第十二章 汽车行驶与安全控制系统

第十二章汽车行驶与安全控制系统第一节悬架系统控制一、概述悬架是车架（或承载车身）与车桥（或车轮）之间一切传力连接装置的总称，其主要作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向力（牵引力和制动力）、侧向力及这些反力所造成的力矩传递到车架（或车身），以保证汽车正常行驶。由于路面对车轮的垂直反力属冲击载荷，很大的冲击力传递到车身或车架时，可能会引起汽车机件的早期损坏，并使乘员感到极不舒适。为了缓合冲击，悬架中装有弹性元件，使车架（或车身）与车桥或车轮间作弹性连接。弹性元件受到冲击后将产生振动，当振动超过人体所适应的垂直振动频率，就会使人感到不舒适并引发疲劳。因此，汽车悬架的设计必须适合行驶平顺性和安全性的要求。一个由弹簧和减振器构成的轿车悬架系统，为了更有效地减缓路面不平而引起的车体振动以保持乘坐舒适性，希望弹簧刚度较小；而在转弯、制动时，为使车体的倾斜或前后的俯仰较小以保持操纵稳定性，则要求弹簧刚度较大。由此给系统参数选择带来了矛盾。对从动悬架的设计就是要确定其弹簧或减振器的参数，使系统在平顺性与稳定性之间找到一个最佳结合点，即弹簧刚度和减振器的阻尼系数能随汽车运行状况而变化，使悬架总是处于较优状态。但对于传统的从动悬架系统而言，只能满足特定的道路状态和速度要求。为了使悬架系统适应在不同道路条件下行驶，保证乘坐的舒适性和安全性，各种悬架控制技术和方法得到了很大的发展。当悬架系统刚度一定时，根据减振器阻尼能否改变，悬架系统可分为从动悬架、半从动悬架和半主动悬架；如果悬架系统刚度可变，则称为主动悬架系统。二、半从动悬架弹簧刚度选定后，一般很难改变。因此，人们从改变减振器阻尼入手，将阻尼分为可变的二~三级，这种悬架系统称为半从动悬架。图12-1为三级可调减振器旁路控制阀。其阻尼力大小的调整，是通过改变油液流通孔的截面积实现的。控制阀上具有关闭、部分开启和全开三个位置，相应地可以产生三种阻尼值，以适应不同的行驶条件。驾驶员可根据道路条件和车速等情况，选择不同的阻尼级。如要求舒适时，可选择较小的阻尼值，降低系统固有频率，以减小对车身的冲击；如需要高速赛车的感觉时，可选择高阻尼值，以利于安全性的提高。如图12-2所示为阻尼值与行驶条件的关系。图12-1三级可调减振器旁路控制阀图12-2阻尼与行驶条件的关系1-调节电动机2-阀芯3-控制阀孔三、半主动悬架系统半主动悬架系统是在半从动悬架的基础上，通过ECU进行控制，使减振器阻尼按照行驶状态的动力学要求作无级调节，使其在几毫秒内由最小变到最大，对阻尼变化响应快。半主动悬架系统又称为电子控制悬架，它可根据道路条件和行驶速度自动地调整阻尼值，以提高汽车的安全性、操纵稳定性和舒适性。减振器阻尼力的控制如图12-3所示，通过减振器控制杆旋转一定的角度，改变控制阀节流孔的流通面积，从而实现阻尼值的无级变化。该系统由ECU、传感器和执行器组成。ECU接受传感器送入的汽车起步、加速和转向等信号，计算出相应的阻尼值，发出控制信号到执行器，经控制杆调节控制阀，使节流孔阻尼变化。图12-4为执行器的工作示意图。它装在减振器上部，由步进电机、小齿轮和扇形齿轮组成。得到控制信号后，步进电机通过扇形齿轮驱动控制杆转动。图12-3减振器阻尼力控制a)普通模式b)运动模式1-控制杆2-止动块3-步进电机图12-4执行器工作示意图1-控制杆2-旋转阀3-节流孔4-小齿轮5-扇形齿轮6-减振器这种电子控制悬架具有正常、运动和自动三种模式，可通过转换开关进行选择。只有在自动位置时，各个减振器才在ECU自动控制下工作。图12-5表示了从动悬架、半从动悬架及半主动悬架可以利用的阻尼力的变化范围。图12-5从动悬架、半从动悬架及半主动悬架的阻尼力变化范围a)从动悬架b)半从动悬架c)半主动悬架由图可知，从动悬架阻尼只能在一条线上变化，半从动悬架可在几条线上变化，而半主动悬架则可在整个平面内变化。在有些情况下，半主动悬架可达到从动悬架不能达到的区域。例如：汽车通过一段较长的弯道时，要求有很大的阻尼，以使外侧车轮离心力产生的摆动转矩很快衰减，这不仅对平顺性有利，而且使各轮的附着力储备比较均匀（见第一章侧倾与操纵稳定性）。