电子控制悬架系统的组成和工作原理.docx

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电子控制悬架系统的组成和工作原理

电子控制悬架系统的组成和工作原理

毕业设计（论文）任务书

Ⅰ、毕业设计（论文）题目

电子控制悬架系统的组成和工作原理

Ⅱ、毕业设计（论文）选题意义及要求

Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容和进度安排

Ⅳ、主要参考资料

教学系专业班

学生姓名（学号）

毕业设计（论文）时间：

自年月日至年月日

答辩时间：

年月日成绩

指导教师：

摘要

随着人类生活水平的提高，人们对汽车的舒适性的要求也越来越高。

传统的汽车悬架系统，汽车空调系统等已不能满足人们的要求。

人们希望空调的温度能随环境的变化而自动调节汽车车身的高度，悬架的刚度，减震器的阻尼的大小能随汽车载荷，行驶速度，以及路面状况等行驶条件的变化而变化。

为了满足人们对汽车舒适性的要求。

20世纪90年代以来，在汽车电子技术以及高速公路发展的同时，各汽车公司相续开发了电子控制悬架系统等提高舒适型的电子系统。

汽车悬架在协调汽车的舒适性和操作稳定性方面起着至关重要的作用。

传统的被动悬架由于其自身固有的局限性而无法根据路面及行驶状况的变化做出适当调整从而汽车的整体行驶性能达到最佳。

研制和开发新型的悬架势在必行。

电控悬架由于能够改善汽车的整体行驶能而备受关注。

其中主动悬架由于机构简单。

成本低而更具有实用性。

电子技术的日趋完善、时至今日、汽车电子化已达到相当高的程度。

根据汽车电子技术已成为一个国家汽车工业发展的标志。

本篇论文不仅对应用广泛的电子控制悬架系统的原理进行了系统阐述、而且对其诊断与检测和发展趋势也作了详细的介绍。

关键词：

电子控制悬架系统传感器，电控空气悬架系统电子控制模块，减震器

Abstract

Alongwiththeimprovementoflivingstandards,therequirementsofthevehiclecomfortisgettinghigherandhigher.Theautomobilesuspensionsystemoftraditional,automobileairconditioningsystemshavebeenunabletomeetpeople'srequirements.Peoplehopetheairconditioningtemperaturewithchangesintheenvironmentandautomaticallyadjusttheheightofthevehiclebody,suspensionstiffness,damperdampingwiththevehicleload,speed,andtheroadconditionssuchasdrivingconditionschange.

Inordertomeettherequirementsofthecomfortofautomobile.Sincethenineteen,intheautomotiveelectronictechnologyandtheexpresswaydevelopmentatthesametime,thecompanycontinueddevelopmentoftheelectroniccontrolsuspensionsystemcanimprovethecomfortofelectronicsystem.Vehiclesuspensionsystemplaysavitalroleinthecoordinationofthevehiclecomfortandmanipulationstability.Thetraditionalpassivesuspensionduetotheirowninherentlimitationsandcannotchangeaccordingtotheroadsurfaceandthedrivingsituationandmakeappropriateadjustmentstotheoverallperformanceofvehicletoachievethebest.Researchanddevelopmentofnewsuspensionbeimperative.Electroniccontrolsuspensionhaveattractedmuchattentionduetotheoverallimprovementofthevehiclecanbe.Theactivesuspensionbecauseofitssimplemechanism.Lowcostandmorepractical.Electronictechnologyisbecomingmoreperfect,today,automotiveelectronicshasreachedaveryhighlevelof.Accordingtoautomotiveelectronictechnologyhasbecomeasymbolofnationalautomobileindustrydevelopment.Thisthesisisnotonlytheprincipleofelectroniccontrolsuspensionsystemforthesystemaredescribed,andthediagnosisanddetectionanddevelopmenttrendareintroducedindetail.

