)中改變彈簧剛度要比改變阻尼狀態(tài)困難得多，因此在半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)中以可變阻尼懸掛系統(tǒng)最為常見。半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是工作時(shí)幾乎不消耗動(dòng)力，因此越來越受到人們的重視。
3.主動(dòng)懸掛
主動(dòng)懸掛是一種具有作功能力的懸掛，通常包括產(chǎn)生力和扭矩的主動(dòng)作用器（油缸、汽缸、伺服電機(jī)、電磁鐵等）、測量元件（如加速度、位移和力傳感器等）和反饋控制器等。因此，主動(dòng)懸掛需要一個(gè)動(dòng)力源（液壓泵或空氣壓縮機(jī)等）為懸掛系統(tǒng)提供連續(xù)的動(dòng)力輸入。當(dāng)汽車載荷、行駛速度、路面狀況等行駛條件發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整懸掛剛度（包括整體調(diào)整和各輪單獨(dú)調(diào)整），從而同時(shí)滿足汽車的行駛平順性，操縱穩(wěn)定性等各方面的要求，其優(yōu)點(diǎn)可歸納為如下幾個(gè)方面：
（1）懸掛剛度可以設(shè)計(jì)得很小，使車身具有較低的自然振動(dòng)頻率，以保證正常行駛時(shí)的乘坐舒適性。汽車轉(zhuǎn)向等情況下的車身側(cè)傾，制動(dòng)、加速等情況下的縱向擺動(dòng)等問題，由主動(dòng)懸掛系統(tǒng)通過調(diào)整有關(guān)車輪懸掛的剛度予以解決。而對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)，為同時(shí)兼顧到側(cè)傾、縱擺等問題，不得不把懸掛剛度設(shè)計(jì)得較大，因而正常行駛時(shí)汽車的乘坐舒適性受到損失。
（2）采用主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，因不必兼顧正常行駛時(shí)汽車的乘坐舒適性，可將汽車懸掛抗側(cè)傾、抗縱擺的剛度設(shè)計(jì)得較大，因而提高了汽車的操縱穩(wěn)定性，即汽車的行駛安全性得以提高。
（3）先進(jìn)的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，還能保證在車輪行駛中碰抵磚石之類的障礙物時(shí)，懸掛系統(tǒng)在瞬時(shí)將車輪提起，避開障礙行進(jìn)，因而汽車的通過性也得以提高。
（4）汽車載荷發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)能自動(dòng)維持車身高度不變。在各輪懸掛單獨(dú)控制的情況下，還能保證汽車在凸凹不平的道路上行駛時(shí)，車身穩(wěn)定。
（5）普通懸掛在汽車制動(dòng)時(shí)，車頭向下俯沖。而裝有某些主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的汽車（如沃爾沃740型小轎車）卻不存在這種情況。制動(dòng)時(shí)，該車尾部下傾，因而可以充分利用后輪與地面間的附著條件，加速制動(dòng)過程，縮短制動(dòng)距離。
（6）裝有某些主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，車身不但不向外傾斜，反而向內(nèi)傾斜，從而有利于轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱穩(wěn)定性。
（7）主動(dòng)懸掛可使車輪與地面保持良好接觸，即車輪跳離地面的傾向減小，保持與地面垂直，因而可提高車輪與地面間的附著力，使車輪與地面間相對(duì)滑動(dòng)的傾向減小，汽車抗側(cè)滑的能力得以提高。輪胎的磨損也得以減輕，轉(zhuǎn)向時(shí)車速可以提高。
（8）在所有載荷工況下，由于車身高度不變，保證了車輪可全行程跳動(dòng)。而傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)中，當(dāng)汽車載荷增大時(shí)，由于車身高度的下降，車輪跳動(dòng)行程減少，為不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，不得不把重載時(shí)的懸掛剛度設(shè)計(jì)得偏高，因而輕載時(shí)的平順性受到損失。而主動(dòng)懸掛系統(tǒng)則無此問題。
（9）由于車身高度不變，側(cè)傾剛度、縱擺剛度的提高，消除或減少了轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉而發(fā)生的制動(dòng)跑偏、轉(zhuǎn)向特性改變等問題，因而可簡化轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
（10）因車身平穩(wěn)，不必裝大燈水平自調(diào)裝置。
主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的主要缺陷是成本較高，液壓裝置噪音較大，功率消耗較大。
