1、汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,第九章 电子控制悬架系统(TEMS),一、概述 汽车悬架的作用，除了缓冲和吸收来自车轮的振动之外，还要在汽车行驶中传递车轮与路面之间的驱动力和制动力。在汽车转向时，悬架还要承受来自车身的侧向力，并在汽车起步和制动时能够抑制车身的俯仰振动，提高汽车的行驶稳定性和安全性。为了解决上述问题，在车轮与车身之间安装能减缓振动的悬架。但是，这会引起在汽车起步、制动、转向时车身的俯仰、点头和侧倾等现象，同时也会造成乘员不适和影响汽车操纵的稳定性。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,现代汽车对悬架的要求除了能保证其基本性能外，还致力于提高汽车的行驶安全性和乘坐
2、舒适性，向高附加值、高性能和高质量的方向发展。随着电子技术、传感器技术的飞速发展，以微电脑为代表的电子设备，因性能的大幅度改善和可靠性的进一步提高，促成汽车电子装置的高可靠性、低成本和空间节省，使电子控制技术被有效地应用于包括悬架系统在内的各个部分。通过采用电子技术来实现汽车悬架系统的控制，既能使汽车的乘坐舒适性达到令人满意的程度，又能使汽车的操纵稳定性达到最佳状态。 所谓主动悬架系统，是在悬架系统中采用有源或无源控制元件组成一个闭环控制系统。根据车辆,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,的运动状况和路面状况主动作出反应，以抑制车身的振动和摆动，使悬架始终处于最佳的减振状态。理论研究表明
3、主动悬架性能显著优越于被动悬架。特别是随着微型电路技术的发展，使主动悬架的发展前景更为广阔。 半主动悬架的基本工作原理是：用可调弹簧或可调整减振器组成悬架，并根据簧载质量的速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律，调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。与主动悬架相比，半主动悬架控制系统消耗的能量很小，造价较低。因此，半主动悬架在商业上应用早于主动悬架。现在一些高档的轿车，已逐渐开始较多地采用了的主动悬架。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,(二)电子控制悬架系统的分类,根据有源和无源，可将电子控制悬架分为半主动悬架和全主动悬架两大类。1.半主动悬架半主动悬架可以根据路面的激励和车身的响
4、应，对悬架的阻尼系数进行自适应调整，使车身的振动被控制在某个范围之内。半主动悬架是无源控制，因此，汽车在转向、起步、制动等工况时不能对刚度和阻尼进行有效的控制。 2全主动悬架全主动悬架简称主动悬架，它是一种有源控制。主动悬架可以根据汽车行驶条件的变化，主动改变悬架的刚度和阻尼系数。在汽车行驶路面、,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,速度变化以及在汽车起步、转向、制动等工况时主动悬架都可进行有效的控、制。此外，主动悬架还可以根据车速的变化控制车身的高度(车高控制系统)，可改善汽车在坏路的行驶性能和高速操纵稳定性。根据悬架介质的不同，又可分为油气式主动悬架(液压式)和空气式主动悬架两种。
5、(三)电子控制悬架系统的基本组成 1传感器电子控制悬架系统传感器，将汽车行驶的路面情况(汽车的振动)和车速及起步、加速、转向、制动等工况变为电信号，输送给电子控制器。电子控制悬架系统所用的传感器见表 2,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,2控制器电子控制悬架系统的控制器将传感器送入的电信号进行综合处理，输出对悬架的刚度和阻尼及车身高度进行调节的控制信号。电子控制器一般由微机和信号输出放大电路组成。 3执行机构电子控制悬架系统的执行机构按照电子控制器的控制信号，准确地动作，及时地调节悬架的刚度和阻尼系数及车身的高度。通常所用的执行元件是电磁阀和步进电机及气泵电动机等。,汽车电子控制技术,
6、重庆大学机械学院 张伟,三、电子控制悬架系统的基本原理,(一)半主动悬架系统 半主动悬架系统的一般工作原理(见图65)，可以根据激励和车身的响应，对悬架参数进行控制，使车身的振动响应始终被控制在某个范围内。 半主动悬架系统通常以车身振动加速度的均方根值作为控制目标参数，以悬架减振器的阻尼为控制对象。半主动悬架的控制模型如图66所示。 控制器的悬架阻尼控制过程如图67所示。 悬架阻尼的改变一般是通过控制步进电动机驱动可调阻尼减振器中的有关部件，改变阻尼孔的大小实现的，如图68所示。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,(二)空气式主动悬架系统,图69是一种空气式主动悬架的工作原理图。 在该
7、系统中，用了5个行车工况和车身状态传感器。 (1)车身位移传感器，用来监测车身与车桥的相对高度，其变化频率和幅度反应了车身的振动。 (2)节气门开度传感器，提供汽车的加速度信息。 (3)转向盘转角传感器，提供汽车转向的程度，包括转向的快慢和大小。 (4)车速传感器，根据它输入的脉冲信号和转向信号，计算出车身的侧倾程度。 (5)制动灯开关，提供了汽车制动信息，控制器可据此产生抑制车身“点头”的控制信号。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,模式选择开关是用于手动选择“软”或“硬”两种模式，有的悬架控制系统则是由计算机来确定“软”或“硬”的。车门传感器是为防止行车中车门未关而设置的。控制器(