Keywords:

electroniccontrolsuspensionsystemsensors,electroniccontrolairsuspensionsystemofelectroniccontrolmodule,shockabsorber

第1章绪论

1.1电控悬架的发展

随着人类生活水平的提高，人们对汽车舒适性的要求也越来越高。

传统的汽车悬架系统汽车空调系统等已不能满足人们的要求。

人们希望空调调节的温度能随环境的变化而自动调节汽车车身的高度，悬架的刚度，减震器的阻尼的大小能随汽车的载荷，行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。

为了满足人们对汽车舒适性的要求。

20世纪90年代以来在汽车电子技术以及高速公路发展的同时，各汽车公司相续开发了电子控制悬架系统等提高汽车舒适性的电子控制系统。

1.2目前国内外汽车悬架发展的状况

20世纪30年代初，美国凡世通轮胎公司首次把空气弹簧应用于汽车工业。

哈维·凡世通HarveyFirestone在亨利·福特一世、HenryFordI.、和托马斯·阿瓦·爱迪生、ThomasAlvaEdison的技术支持下，在1934年研制出了柱式空气弹簧悬架系统——AIREDE空气弹簧。

图1-1柱式空气弹簧悬架系统—空气弹簧

1944年通用汽车公司与凡世通公司合作，在其客车上进行了首轮试验。

试验结果显示了空气悬架系统的内在优越性。

通用汽车公司经过大量的产品研制开发工作。

1953年开始试生产装有空气悬架的客车。

这是商用汽车采用空气弹簧悬架的开始。

20世纪50年代中叶，固特异轮胎公司研制出一种滚动凸轮式空气弹簧，凸轮在活塞的型面上滚动从而控制空气弹簧的负载变化关系曲线。

同时..空气控制系统的巨大进步也为空气悬架的应用起了很大的推动作用。

随后不久，空气悬架技术在欧洲也得到很快发展。

但欧洲的发展道路和北美有些不同。

欧洲的汽车生产厂商并未将空气悬架变成单独总成..而是各自开发满足其独特车型需要的空气悬架。

这种不同的发展道路使欧洲的空气悬架设计只适用于某种具体车型，并采用一些复杂技术，因而其成本较高。

而北美的空气悬架通用性较强，应用较简单，成本较低。

美国纽威·安柯洛克国际公司在1951年成立时即作为一家悬架系统的专业生产厂家。

为公路和非公路行驶的重型车辆设计和制造钢板弹簧悬架系统。

不久纽威公司向商用车市场投放了世界上第一种实际应用的空气悬架系统。

因其通用性强，结构简单，成本较低，迅速占领了北美市场。

随后纽威公司开发了一系列空气悬架产品，应用于世界各地的客车、货车、小轿车及铁道车辆上。

目前国外高级大客车几乎全部使用空气悬架..重型载货车使用空气悬架的比例也已达80%以上。

空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升。

部分轿车也逐渐安装使用空气悬架..如美国的林肯、德国的Benz300SE和Benz600等。

在一些特种车辆。

如对防振要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等上空气悬架的使用几乎为唯一选择。

国外汽车空气悬架发展经历了“钢板弹簧气囊复合式悬架→被动全空气悬架→主动全空气悬架即ECAS电控空气悬架系统..”的型式变化。

主动全空气悬架应用了电子控制系统。

使传统的空气悬架系统的性能得到很大改善。

汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制..并增加了许多辅助功能.，如故障诊断功能等。

目前ECAS系统在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用。

随着人们生活水平的提高。

对汽车舒适性的要求越来越高，可以预见ECAS这一先进的空气悬架系统越来越普及。

1.3我国空气悬架的应用发展现状

目前国内拥有空气悬架项目的公司为数众多。

但真正拥有空气悬架系统设计开发、制造的寥寥无几..规模也十分有限。

目前国内具有代理性质但无实际设计能力的公司居多。

