传感器在汽车悬架系统中的应用

1、传感器在汽车悬架系统中的应用 王慧 北京林业大学工学院车辆工程随着社会的发展, 现代汽车已经由单纯的机电产品发展成为高级 机电一体化产品, 即所谓的 “电子汽车” 。 汽车传感器就是用来测量汽车 在运行过程中各大总成和整车工作状态及其参数的变化情况, 将不断变 化的机械运动变成电参数的变化, 并及时传送给电子控制器(计算机 、 各种仪表和指示灯, 以便车载计算机对发动机及其他总成进行控制, 使 驾驶员及时了解汽车各部件的工作状况, 从而提高车辆的使用性能。 一、传感器技术概述所谓传感器, 是指能感受规定的被测量, 并按一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置。 传感器通常由敏感元件、 转换元件

2、和转换 电路三部分组成, 如图1所示。 其中敏感元件是指能直接感受(或响应 被测量的部分, 即将被测量通过敏感元件转换成与被测量有确定关系 的非电量; 转换元件的作用是将上述非电量转换成电参量; 转换电路 的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、 电流等可测 电量, 以便进行显示、 记录、 控制和处理。二、汽车悬架系统的发展汽车悬架系统是车架与车桥之间一切传力连接装置的统称。 一般 由弹性元件、 减振器和导向元件组成, 如下所示。 在汽车行驶过程中, 悬架的作用是弹性地连接车桥和车架, 减缓行驶中车辆受到由路面不 平引起的冲击力, 保证乘坐舒适和货物完好, 迅速衰减由于弹性系统引 起

3、的振动, 传递垂直、 纵向、 侧向反力及其力矩, 并起导向作用, 使车 轮按一定轨迹相对车身运动。 悬架决定着汽车的稳定性、 舒适性和安 全性, 是现代汽车十分重要的部件之一。 汽车行驶的平顺性和操纵稳定 性是衡量悬架性能好坏的主要指标。1. 被动悬架被动悬架即传统式悬架, 主要由弹簧、 减振器和导向机构等组 成, 其中弹簧主要起减缓冲击力的作用, 减振器起衰减振动的作用。 被 动悬架的优点是成本低、 可靠性较高; 缺点是无法解决同时满足平顺 性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。被动悬架主要应用于中低档轿车上, 根据导向装置的不同, 被动 悬架分为非独立悬架和独立悬架。 非独立悬架结构简单、 工作

4、稳定, 主 要用于客、 货车上。 独立悬架采用断开式车桥, 每侧车轮可相对独立运 动, 平顺性较好。 但它结构较复杂, 成本较高。 现代轿车及一些轻型货 车上广泛采用独立悬架。 随着1954年GM公司的ErspielLabrosse在悬 架设计中的主动控制思想的提出, 悬架系统的半主动形式及主动形式 在实际车型中得已广泛应用。2. 电子控制悬架电子控制悬架是通过电子控制单元来控制相应的执行元件, 改变 悬架的特性以适应各种复杂的行驶工况对悬架系统的不同要求, 从而 使舒适性、 平顺性、 操纵稳定性同时得到改善。 电子控制悬架没有固定 的悬架刚度和阻尼系数, 可以随着道路条件的变化和行驶需要的不

5、同 自动调节, 从根本上解决了平顺性和操纵稳定性之间的矛盾, 提高了汽 车的使用性能。 按悬架系统结构形式, 现代的电子控制悬架系统分为 电控主动液压悬架和电控主动空气悬架; 根据系统有源或无源可分为 半主动悬架和全主动悬架。世界各国的汽车行业目前都将主动、 半主动悬架列为重要的研究 目标之一。 早在1982年, Lotus公司就研制出有源主动悬架系统, 瑞典 Volvo公司在其车上安装了实验性的Lotus主动悬架系统。 丰田汽车公 司1986年的Soarer车型采用了能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空 气悬架。 1989年丰田Celica车型上装置了真正意义上的主动油气悬架 系统。 尼桑公司

6、在90年的InfiniteQ45轿车上也装备了液压主动悬架。 此外, 保时捷, 福特, 奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各自开发的 主动悬架系统。三、传感器在电子悬架系统中的应用现状 电子悬架系统可以根据悬架位移(车身高度 、 车速、 转向和制动等 传感器信号, 由电子控制器(ECU控制电磁式或步进电动机式执行元件, 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。 1. 车高传感器与车高自动调整车高传感器信号可使ECU根据汽车载荷的大小, 通过有关执行元 件, 随时对车身高度进行调节, 以维持车身高度基本不随载荷的变化 而变化;还可以在汽车起步、 转向、 制动以及前、 后、

7、左、 右车轮载荷相 应发生变化时, 随时调整有关车轮悬架的刚度, 以提高汽车抗俯仰、 抗 侧倾的能力, 从而保证良好的操纵稳定性;也可以在汽车各轮载荷不同 时, 分别对各轮悬架的高度进行调节, 以维持车身姿式基本不变。 车高 传感器用来把车身高度的变化(悬架变形量的变化转变为电信号, 并 输入ECU。 车高传感器仅用于主动悬架系统。汽车行驶中, 因车身的振动, 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(10ms来判定车高在某区间的百分比频度, 据此来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。2. 光电式转角传感器转角传感器装于转向轴管上, 可向EC