（四）電子控制懸掛系統(tǒng)
主動(dòng)懸掛和半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)按其控制方式又可分為機(jī)械控制懸掛系統(tǒng)和電子控制懸掛系統(tǒng)。
圖 2為最早在英國倫敦的公共汽車上首先采用的一種主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，這是一種純機(jī)械式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中有四個(gè)油氣彈簧和高度控制閥，油泵和貯壓器可使供油管路中維持穩(wěn)定的高壓，四個(gè)高度控制閥則分別控制四個(gè)油氣彈簧中的油壓，從而控制了四個(gè)油氣彈簧的剛度。汽車載荷增大時(shí)，高度控制閥動(dòng)作，油氣彈簧中油壓上升，反之則油壓下降，直至車身高度達(dá)到設(shè)定值為止。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，外側(cè)兩個(gè)高度控制閥增大兩個(gè)外側(cè)油氣彈簧的油壓，內(nèi)側(cè)兩個(gè)油氣彈簧油壓則下降，從而維持車身水平，即提高了車身抗側(cè)傾能力。制動(dòng)（或加速）時(shí)，則前面兩個(gè)（或后面兩個(gè)）高度控制閥使前面兩個(gè)（或后面兩個(gè)）油氣彈簧中的油壓上升，另外兩個(gè)油氣彈簧中的油壓下降，維持車身水平，即提高了車身的抗縱擺能力。
為了保證車輪正常跳動(dòng)時(shí)防止高度控制閥誤動(dòng)作，在高度控制閥與車輪擺臂的連接傳感元件中裝有緩沖減振裝置（圖中未畫出）。該緩沖減振裝置的振動(dòng)特性必須與車輪懸掛的振動(dòng)特性良好匹配才能保證系統(tǒng)正常工作。這一點(diǎn)完全靠機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)來保證。
圖 3為法國某些雪鐵龍汽車上采用的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)（由英國開發(fā)）。也是一種純機(jī)械控制系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是：前橋采用了兩個(gè)高度控制閥，兩個(gè)油氣彈簧；后橋采用了一個(gè)高度控制閥，一個(gè)油氣彈簧。兩個(gè)前油氣彈簧的液壓缸分別于對(duì)角線處的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的后液力滑柱的下腔相通，兩個(gè)后液力滑柱的上腔均與后油氣彈簧的液壓腔相通。主液壓管路中的液壓由油泵和貯壓器維持。
機(jī)械控制懸掛系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是機(jī)械控制懸掛系統(tǒng)存在著控制功能少，控制精度低，不能適應(yīng)多種使用工況等問題。所以，近年來隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著車用微機(jī)、各種傳感器、執(zhí)行元件的可靠性和壽命的大幅度提高，電子控制技術(shù)被有效地應(yīng)用于懸掛系統(tǒng)控制中。 二、主動(dòng)懸掛系統(tǒng)工作原理
主動(dòng)懸掛系統(tǒng)能夠根據(jù)車身高度、車速、轉(zhuǎn)向角度及速率、制動(dòng)等信號(hào)，由電子控制單元（ECU）控制懸掛執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使懸掛系統(tǒng)的剛度、減振器的阻尼力及車身高度等參數(shù)得以改變，從而使汽車具有良好的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。
（一）主動(dòng)式空氣懸掛系統(tǒng)工作原理
圖 4所示為豐田索阿拉高級(jí)轎車電子控制主動(dòng)式空氣懸掛系統(tǒng)的構(gòu)成圖。它主要由空氣壓縮機(jī)、干燥器、空氣電磁閥、車身高度傳感器、帶有減振器的空氣彈簧、懸掛控制執(zhí)行器、懸掛控制選擇開關(guān)及電子控制單元等組成�？諝鈮嚎s機(jī)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，形成壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)干燥器干燥后由空氣管道經(jīng)空氣電磁閥送至空氣彈簧的主氣室。當(dāng)車身需要升高時(shí)，電子控制單元控制空氣電磁閥使壓縮空氣進(jìn)入空氣彈簧的主氣室（見圖 5（b））， 使空氣彈簧伸長，車身升高；當(dāng)車身需要降低時(shí)，電子控制單元控制電磁閥使空氣彈簧主氣室中壓縮空氣排到大氣中去（見圖 5（a）），空氣彈簧壓縮，車身降低。在空氣彈簧的主、輔氣室之間有一連通闊，空氣彈簧的上部裝有懸掛控制執(zhí)行器（圖中未畫出）。電子控制單元根據(jù)各傳感器輸出信號(hào)，控制懸掛執(zhí)行器，一方面使空氣彈簧主、輔氣室之間的連通閥發(fā)生改變，使主、輔氣室之間的氣體流量發(fā)生變化，因此而改變懸掛的彈簧剛度；另一方面，執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)減振器的阻尼力調(diào)節(jié)桿，使減振器的阻尼力也得以改變。