主要以代理美国、德国、韩国、日本产品为主..公司规模一般不大产品有限。

由于代理公司主要是以追求经营利润为导向，对设计匹配等技术环节往往存在先天不足导致主机厂出现问题时无法及时解决等问题，影响被代理产品的声誉及市场。

因此国外的制造公司也纷纷以不同的方式直接介入中国市场。

比如，美国FIRESTON公司在允许一定代理的同时在上海设立了销售办事处，日本NHK弹簧公司在重庆合资成立。

NHK重庆公司，韩国大圆钢业会社在天津合资成立大圆天津公司，丹麦丹拂斯公司在天津合资成立丹拂斯天津公司，美国固特异公司在大连、青岛相继建立工厂。

另外整车厂为降低成本把空气悬架系统细分成气囊、推力杆、直拉杆、稳定杆、高度阀、平衡阀、线束、减振器、导向臂等项目采购，也导致了国内空气悬架产品的部件加工、制造正在往高度离散的方向发展。

空气悬架在我国的应用已经落后国外几十年，直到近几年随着高档客车制造技术的引进以及人们对舒适性要求的提高，加上国家对客车等级划分的标准要求。

空气悬架才开始逐步应用起来。

目前空气悬架主要集中应用在高等级客车上，但是受多方面因素的制约。

空气悬架的配置率还很低。

基本上还属于“导入”阶段。

据掌握的不完全资料，国内部分数量相对较大的应用主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、扬州亚星、一汽客车、东风杭汽等规模较大的主要客车及底盘厂家。

此外国内其它一些客车厂家也都是少批量、以选装国外空气悬架产品为主。

目前汽车空气悬架在载重货车的应用国内尚处于起步阶段。

由于国内已经能够生产优质的空气悬架部件以此为支撑汽车主机厂开始自己设计空气弹簧悬架产品。

其产品符合中国道路状况和车辆实际条件并选装国内优秀的部件成本降低。

以郑州宇通客车股份有限公司为例.2000年以前采用北京柯布克公司代理的产品，由于该产品与中国车辆、道路匹配出现了一系列问题。

后来部分采用其他公司代理的产品，同样出现了问题。

而且存在成本昂贵的因素。

所以宇通公司成立了“郑州百特零部件公司”自己设计匹配分散采购。

2002年宇通公司本部生产空气悬架客车235辆除“猛狮”系列属德国进口底盘外，国产车空气悬架各部件大多为国内加工制造。

由于一些主机厂本身在空气悬架系统方面无研制开发能力，完全依赖于外部市场，从而采取了直接进口国外成熟的空

气悬架系统产品或是依靠国内的有关公司。

以安凯、西沃为典型代表。

以空气弹簧悬架取代传统的钢板弹簧悬架既是必然趋势也是现实的客观要求。

目前摆在国内商用车厂商面前的形势是谁先掌握了汽车空气悬架的开发技术谁领先开发出配置空气悬架的成熟车型..谁就掌握了今后若干年内商用车市场的先机和主动。

因此对于我国汽车业界而言，空气悬架项目不仅仅是一个难得的商机。

更重要的意义在于空气悬架的广泛应用可以较快提升我国商用车的档次、技术水平和市场竞争力..缩短与国外商用车的技术、等级差距。

巩固和扩大国产商用车的市场份额。

我国长春汽车研究所早在1957年就开始了空气悬架技术的研究，不少高校的相关专家及研究机构多年来也做了大量富有成效的工作。

并取得了许多重要研究成果。

但是由于种种原因，这些研究成果大多还停留在理论上。

产业转化率非常低，导致许多有价值的研究没能继续坚持和深入下去。

我国汽车悬架技术的研究和应用与欧美等发达国家相比处于明显的落后地位。

目前我国在汽车悬架系统方面，除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟以外。

其它悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进、仿制或直接购买产品阶段。

悬架产品的设计开发滞后。

一方面表现在设计手段落后，计算机应力分析、动态仿真在企业中应用还较少。

另方面没有建立一套完善的设计评价体系。

在美国由于空气悬架的普遍应用，已经成就了一批专门从事空气悬架设计、制造的悬架专业公司。

我国交通行业标准《营运客车类型划分及等级评定》已经规定高级大、中型客车要采用空气悬架，但既没有一家整车厂能独立设计出空气悬架并成功地应用于整车，也没有一家悬架专业公司能够设计出并向市场提供成熟的气悬架产品。

