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汽车空气悬架系统控制详解

楼主:汽车工程师之家 时间:2019-09-23 07:14:36

作者:小黄/cartech8


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车辆的舒适性和操控性一直是衡量汽车性能的两大核心标准,要舒适性悬架就要求相对软,悬架软就会造成车辆过度倾侧,过度倾侧就会带来操控性问题,在汽车发展的很长一段时间内两者很难彼此兼顾。对此,众多汽车设计大师们研究出各种技术来解决这一问题,但其中最具里程碑意义的还数空气悬架技术的问世。今天cartech8将和大家共同探讨这个技术。

一.概述

奥迪A6L空气前悬架系统


奥迪A6L空气后悬架系统

普通由螺旋弹簧与减震筒组成的悬架系统并不能调整软硬和高低。螺旋弹簧的长度与弹性系数定下来之后,车身的高度跟悬架的软硬特性也就固化下来无法改变了;减震筒的阻尼定下来以后,悬架的响应速度与吸震特性同样也变不了。而空气悬架是以空气弹簧为弹性元件的悬架系统,它的最大特点是变刚度与易于调整。空气弹簧与其它以钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等钢制弹簧为弹性元件的悬架的主要优点和缺点如下:(汽车工程师之家 小黄/cartech8)

空气弹簧为弹性元件

1.弹性特性可以呈明显的非线性,利于在不同载荷下保持较为恒定的偏频;

2.较容易改变车身高度;

3.由于空气弹簧本身只能承受垂直力,所以需要布置足够的杆件来传递各种力以及扭矩;

4.需要有产生压缩空气的装置;

5.靠空气弹簧本身产生的抗侧倾力矩一般不够,需要加装横向稳定杆等装置。

6.改善路面不平度激励向车身的传递,减少不良振动造成汽车零部件的早期损坏。

7.重卡对道路的磨损量可以减少50%。

8.当汽车发生偏载时,汽车仍可以保持水平。

9.延长汽车及其零部件的使用寿命,减少维修停工时间,提高汽车的营运效率。

二、空气悬架组成:

空气悬架系统包括空气弹簧、减振器、空气供给单元(如空气压缩机、单项阀、气路、储气罐等)、导向机构和车身高度控制系统。

1. 空气弹簧按气囊结构型式可以分成囊式、膜式和复合式三种。一般采用囊式空气弹簧,它由夹有帘线的橡胶气囊和密闭空气组成,如下图,气囊有单节和多节式,节数越多弹性越好,但密封性差。空气弹簧的特性在前面已经介绍了。

2.减振器主要用来衰减车身的振动,后面有详细介绍。

3.导向机构由纵向推力杆和横向推力杆等组成,用来传递车身和车桥之间的纵向力、侧向力以及驱动、制动时产生的力矩。弥补空气弹簧只能承受垂直载荷的缺点。

4.空气供给单元包括空气压缩机、单项阀、气路、储气罐、电磁阀等。主要用作产生、储存、控制压缩空气。

5.车身高度控制系统分为机械式控制系统和电控控制系统。高度控制传感器安装在前后左右四个悬架附近。他的作用是检测车身高度(汽车悬架装置的位移),并将它转化成电子信号,输入控制装置ECU。通过电子技术控制和空气悬架系统的完美结合,使得空气悬架系统的性能得以完美展现。电子控制ECU采集分析车高、转向角、加速度、路况预测等传感器信息,控制悬架执行器动作。系统的控制功能通常有以下三个:

a.车高调整:当汽车在起伏不平的路面行驶时,可以使车身抬高,以便于通过,在良好路面高速行驶时,可以降低车身,以降低重心,提高操纵稳定性。

b.阻尼力控制:用来提高汽车的操纵稳定性,在急转弯、急加速和紧急制动情况下,可以抑制车身姿态的变化。

c.弹簧刚度控制:改变弹簧刚度,使悬架满足运动或舒适的要求。

新旧奥迪A6L悬架对比图1

新旧奥迪A6L悬架对比图2

三、空气悬架高度调整

1、现代汽车对悬架系统的要求

在汽车行驶过程中,由于路面的不平整或汽车自身运动状态的改变,会使汽车表现出各种运动形态,包括车身的垂直振动、俯仰运动和侧倾运动等。

垂 直 运 动+前 后 运 动+左 右 运 动

(路面不平)+(加速、制动)+(转弯)

(汽车工程师之家 作者:小黄/cartech8)

汽车行驶时的运动形式

综合考虑上述因素,现代汽车对悬架提出的要求有:

(1)具有足够的强度;