四、主动悬架系统主动悬架是一种具有作功能力的悬架，不同于单纯地吸收能量、缓和冲击的传统悬架系统。当汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件发生变化时，主动悬架系统能自动调整悬架的刚度，从而同时满足汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等各方面的要求。它在下述几方面使汽车性能得到改善：1）悬架刚度可以设计得很小，使车身具有较低的固有频率，以保证正常行驶时的乘坐舒适性。由于刚度可调，使汽车转弯出现的车身侧倾、制动、加速等引起车身的纵向摆动等问题得到解决。2）采用主动悬架系统时，因不必兼顾正常行驶时汽车的舒适性，可将汽车抗侧倾、抗纵摆的刚度设计得较大，因而提高了汽车的操纵稳定性，使汽车的行驶安全性得以提高。3）汽车载荷变化时，主动悬架系统能自动维持车身高度不变，汽车即使在凸凹不平道路上行驶也可保持车身平稳。4）普通汽车在制动时车头向下俯冲，由于前后轴载荷发生变化，使后轮与地面的附着条件恶化，延长了制动过程。主动悬架系统可以在制动时使车尾下沉，充分利用车轮与地面的附着条件，加速制动过程，缩短制动距离。5）主动悬架可使车轮与地面保持良好接触，即车轮跳离地面的倾向减小，因而可提高车轮与地面的附着力，从而提高了汽车抵抗侧滑的能力。目前，主动控制悬架系统有以高压液体作为能量的油气悬架，也有以高压气体作为能量的空气悬架。主动悬架系统根据车速、转向、制动、位移等传感信号，经ECU处理后，控制电磁式或步进电机式执行器，通过改变悬架的刚度，以适应复杂的行驶工况对悬架的要求。主动控制悬架控制的参数可以是车身高度、弹簧刚度、减振器的阻尼力等。图12-6所示为一些日本高级轿车上使用的压力控制型油气悬架（简称电控油气悬架）系统的工作示意图。它由一个压力控制阀液控油缸和一个单作用油气弹簧构成，压力控制阀实际上由一个电控液压比例阀和一个机械式压力伺服滑阀组成，油气弹簧则是一个具有弹性元件（气体弹簧）和阻尼元件的特殊液压缸。该系统工作时，对于低频（2Hz以下）干扰，可以通过ECU对控制阀的线圈加一电流以控制针阀开口，从而在控制阀的出口处产生一个与之成比例的输出油压，由此来控制油气悬架内的油压，以控制车体的振动；对于中频（2~7Hz）范围内的干扰，主要由滑阀的机械反馈功能对油气悬架内的油压进行伺服控制，从而进行车体减振；而在高频（7Hz以上）范围，则利用油气悬架内的气体弹簧吸收振动能量而达到减振的目的。图12-6电控油气悬架系统工作示意图1-液压泵2-储能器3-机械式压力伺服滑阀4-电控液压比例阀5-液控油缸6-气体弹簧电控油气悬架根据ECU的指令信号调节磁化线圈的电流大小，改变液压比例阀的位置,使悬架液压缸获得与电流成比例的油压。通常在行驶状态，伺服阀两侧A室的系统油压与B室的反馈油压相互平衡，伺服阀处于主油路与液压缸相通的位置，控制车体的振动。当路面凸起而使车辆发生跳动时，悬架液压缸压力上升，伺服阀B室反馈压力超过A室压力，推动滑腔向左侧移动，液压缸与回油通道接通，排出机油，维持压力不变，从而车轮振动被吸收而衰减。在悬架伸张行程，液压缸内的压力下降，伺服阀A室压力大于B室压力，滑阀右移，主油路与液压缸接通，来自系统的压力油又进人液压缸，以保持液压缸内的压力不变。图12-7所示为一种主动空气悬架的系统原理图，它由一组传感器、ECU、空气悬架、高度控制器等组成。主动空气悬架系统根据悬架位移（车身高度）、车速、转向和制动等传感信号，由ECU控制电磁式或步进电机执行器，改变悬架的特性，以适应各种复杂的行驶工况对悬架特性的不同要求。图12-7主动空气悬架的系统原理图1．车高传感器车高传感器的作用是把车身高度的变化（悬架变形量的变化）转变为电信号，并输人ECU。图12-8为丰田公司3.0GT—LIMITED汽车上采用的光电式传感器结构。