虽然我国加入WTO之后，汽车及零部件产业会全面融入全球经济一体化汽车。

行业可以实现全球采购，但是不能拥有悬架设计和制造的关键技术。

整车的市场竞争力肯定会削弱。

根据这种状况，我国汽车零部件企业应当抓住机遇，加快研发空气悬架产品。

首先必须明确划分空气悬架系统设计开发的权限与分工。

由研发部门负责研发方向、确定系统特性参数，指定具体的二级开发单位，实现产品的快速研发和升级换代。

其次要从产品的工艺路线入手，制定合理的开发配套模式，集中于一家公司采取“二级开发、总成集配、模块供货”。

最后应摒弃狭隘的自主开发理念积极开展与国外强势企业的合资合作加快融入空气悬架领域的国际竞争、合作和发展。

最终实现我国商用汽车整体技术水平及竞争实力的提升。

第2章汽车悬架结构组成

2.1汽车悬架的功用和组成

悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统（车架或承载式车身）之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。

2.1.1汽车悬架的功用

汽车悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩。

并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动。

以保证汽车的行驶平顺性。

为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷并依靠其变形来吸收能量达到缓冲的目的。

采用弹性联接后汽车可以看作是由悬挂质量（即簧载质量）、非悬挂质量（即非簧载质量）和弹簧（弹性元件）组成的振动系统。

承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。

为了迅速衰减不必要的振动。

悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。

此外悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。

导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化。

以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。

在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。

2.1.2汽车悬架的组成

尽管一百多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直在不断地演进..但从结构功能而言它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。

在有些情况下某一零部件兼起两种或三种作用。

图2-1钢板弹簧非独立悬架兼起弹性元件及导向机构的作用.

图2-2麦克弗逊悬架

2.2汽车悬架的分类及设计时注意事项

根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。

图2-3汽车悬架示意图

独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架或车身弹性地连接，当一侧车轮受冲击。

其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。

这样使得发动机可放低安装。

有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。

独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。

非独立悬架其特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上。

当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。

若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化降低成本。

目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。

非独立悬架由于非簧载质量比较大高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大平顺性较差。

汽车悬架中，左右车轮各自“独立”地与车架或车身相连或构成断开式车桥按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等。

除上述非独立悬架和独立悬架外还有一种近似半独立悬架。

它与近似半刚性的非断开式后支持桥相匹配。

当左右车轮跳动幅度不一致时..后支持桥中呈V形断面并与左右纵臂固结在一起的横梁受扭。

由于其具有一定的扭转弹性，故此种悬架既不同于非独立悬架也与独立悬架有别。

该弹性横梁还兼起横向稳定杆的作用。

按照弹性元件的种类，汽车悬架又可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等。

按照作用原理，可以分为被动悬架、主动悬架和介于二者之间。

对于传统的悬架系统而言当其结构确定后，就具有固定的悬架刚度和阻尼系数。

在车辆行驶过程中无法进行调节，也就是在汽车行驶过程中不能人为地加以控制。

因此悬架减振性能的进一步提高受到了限制。

这种车辆在行驶过程中悬架刚度和阻尼系数不能改变的悬架称为被动悬架。

被动悬架在汽车行驶过程中平顺性和操纵稳定性不能兼而有之。

主动悬架有作为直接力发生器的动作器可以根据输入与输出进行最优的反馈控制使悬架有最好的减震特性，以提高汽车的平顺性和操纵稳定性。

它由弹性元件C和一个力发生器Fe组成。

半主动悬架可看作由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统..虽然它不能随外界的输入进行最优的控制和调节，但它可按存储在计算机的各种条件下最优弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态。

它由弹性元件C和一个一个阻尼系数能在较大范围内调节的阻尼器组成。

如前所述，汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了一个振动系统。

该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。

该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命。

此外悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。

因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求.