(2)具有适当的弹簧钢度、且能根据载荷的变化而变化;

(3)具有足够的侧倾度;

(4)具有良好的吸振能力;

(5)能够保证车轮正确的定位参数。

2、悬架系统的高度控制

悬架的高度控制系统:可根据车内乘员人数或汽车装载情况自动调节车身高度,以保持车身稳定的行驶姿态。

电控悬架的结构布置图


工作模式     避震器                               行驶高度

(1)舒适     舒适为主                             0mm-15mm

(2)自动     根据驾驶员环境自动调节               0mm-28/35mm

(3) 动态      运动为主                             -15mm-28/35mm

(4)越野     根据驾驶环境自动调节                 +25mm,直到100km/h

(5)高位     根据驾驶环境自动调节(剧烈越野模式) +60mm,直到40km/h

3、典型的车高控制有以下3种

1)停车水平控制

停车后,当车上载荷减少而车身上抬时,控制系统能自动地降低高度,以减少悬架系统的负荷,改善汽车外观形象。

2)特殊行驶工况高度控制

当汽车高速行驶时,主动降低车身高度,以改善行车的操纵性和启动特性。

汽车行驶于起伏不平较大的路面时,主动升高车身,避免与地面或悬架的磕碰。

3)自动水平控制,保持高度恒定

车身高度不受载荷影响,保持基本恒定,姿态水平,使乘坐更加平稳,前大灯光束方向保持不变,提高行车安全性。

常见的控制方式有两种:

方式1:高度传感器控制车身高度

在该控制系统中,高度传感器的信号用于控制空气压缩机向空气弹簧输送压缩空气,抬高车身。

同时该信号(高度传感器)也被用来控制空气弹簧上的排气电磁阀,释放空气弹簧中已有的气体,从而达到维持弹簧内的压力和降低车身高度的目的。

干燥器内的干燥剂(硅的化合物)吸收进气过程中压缩空气的水分,这些水分可以通过进干燥器排出的气体带走,以使干燥剂能得以重复使用。(汽车工程师之家 小黄/cartech8)

方式2:ECU控制车身高度

在空气压缩机与空气弹簧之间设置了高压的储气筒,空气压缩机输出的高压气体储存在该储气筒中,压力开关感受储气筒内的压力,最终通过电脑控制空气压缩机的运转。

下图是带双气罐(高压储气罐+低压储气罐)闭环控制逻辑图,现在的车辆大多采用的是只有高压罐的开环控制模式:闭环悬架系统,可以有效地减少能量损失并降低空气弹簧排气时造成的噪声污染。

在控制系统中,高度传感器是检测部分,装在车身与悬架之间,用来检测某一车轮或车轴上方车身高度的变化,向电脑提供车身高度信息,电脑通过综合信息控制悬架高度。


四、空气悬架阻尼调整

通过调节减振器阻尼大小,实现悬架阻尼软、中、硬之间进行自动调节。从而使悬架刚度和阻尼最优配合。抑制车身姿态变化,使汽车或得良好的操作稳定性和乘坐舒适性

目前可变阻尼减震器主要有两个发展方向, 一个是在减震器结构上做文章,另一种则是在减震器油液上做文章。

在减震器结构上做文章是目前比较主流的方式,这类减震器通过在活塞或减震器内外腔室间增加电磁阀来改变减震器动作时流体流动的阻力,进而使减震器消耗的振动能量增加或减少,使其阻尼特性发生变化。ZF的连续减震控制系统,在奥迪、宝马、别克、凯迪拉克等品牌上都有使用。系统根据车辆上的车身加速度传感器、车轮加速度传感器、以及横向加速度传感器等传感器的数据判断车辆行驶状态,由中央控制单元ECU进行运算,随后ECU对减震器上的控制阀发出相应的指令,控制阀门的开度来提供适应当前状态的阻尼,也可以在车内由驾驶者选择预设的模式(响应特性曲线)来工作。这类系统通过使用高精度的电磁阀可以实现不同的性能要求,从每秒钟反馈/调整100次到每秒反馈/调整1000次的产品都有。

在减震器油液上做文章:就是以电流控制减震内液体的黏度,使之根据驾驶状况的不同而改变减震回弹力的速度和大小。减振器活塞杆中带有电磁线圈,产生的可变磁流穿过液体。当线圈电流关闭时,磁流变液体没有磁化,软铁颗粒随机地分散在液体中,悬浮液的性能和普通的减震器油液一样。通电后,磁场使铁颗粒沿流体方向形成纤维结构排列,悬浮液的流动性因此产生变化。所以改变电流就改变阻尼性能,变化范围很宽。

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