豐田索阿拉轎車采用的主動(dòng)式空氣懸掛系統(tǒng)中，車高、彈簧剛度和減振器阻尼力可同時(shí)得到控制，且各自可以取三種數(shù)值，其所取數(shù)值由電子控制單元根據(jù)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行條件和駕駛員選定的控制方式?jīng)Q定。駕駛員可以任意選擇四種自動(dòng)控制模式，即控制車身高度的“常規(guī)值自動(dòng)控制”和“高值自動(dòng)控制”，以及控制彈簧剛度和減振器阻尼力的“常規(guī)值自動(dòng)控制”和“高速行駛時(shí)自動(dòng)控制”，具體控制內(nèi)容如下：
1.利用彈簧剛度/減振器阻尼力進(jìn)行控制
（1）抗后坐：通過傳感器檢測油門踏板移動(dòng)速度和位移。當(dāng)車速低于20km/h且加速度大時(shí)（急起步加速），ECU通過執(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。
（2）抗側(cè)傾：由裝于轉(zhuǎn)向軸的光電式轉(zhuǎn)向傳感器檢測轉(zhuǎn)向盤的操作狀況。在急轉(zhuǎn)彎時(shí)，ECU通過執(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“點(diǎn)頭”：在車速高于60 km/h時(shí)緊急制動(dòng)，ECU通過執(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俯。
（4）高速感應(yīng)：當(dāng)車速大于110km/h時(shí)，系統(tǒng)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。既使駕駛員選擇了“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。
（5）前、后關(guān)聯(lián)控制：車速在30-8O km/h范圍內(nèi)時(shí)，若前輪車高傳感器檢測出路面有小凸起（例如前輪通過混凝土路面接縫等），則在后輪越過該凸起之前，系統(tǒng)將使彈簧剛度和減振器阻尼力調(diào)至低（軟）值，從而提高汽車乘坐舒適性。此時(shí)既使駕駛員選擇了高速行駛狀態(tài)（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，這種動(dòng)作在車速為80km/h以下才發(fā)生。
（6）壞路、俯仰、振動(dòng)感應(yīng)：車速在40-100km/h范圍內(nèi)，當(dāng)前輪車高傳感器檢測出路面有較大凸起時(shí)（例如汽車通過損壞的鋪砌路面等），系統(tǒng)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性.而不管駕駛員選擇了何種控制狀態(tài)。
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”狀態(tài)，剛度和阻尼力處于低（軟）值；“高速行駛時(shí)自動(dòng)控制”狀態(tài)，則剛度和阻尼力為中間值。
2.車身高度控制
由左右前輪和左后輪三個(gè)車身高度傳感器發(fā)出車高信號(hào)，ECU發(fā)出指令來進(jìn)行車身高度調(diào)整。
（l）高速感應(yīng)：當(dāng)車速高于9Okm/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”狀態(tài)，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”狀態(tài)，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)，且超過規(guī)定值時(shí)，將車高升高一級(jí)，使來自路面的突然抬起感減弱，并提高汽車的通過性能。
連續(xù)壞路且車速大于4Okm/h小于90km/h時(shí)，不論駕駛員選擇了何種控制狀態(tài)，都將車高調(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。
車速小于4Okm/h時(shí)，車高則完全由駕駛員選擇，選擇“常規(guī)值自動(dòng)控制”時(shí)，車高為中間值（標(biāo)準(zhǔn)值）；選擇“高值自動(dòng)控制”時(shí)，車高為高值。
在連續(xù)壞路面上，車速高于9Okm/h時(shí)，不管駕駛員選擇了何種控制狀態(tài)，車高都將調(diào)至中間值，這樣做是為了避免車身過高對(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，在點(diǎn)火開關(guān)斷開后，ECU即發(fā)出指令，使車身高度處于常規(guī)模式的低狀態(tài)。