（1）通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性具

有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩伸张行程极限点发生硬冲击。

同时还要保证轮胎具有足够的接地能力。

（2）合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性要求。

（3）导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可能引起转向轮摆振。

（4）侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时的车身纵倾（即所谓“点头”和“后仰”）。

（5）悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小。

（6）便于布置在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间。

（7）所有零部件应具有足够的强度和使用寿命。

（8）制造成本低。

（9）便于维修、保养。

悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。

由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。

第3章电控悬架系统概述

3.1电子控制悬架系统的功用

电子控制悬架系统（ECSS.ElectronicControlledSuspensionSystem）又称电子调节悬架系统（ElectronicModulatedSuspensionSystem）简称EMS。

3.2电子控制悬架系统的组成

电子控制悬架系统主要由前车身高度传感器、后车身高度传感器、方向盘转向与转角传感器、节气门位置传感器和车速传感器、控制开关、电子调节悬架电控单元EMSECU和执行器组成。

车身高度传感器采集前后车身的高度信号、方向盘转向与转角传感器采集汽车行驶方向信号、节气门位置传感器采集驾驶员加或减速信号、车速传感器采集汽车行驶速度信号。

传感器和控制开关向EMSECU输人车身以及汽车行驶的状态信息、EMSECU接收传感器和控制开关输人的电信号、并向执行元件发出控制指令、执行元件产生一定的机械动作、从而改变车身高度、空气弹簧的刚度或减振器的阻尼。

不同汽车电子调节悬架系统的功能与零部件组成各不相同。

图3-1电子悬架系统结构图

如三菱汽车。

高度控制开关、高度控制自动切断开关、驾驶模式选择开关、制动灯开关、前后悬架控制执行器、前后高度控制继电器、前后高度控制阀、储气筒与调节阀、高度控制空气压缩机、干燥器与排气阀总成等组成。

高度控制开关设有“High车身高”和“Normal车身高度正常”两个挡位、操纵高度控制开关能使汽车车身的目标高度变为“正常”状态或“高”状态。

但是由于高速行驶时车身过高会降低车身的稳定性、因此当高度控制开关处于“High”位置且车速

达到一定值时、高度控制系统能自动将车身高度降低到“正常”状态、保证汽车的行驶稳定性和减小行驶阻力。

当点火开关断开后、如果车身高度因乘员或载荷量变化而高于目标高度时、高度控制系统能自动将车身高度降低到目标高度、从而改善汽车驻车时的姿势。

电控悬架由传感器、电子控制单元和执行器三部分组成。

第4章电子控制悬架系统执行器

4.1电控空气悬架系统执行器的功用

悬架执行器的作用就是驱动主、副气室的空气阀阀心和减振器阻尼孔的回转阀、使其转动、从而实现对悬架刚度和阻尼参数的控制。

图4-1电控空气悬架系统执行器

4.2悬架系统执行器的结构和原理

当悬架ECU控制步进电机动作时、带动小齿轮转动、小齿轮驱动扇形齿轮转动。

与扇形齿轮同轴的阻尼调节杆带动回转阀旋转、从而使阻尼孔开闭的数量发生变化、达到调节减振器阻尼的目的。

同时阻尼调节杆上通过齿轮带动空气阀控制杆转动、使空气阀阀心转动、随着阀心转动角度的改变、使空气弹簧的刚度也得到调节。

悬架系统执行器上还有一个电磁线圈、当电磁线圈不通电时、由它控制的制动开关松开、制动杆处于空气悬架的组成扇形齿轮的滑槽内、扇形齿轮可以转动。

当电磁线圈执行器，副气室，减振器调整杆。

通电而吸合制动开关时、制动杆往回拉、各齿轮处于锁止状态、阻尼调节杆和空气阀控制杆都不能转动、此时悬架的刚度参数和阻尼参数都为固定值、悬架系统处于相对稳定的状态。

图4-1电控空气悬架系统执行器的结构和工