8、U提供摘要:汽车的现代化与电子技术及传感器关系密切,汽车已成为传感器应用的重要领域。本文主要讲述汽车悬架的发展,并以汽车悬架系统 为代表讲述传感器在汽车领域中的应用。关键词:汽车悬架系统 传感器 应用现状 未来发展124 125Design Ideas 汽车转向速率、 转角大小及转向方向信息, 由ECU确定需调哪些车轮的 悬架及调节量需要多大。 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。3. 加速度传感器作用:直接检测车身横向加速度和纵向加速度, 以控制车身姿 势。 主要采用差动变压器式加速度传

9、感器一次线圈 (励磁线圈 通交流 电, 汽车加、 减速或转向时, 心杆产生位移, 二次线圈 (检测线圈 输出 电压发生变化, 电压与汽车纵向力或横向力一一对应。4. 节气门位置传感器常见的节气门位置传感器有开关型和线性可变性两种, 一般安装 在节气门体上。(1 工作原理:ECU通过端子VL输送给传感器约5V的恒定电限, 当节气门开度发 生变化时, 节气门轴使带动电位计上的滑动触点在电阻片上滑动, 由端 子将该电1副言号输送给ECU。 ECU通过节气门位置传感器可以获得表 示节气门由全闭到全开的听有开启角度的连续变化的模拟信号(即电 压信号以及节气门开度的变化速率从而更精确地判断发动机的工况,

10、提高控制精度和效果。 该传感器在其中设有一个怠速开关, 只有节气 门在全闭时才会被接通, 产生怠速信号, 并由端子IDL输送给ECU, 以使 ECU对发动机进行怠速控制。(2 作用 :判断汽车是否进行急加速。 5. 车速传感器车速传感器安装在汽车传动箱内速度表软轴上的端头, 或仪表匣 内速度表软轴的末端。 它能在高、 低不同的行车速度时发出高、 低不同 频率的电信号。 电子计算机则按此信号控制变速箱的排档位置, 点火 定时、 燃油喷射、 排汽控制等均处于最恰当的状态。常用的车 速传感器有 :舌簧开关式、 磁阻元件式、 磁脉冲式、 光电式。四、汽车悬架系统的最新技术随着电子技术的发展, 出现了可

11、变特性悬架控制系统。 它可根据 运行条件与路面状况, 以手动控制悬架特性变化。 现时引人注意的是 奔驰公司发展的ABC(Active Body Control系统, 可算是相对先进的 主动悬架系统代表。ABC系统的控制感应装置由两个微型处理器及13个传感器组成, 每10s对悬架系统作一次扫描和调整。 各传感器分别向微处理器传送车速、 车轮制动压力、 踏动油门踏板的速度、 车身垂直方向的振幅及频 率、 转向盘角度及转向速度等数据。 电脑不断接收这些数据并与预先 设定的临界值进行比较。 同时, ABC系统使汽车对侧倾、 俯仰、 横摆、 跳 动和车身高度的控制都能更加迅速、 精确, 即使在路况较差的

12、路面上, 汽车的跳动也很小。 而且汽车高速行驶和转弯的稳定性大大提高。 该 系统能够很好地适应各种路面情况, 即使在异常崎岖不平的地方, 轿 车也能保持优越的操纵性、 舒适性及方向稳定性。目前, 这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最新的C系列轿 车上, 虽然价格不菲, 但也赢得极佳的口碑, 被誉为是动力性能和乘坐 舒适性改进的一个里程碑。五、传感器未来发展趋势随着传感器应用领域的不断扩大, 借助半导体的蒸镀技术、 扩散 技术、 光刻技术、 精密加工及组装技术等, 传感器从单个元件、 单一功 能向集成化和多功能化方向发展。 所谓集成化, 主要是指利用半导体加 工技术, 将敏感元件、 信息处理或

13、转换元件以及电源电路等元件制作在 同一芯片上。 智能传感器是指将传感器与微处理机相结合, 使其具有信 息检测与处理的功能。 智能传感器通常将信号检测、 处理和驱动回路等外围电路全部集成在一块基片上, 使传感器具有数据处理、 逻辑判断、 自诊断及自适应等功能。 这类传感器具有多功能、 高性能、 体积小、 适 宜大批量生产和使用方便等优点, 是传感器技术的发展方向。汽车传感器向集成化、 智能化方向发展已是大势所趋。 汽车智能 化程度的不断提高, 必将导致传感器技术在汽车中的应用更加重要, 其开发前景会更加美好。 多功能智能化传感器的研究与开发又会促进 汽车智能化技术的提高二者相互促进。参考文献:1 董辉.汽车用传感器M.北京:北京理工大学出版社.2000.3 陈家瑞.汽车构造(下册M.北京:人民交通出版社.2006.4 李 军. 汽 车 主 动 悬 架 控 制 方 法 的 现