（二）主動(dòng)式油氣彈簧懸掛系統(tǒng)工作原理
油氣彈簧以氣體（一般是惰性氣體--氮）作為彈性介質(zhì)，而用油液作為傳力介質(zhì)。它一般是由氣體彈簧和相當(dāng)于液力減振器的液壓缸組成。通過油液壓縮氣室中的空氣實(shí)現(xiàn)剛度特性，而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 6所示為雪鐵龍XM轎車的主動(dòng)式油氣彈簧懸掛布置圖，從圖中可以看到，它有五個(gè)基本行車狀態(tài)的傳感器。
其中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器安裝于轉(zhuǎn)向柱上，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)間接地把汽車轉(zhuǎn)向程度（快慢、大�。┑男畔⑺徒o微機(jī)。
加速度傳感器實(shí)際上是與油門踏板連接的油門動(dòng)作傳感器，間接地將加速動(dòng)作信號(hào)送給微機(jī)。制動(dòng)壓力傳感器安裝于制動(dòng)管路中，當(dāng)制動(dòng)時(shí)，它向微機(jī)發(fā)送一個(gè)階躍信號(hào)，表示制動(dòng)，使微機(jī)產(chǎn)生抑制“點(diǎn)頭”的信號(hào)輸出。
車速傳感器安裝于車輪上，送出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，微機(jī)利用它和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)，可以計(jì)算出車身的側(cè)傾程度。
該系統(tǒng)的工作原理如圖 7 所示。在圖 7中，電磁閥7在微機(jī)指令下向右移動(dòng)，從而接通壓力油道，使輔助液壓閥8的閥芯向左移動(dòng)，中間的油氣室9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，所以9又稱為剛度調(diào)節(jié)器。a、b節(jié)流孔是阻尼器，在上圖圖示位置，系統(tǒng)處于“軟”狀態(tài)。
下圖中，電磁閥7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(dòng)液壓閥8的壓力油通過閥7的左邊油道泄放，閥8閥芯右移，關(guān)閉剛度調(diào)節(jié)器9，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(shí)，系統(tǒng)處于“軟”狀態(tài)，以提高乘坐的舒適性，當(dāng)高速、轉(zhuǎn)向、起步和制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)處于“硬”狀態(tài)，以提高車輛的操縱穩(wěn)定性。
（三）帶路況預(yù)測傳感器的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)
圖 8所示為帶有路面狀況預(yù)測傳感器的主動(dòng)懸掛示意圖。該系統(tǒng)中包括一個(gè)懸掛彈簧16和一個(gè)單向液壓執(zhí)行器14，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(gè)支管8a，該支管與一個(gè)儲(chǔ)壓器11相連，儲(chǔ)壓器內(nèi)充有氣體，這些可壓縮的氣體可以產(chǎn)生一種類似彈簧的效果。另外，支管的中間還設(shè)有一個(gè)主節(jié)流孔12，以限制儲(chǔ)壓器和油壓腔之間的油流，從而形成減振作用。在油管和儲(chǔ)壓器之間還設(shè)有一個(gè)旁通管路8b，該旁路上帶有一個(gè)選擇閥10和一個(gè)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(shí)，油流通過選擇閥的副節(jié)流孔，在儲(chǔ)壓器和油壓腔之間流動(dòng)，從而減小振動(dòng)阻尼。采用這樣的裝置可以使懸掛系統(tǒng)在選擇閥的作用下，具有兩種不同的阻尼參數(shù)。
控制閥的開度可以隨控制電流的大小而改變，以控制進(jìn)入油管的油量，進(jìn)而控制施加到液壓執(zhí)行器的油壓，隨著輸入控制閥的電流的增加，液壓執(zhí)行器的承載能力也增加。
在該懸掛系統(tǒng)中，輸入到控制單元ECU的信號(hào)有：各輪上設(shè)置的檢測車身縱向加速度的傳感器輸出信號(hào)，路面狀況預(yù)測傳感器測出的車輛前方是否有凸起物及其大小的檢測信號(hào)，在各車輪處檢測車身高度的傳感器輸出信號(hào)及車速傳感器輸出的車速信號(hào)等。控制單元根據(jù)這些信號(hào)，對(duì)設(shè)置在各車輪上的控制閥和選擇閥進(jìn)行控制。
圖 9所示為路況預(yù)測傳感器的設(shè)置情況。這種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(duì)其下方的路面狀況進(jìn)行檢測。