8、电脑)根据各个传感器输入的信号，经过运算分析后输出控制信号，使执行机构准确地动作，及时改变悬架的刚度、阻尼系数和车身高度，以确保汽车行驶过程中的操纵稳定性和乘坐舒适性。高度控制阀按照控制器的控制信号完成开闭动作，以改变空气悬架的充气量，实现车身的高度调节。调压器使气泵输出的压缩空气压力保持稳定。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,1车速与路面感应控制,主要是根据车速与路面的变化来改变悬架的刚度和阻尼。可以有“软”和“硬”两种选择，由电脑控制或由司机通过手动开关选择。在这两种模式中，又按刚度和阻尼的大小分为低(软)、中(标准)、高(硬)三种状态。在“软”模式中，悬架常处在“低”状态，而在
9、“硬”模式中，悬架则经常处于“中”状态。在这两种不同的模式下，悬架由控制器控制在三种状态，根据车速和路面的变化自动地调节刚度和阻尼系数，使车身的振动达到最佳的控制。 又可分为高速感应控制、前后车轮相关控制和坏路面控制三种控制功能。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,(1)车速感应控制：在车速很高时，使悬架的刚度和阻尼相应增大，以提高汽车高速行驶时的操纵稳定性。(2)前后轮相关控制：当汽车前轮在遇到路面接缝等单个的突起时，相应减小后轮悬架的刚度和阻尼，以减小车身的振动和冲击。 (3)坏路面感应控制：当汽车进入坏路面时，为抑制车身大的振动，相应增大悬架的刚度和阻尼。 车速与路面感应控制逻辑
10、关系见表4。 2车身姿态控制 是指在汽车突然转向等情况下，控制器对悬架的刚度和阻尼实施控制，以抑制车身的过渡摆动，从而确保车辆乘坐舒适性和操纵稳定性。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,车身姿态控制包括： 转向车身侧倾控制 制动车身点头控制 起步车身俯仰控制。 车身姿态控制逻辑关系见表5。 3车身高度控制 在汽车行驶车速和路面变化时，调整车身的高度，以确保汽车行驶的稳定性和通过性。 车身高度控制也分“标准”模式和“高”模式两种情况，在每种模式中又分“低”、“中”、“高”三种状态。控制方式包括高速感应控制和连续坏路面行驶控制。 车身高度控制逻辑关系见表6。,汽车电子控制技术,重庆大学机械
11、学院 张伟,(三)液压式主动悬架系统,日产无限Q45轿车采用的液压式主动控制悬架系统(简称FAS)主要由油压系统和控制系统两部分组成。油压系统和控制系统的组成及布置如图70和图71所示。 1液压式主动控制悬架系统的结构和工作原理 此系统根据C传感器的输出信号，控制各车轮执行器的油压，抑制车身姿势的变化，也降低来自路面的冲击。 油压系统主要由贮油箱、液压泵、液压泵贮压器、组合阀、主贮压器、压力控制阀及执行器组成(见图70)；,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,控制系统主要由4个车身高度传感器(4个车轮上各一个)、3个垂直C传感器(一个汽车前端、二个汽车后端)、2个横向G传感器(在中间车架
12、上)、1个纵向C传感器(也在中间车架上)及电子控制装置组成(见图71)。 2系统的控制功能 (1)侧倾控制功能：汽车转弯时，在离心力作用下车身欲发生侧倾，由横向C加速度得此离心力，系统控制装置根据此离心力，防止车身侧倾。 (2)俯仰振动控制功能：汽车制动，产生向前的惯性力，系统通过纵向C传感器测得汽车向前的惯性力大小，按比例增大前轮执行器产生的作用力，降低后轮执行器产生的作用力，以抵消惯性力，控制车身的俯仰振动。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,汽车起步时的控制过程与上述相反。 (3)上下振动控制功能：当汽车行驶于不平路面时，来自路面的冲击使车身上下振动，根据车身上下振动的绝对速度，
13、系统控制各车轮执行器产生的作用力，以抵消来自路面的冲击。此绝对速度可将汽车垂直G传感器测得的车身垂直方向的加速度积分求得(此控制方式采用的是天棚阻尼器控制理论)。 (4)车身高度控制功能：根据各车轮部分的高度传感器测得的车身高度变化信号，系统控制装置自动使车身高度维持为一个定值(不管载荷如何变化)。也可以通过手动操作使车身高度增加20mm，以避免汽车行驶在坏路面时车身与路面相碰。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,FAS系统的工作过程可用图75来说明,使用液压泵和带执行器的液压系统，通过电子控制装置控制，可达到改善汽车乘坐舒适和行驶稳定的目的。电子控制装置接收10个独立传感器的输入信号，经过分析计算后向执行器发出控制信号，执行器则根据电子控制装置的控制信号不断调整前、后悬架的液压大小，从而补偿路面的下降、车身的侧倾、制动时的点头、加速时的后蹲和汽车车身高度变化。 油气弹簧式主动悬架与空气弹簧式主动悬架的比较见表8所示。,汽车电子控制技术,重庆大学机械学院 张伟,油气弹簧式主动悬架具有良好的响应性与较大的控制力，但消耗能量大、重量重。随着对环境保护与节能的要求，主动悬架正在向高压化、小型化、高效率的方面发展，并将从控制方面不断进行创新。,