随轴转动的遮光盘上刻有一定数量的窄缝，信号发生器由发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘位于发光二极管与光敏管之间，转动遮光盘，发光二极管发出的光不断被遮光盘挡住，信号发生器的光敏管输出端出现电平高低的变化。ECU接受到电平信号的变化，可检测出遮光盘的转动角度。当车身高度发生变化（即悬架变形量发生变化）时，轴即驱动遮光盘转动，从而使ECU检测出车身高度的变化。图12-8车高传感器结构1-信号发生器2-遮光盘3-盖4-电缆5-金属封油环6-壳体7-轴图12-9所示为这种车高传感器的工作原理。图12-8中的遮光盘即为此处的窄缝板。传感器的信号发生器以4个为一组，覆盖了窄缝板。轴的外端装有导杆，导杆的另一端则通过有关零件与独立悬架的摆臂相连。当车身高度发生变化时（汽车载荷发生变化），导杆随摆臂上下摆动，从而通过轴驱动窄缝板转动，信号发生器的输出信号随之进行通（ON）、断(OFF)变换。图12-9车高传感器的工作原理1-信号发生器2-遮光板3-导杆4-轴电控悬架系统的ECU是根据各个信号发生器通、断状态的不同组合来判断车高状态的，如表12-1所示。悬架系统进行车高调整时，如果只判断出4个车高区间，则车高传感器中只需两个信号发生器，其组合方式可参考表12-2。如果只判断出3个车高区间，即过高、标准、过低，则只需将表12-2中偏高和偏低两种状态作为“标准”状态即可。表12-1车高控制区与传感器信号的关系表12-2车高控制区与传感器信号的组合方式汽车行驶中，因车身有振动，随时判定车高所属的区间较困难，ECU可根据一定的时间间隔（如l0ms)来判定车高在某区间的百分比频度，据此决定是否需要进行车高调整，即频度一旦超过规定值，则开始进行调整。车高调整可用高压空气驱动（空气弹簧悬架），也可用高压泵驱动（油气弹簧悬架）。调整时需将车身提高时，可向弹性元件（或减振器）充气或充油；需要降低车身时，则放气或放油。图12-10为通过减振器充气或放气来进行车高调整的电路控制框图。图12-10车高调整的电路控制框图2．光电式转角传感器转角传感器装于转向轴管上，可向ECU提供汽车转向速率、转角大小及转动方向信息，由ECU确定需调节哪些车轮的悬架以及调节量。该传感器主要用于对汽车悬架系统的侧倾刚度进行调节。它既适用于主动悬架系统，又适用于半主动悬架系统，工作中主要与车速传感器信号相配合。图12-lla所示为该传感器的安装位置和构造图，图12-llb为其工作原理图。图12-ll光电式转角传感器安装位置a）安装位置和构造图b)工作原理图C)电路原理图1-转角传感器2-信号发生器3-遮光盘4-转向轴5-传感器回盘在压入转向轴的圆盘中间，装有带窄缝的遮光盘（图12-11）。传感器的信号发生器（由发光二极管和光敏三极管组成）以2个为一组，从上面套装在遮光盘之上。遮光盘上等距离均匀排列着窄缝。遮光盘随转向轴转动时，两个信号发生器的输出随之进行通（ON）、断(OFF)变换。图12-llc所示为转角传感器的电路原理图。ECU根据两信号发生器输出端通、断变换的速率，即可检测出转向轴的转动速率；通过计数器统计通、断变换的次数，即可检测目出转向轴的转角。另外,设计时将两个信号发生器通、断变换的相位错开90º(图12-12)。汽车直线行驶时，信号A处于通断的中间位置（高电平，断状态）。转向时，根据信号A和下降沿处信号B的状态，即可判断出转动的方向。图12-12中，信号A由断状态变为通状态（低电平）时，如果信号B为通状态，则为左转向；如果信号B为断状态，则为右转向。图12-12信号发生器输出端的动作状态3．悬架刚度与阻尼的自动调节空气悬架由空气弹簧、减振器、执行器、空气管等组成（图12-13）。空气弹簧是在一个密封的容器内充入压缩气体，利用气体的可压缩性实现其弹簧作用。当弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体受压缩，气压升高，则弹簧的刚度增大；反之，载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小。空气悬架的刚度是由步进电机带动空气控制阀，空气悬架的刚度是由步进电机带动空气控制阀,通过改变主、副气室之间通路的