在車輛正常行駛時(shí)，選擇閥關(guān)閉，液壓執(zhí)行器的油壓腔通過主節(jié)流孔與儲(chǔ)壓器相通，它可以吸收并降低因路面不平而引起的微小振動(dòng)。當(dāng)車輛上的路況預(yù)測傳感器發(fā)現(xiàn)路面上有將引起振動(dòng)的凸起物時(shí)，控制單元便控制選擇閥打開，并將懸掛系統(tǒng)的阻尼系數(shù)減小到一個(gè)特定的值上。
圖 10所示為路況預(yù)測傳感器的輸出信號(hào)，輸出信號(hào)的幅值與路面凸起物的大小成正比。如果完全按照傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行控制，懸掛系統(tǒng)的阻尼變化就會(huì)過于頻繁，因此，在控制系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)低閾值V1。另外，如果在車輛通過一個(gè)很大的凸起物時(shí)，懸掛系統(tǒng)的阻尼系數(shù)若調(diào)整得過低，就可能會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊力，形成懸掛底部與車橋的剛性碰撞，因此，控制系統(tǒng)中還設(shè)定了一個(gè)高閾值V2。只有在路況預(yù)測信號(hào)介于V1和V2之間時(shí)，控制單元才輸出一個(gè)打開選擇閥的控制信號(hào)。
控制單元在檢測路況傳感器輸出信號(hào)的同時(shí)，也不斷地檢測車速。根據(jù)車速可以估算出測得的凸起物和實(shí)際車輪通過凸起物之間的滯后時(shí)間。選擇閥應(yīng)恰好在車輪通過凸起物時(shí)打開，這樣，在車輪通過凸起物時(shí)，懸掛的阻尼系數(shù)只是作短暫變化，車輪過了凸起物后，選擇閥便再次關(guān)閉。
具有路況預(yù)測傳感器（聲納系統(tǒng)）的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)可以在汽車到達(dá)之前對(duì)路面情況進(jìn)行預(yù)測處理，因而大大改善了懸掛的工作性能，裝有這種系統(tǒng)的車輛在不平的路面上行駛時(shí)，甚至可以不扶轉(zhuǎn)向盤。圖 11為日產(chǎn)公司具有聲納系統(tǒng)的懸掛構(gòu)成圖。
三、電子控制懸掛系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)
（一）懸掛阻尼調(diào)節(jié)裝置TOP
圖 12所示即為應(yīng)用了壓電傳感器和壓電執(zhí)行器的壓電式減振器結(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三部分組成。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，其主要成分是鉛、鋯和鐵。壓電元件都是利用壓電效應(yīng)的原理進(jìn)行工作的。如圖 13所示，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，則壓電元件將產(chǎn)生位移，這一現(xiàn)象稱為壓電負(fù)效應(yīng)。壓電傳感器6就是根據(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)。圖 14所示為壓電傳感器的構(gòu)造。圖中壓電元件有5層，每層厚度為0.5mm。
電子控制單元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 15所示為壓電執(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)電子控制單元發(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左右的位移。此位移經(jīng)活塞和推桿所放大后，使阻尼力變換閥動(dòng)作。圖12（b）為壓電執(zhí)行器未動(dòng)作時(shí)的“硬”工況。圖 12（c）為壓電執(zhí)行器動(dòng)作后的“軟”工況。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。
（二）空氣懸掛剛度調(diào)節(jié)裝置
1.空氣懸掛系統(tǒng)的構(gòu)造
圖 16所示為空氣懸掛的基本構(gòu)造，圖示的空氣懸掛主、輔氣室設(shè)計(jì)為一體，這樣既省空間，又減輕了質(zhì)量。懸掛的上端與車身相連，下端與車輪相連，隨著車身與車輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，主氣室的容積在不斷地變化。主氣室與輔氣室之間通過一個(gè)通路有氣體相互流動(dòng)，改變主、輔氣室之間氣體通路的大小，使主氣室被壓縮的空氣量發(fā)生變化，就可改變空氣懸掛的剛度。減振器的活塞通過中心桿和懸掛控制執(zhí)行器 連接，執(zhí)行器帶動(dòng)阻尼調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變活塞上阻尼孔的大小，從而改變減振器的阻尼系數(shù)，其工作原理與基本結(jié)構(gòu)與上述懸掛阻尼調(diào)節(jié)裝置基本相同。
2.懸掛剛度調(diào)節(jié)原理懸掛剛度的調(diào)節(jié)原理如圖 17所示。主、輔氣室之間的氣閥體上有大小兩個(gè)通路。懸掛控制執(zhí)行器帶動(dòng)氣閥體控制桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使閥芯轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，改變通路的大小，就可以改變主、輔氣室之間的氣體流量，使懸掛剛度發(fā)生變化。
懸掛的剛度可以在低、中、高三種狀態(tài)下變化。閥芯的開口轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)圖示的低位置時(shí)，氣體通路的大氣體通路被打開，主氣室的氣體經(jīng)閥芯的中間孔、閥體的側(cè)面孔通道與輔氣室的氣體相通，兩氣室之間的流量大，相當(dāng)于參與工作的氣體容積增大，懸掛剛度處于低狀態(tài)。
閥芯的開口轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)圖示的中位置時(shí)，氣體通路的小氣體通路被打開，兩氣室之間的氣體流量小，懸掛剛度處于中狀態(tài)。
閥芯的開口轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)圖示的高位置時(shí)，兩氣室之間的氣體通路全部被封住，兩氣室間的氣體不能相互流動(dòng)，可壓縮的氣體容積減小。懸掛在振動(dòng)過程中，只有主氣室的氣體單獨(dú)承擔(dān)緩沖的任務(wù)，所以懸掛的剛度處于高狀態(tài)。
3.懸掛控制執(zhí)行器空氣懸掛控制執(zhí)行器與阻尼控制執(zhí)行器的主要區(qū)別在于，后者只控制減振器的回轉(zhuǎn)閥進(jìn)行阻尼調(diào)節(jié)。而前者除控制減振器的回轉(zhuǎn)閥進(jìn)行阻尼調(diào)節(jié)外，還要驅(qū)動(dòng)主、輔氣室的閥芯進(jìn)行剛度調(diào)節(jié)。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)。懸掛控制執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)如圖 18所示。
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，懸掛的剛度也得以調(diào)節(jié)。
電磁線圈控制的電磁制動(dòng)開關(guān)松開時(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)，使懸掛的參數(shù)保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理如圖 19所示。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鐵制成。定子有兩對(duì)磁極，其上繞有A-B、C-D兩相繞組，當(dāng)A-B繞組接通正向電流時(shí)（電流從A端流入，B端流出），永磁轉(zhuǎn)子將在定子磁極磁場的作用下，處于圖 19（b）所示的“低狀態(tài)”位置。
當(dāng)A-B繞組不通電，C-D繞組接通電源時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子處于圖示“高狀態(tài)”的位置。
當(dāng)A-B繞組接通反向電流（電流從B端流入，A端流出）時(shí)，與“低狀態(tài)”時(shí)相比，左右磁極磁性相反，于是永磁轉(zhuǎn)子處于圖示的“中狀態(tài)”位置。
圖 20所示的為另一種結(jié)構(gòu)形式的空氣懸掛結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是主氣室與輔氣室為分開式結(jié)構(gòu)，中間由連接管相通。主、輔氣室的氣體通路仍由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)氣閥體來控制。
步進(jìn)電機(jī)的工作原理與上述相同，其結(jié)構(gòu)如圖 21所示。
圖 22所示為步進(jìn)電機(jī)在三個(gè)不同位置時(shí)該懸掛剛度的變化情況。
圖 22（a）所示氣閥體的大通氣孔與輔氣室相通，主、輔兩氣室之間的氣體流量增大，懸掛剛度處于低狀態(tài)。
圖 22（b）所示氣閥體的小通氣孔與輔氣室相通，主、輔氣室間氣體流通有阻尼存在，所以懸掛剛度處于中狀態(tài)。
圖 22（c）所示氣閥體完全關(guān)閉，只有主氣室參加工作，所以懸掛剛度處于高狀態(tài)。
（三）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)乘座人員或車輛載重情況自動(dòng)做出調(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)汽車全部四個(gè)車輪懸掛系統(tǒng)進(jìn)行高度控制；另一類型是僅對(duì)兩個(gè)后輪的懸掛系統(tǒng)進(jìn)行高度控制。
1.系統(tǒng)組成及工作原理
圖 23所示為日本富士汽車空氣懸掛的車身高度控制系統(tǒng)。由圖可以看出，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。
直流電機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)工作，從壓縮機(jī)出來的壓縮空氣進(jìn)入干燥器，經(jīng)干燥后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐的氣體壓力由調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。
控制單元根據(jù)車高傳感器信號(hào)的變化和駕駛員給與的控制模式（常規(guī)正常模式或高模式）指令，給控制車高的電磁閥發(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)入空氣懸掛的主氣室，主氣室的充氣量增加，車身上升。如果電磁閥不動(dòng)作，則懸掛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離信號(hào)將與控制單元存貯的車高信息不符，控制單元就會(huì)發(fā)出指令，電磁閥通電打開，給懸掛主氣室充氣，直到車高達(dá)到規(guī)定的高度為止。當(dāng)車身需要下降時(shí)，空氣壓縮機(jī)停止工作，電磁閥通電打開，同時(shí)排氣閥也通電打開，懸掛主氣室的氣體通過電磁閥、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，壓縮空氣經(jīng)排氣閥從系統(tǒng)中排出時(shí)，通過抽氣噴嘴從干燥器內(nèi)將吸出的潮濕氣霧排出。
圖 24所示為壓縮機(jī)總成的結(jié)構(gòu)圖。
圖 25所示為日本豐田公司TEMS（TOYOTAElectronic Modu1ated SUSPEnsion）系統(tǒng)的車身高度控制系統(tǒng)。
圖 25中，空氣電磁閥總成包括了上述進(jìn)氣閥、排氣閥、調(diào)壓閥和干燥器等所具有的作用和功能。圖 25（a）所示為車身高度上升控制過程，圖25（b）所示為車身高度下降控制過程。其工作原理與上述富士汽車的車身高度控制系統(tǒng)相同。
2.車身高度傳感器
車身高度傳感器的作用是把車身高度（汽車懸掛裝置的位移量）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸送給控制單元。常見的光電式車身高度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 26所示。在傳感器內(nèi)部，有一個(gè)靠連桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的軸，在軸上裝有一個(gè)開有許多槽的遮光板，遮光板的兩側(cè)裝有4組光電耦合元件，如圖 27所示。當(dāng)連桿帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電耦合元件（發(fā)光管和光電管）之間或者被遮光 板遮上，或者兩者元件之間透光，因此光電耦合元件把這種變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并輸入到控制單元中。利用這4組光電耦合元件導(dǎo)通與截止的組合，就可以把車身高度的變化分為16個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測。圖 28所示為車身高度傳感器的電路。
控制單元根據(jù)車身高度傳感器輸入的信號(hào)，控制壓縮機(jī)及排氣閥，以此增加或減少懸掛主氣室內(nèi)的空氣量，從而保持車身高度為一定。因?yàn)闇p振器在行車過程中總是振動(dòng)的，很難判定當(dāng)時(shí)車身所處的區(qū)域，所以計(jì)算機(jī)每隔數(shù)十毫秒就檢測一次車身高度傳感輸出的信號(hào)，并對(duì)一定時(shí)間各信號(hào)所占區(qū)域的百分比作出計(jì)算，以此來判斷車身實(shí)際所處的區(qū)域。
圖 29所示為車身高度傳感器的安裝位置及工作狀態(tài)。拉緊螺栓的上端與傳感器的連桿鉸連，下端與后懸掛臂相連。當(dāng)車身上下振動(dòng)時(shí)，拉緊螺栓帶動(dòng)連桿使傳感器的軸左右旋轉(zhuǎn)，光電耦合元件則把旋轉(zhuǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成車高信號(hào)輸出。
拆下拉緊螺栓，擰松拉緊螺栓的鎖緊螺母，旋轉(zhuǎn)拉緊螺栓的螺旋接頭可以改變拉緊螺栓的長度，從而調(diào)整車身高度的設(shè)定值。
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