车辆电控悬架的控制与现状

车辆电控悬架的控制与现状KIMIKANG（南京农业大学工学院，车辆工程）摘要：汽车电子控制悬架系统的目的是通过控制调节悬架的刚度和减震器阻尼，突破传统被动悬架的局限区域，使汽车的悬架特性与行驶的道路状况相适应，保证平顺性和操纵性两个相互排斥的性能要求都能得到满足。关键词：悬架；电子控制；弹簧刚度；减振阻尼力0引言传统的汽车悬架一般具有固定的弹簧刚度和减振阻尼力，它只能保证在一种特定的道路状态和速度下达到性能最优，因而不能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。例如降低弹簧刚度，平顺性会更好，乘坐更舒适，但会使操纵稳定性变差；相反，增加弹簧刚度虽可提高操纵稳定性，但会使车辆对路面不平度更敏感，平顺性降低。因此，理想的悬架系统应在不同的行驶条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力，以同时满足平顺性与操纵稳定性的要求。电控悬架系统就是这种理想的悬架系统，它通过对悬架系统参数进行实时控制，使悬架的刚度、减振器的阻尼系数、车身高度能随汽车的载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件变化而变化，使悬架性能总是处于最佳状态（或其附近），同时满足汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等方面的要求。1电控悬架的功能与类型1.1电控悬架的功能汽车电子控制悬架系统的目的是通过控制调节悬架的刚度和减震器阻尼，突破传统被动悬架的局限区域，使汽车的悬架特性与行驶的道路状况相适应，保证平顺性和操纵性两个相互排斥的性能要求都能得到满足。主要功能包括：车高调整、衰减力控制、弹簧刚度控制、侧倾角刚度控制等。1.2电控悬架的类型根据有无力发生器，可将电子控制悬架分为半主动悬架和全主动悬架两大类。1.2.1半主动悬架半主动悬架是根据路面冲击、车轮与车体的加速度、速度及位移信号仅实时调节悬架的阻尼系数，消耗来自不平路面的冲击能量，而不需要提供能量，以这种方式来改善悬架缓冲性能。半主动悬架无力发生器，即无源控制，结构简单、造价低、能量消耗小，是目前轿车上较为普遍采用的调节方式。图11-1所示是一种典型的半主动悬架，它是通过改变液压缸上下两腔节流口的过流面积，以调节-1-悬架的阻尼系数，在结构上更接近传统的机械悬架。1.2.2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、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），可改善汽车在坏路况的行驶性能和高速操纵稳定性。主动悬架是根据路面冲击、车轮与车体的加速度、速度及位移信号同时实时调节悬架的阻尼、刚度及车体高度。这种调节方式必须由外部提供能量。主动悬架实际是主动力发生器，可根据汽车的质量和地面的冲击载荷，自动产生相应的力与其平衡，保证汽车在各种路面条件下都具有较好的平顺性，相当于在不同工况下都能将悬架的刚度与阻尼系数自动调节到最佳值的调节装置。主动悬架在结构上有两种基本布置方式，一种是与从动悬架并置式，另一种是采用伺服驱动全独立式，如图11-2所示。根据悬架传递运动和能量介质的不同，主动悬架又可分为油气式主动悬架（液压式）和空气式主动悬架两种。2电控悬架的控制原理2.1半主悬架系统的控制原理半主动悬架系统的一般工作过程，如图1所示。半主动悬架系统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。图1半自动悬架系统的工作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2所示。图2半主动悬架控制模型图在悬架ECU中，事先设定了一个目标控制参数S它是以汽车行驶平顺性最优控制为目的设计的。汽车行驶时，安装在车身上的加速度传感器产生的车身振动加速度信号经整形放大后输入ECU，ECU立刻计算出当前车身振动加速度的方根值％（前一次为％），并与设定的目标参数。比较，根据比较结果输出控制信号。如果是。=气，ECU不输出调整悬架阻尼控制信号。如果是。＜气，ECU输出增大悬架阻尼控制信号。如果是。＞气，ECU输出减小悬架阻尼控制信号。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。当步进电动机带动驱动杆转动时，就改变了驱动杆与空心活塞的相对角度，从而改变减振器阻尼孔截面积，使减振器的阻尼发生变化。2.2主动悬架的控制原理主动悬架按其控制功能，可分为车速与路面感应控制、车身姿态控制和车身高度控制。2.2.1车速与路面感应控制车速与路面感应控制具备车速感应控制、前后车轮相关控制和坏路面控制三种控制功能。1）车速感应控制在车速很高时，悬架ECU输出的控制信号，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。当汽车速度超过110km/h时，悬架ECU就会根据车速传感器信号，经过计算分析后，输出控制信号。如果驾驶员选择的是“软”模式，则悬架的刚度和阻尼就自动从“低”状态转入“中”状态；如果驾驶员选择的是“硬”模式，则悬架在“中”状态保持不变。当车速降低后，悬架的刚度和阻尼又自动回到选定模式的经常保持状态。2） 前后轮感应控制当汽车前轮遇到路面接缝等单个的突起障碍时，悬架ECU输出控制信号，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。前后轮感应控制还与车速有关，当汽车以30〜80km/h的速度行驶遇到障碍时，安装在汽车前面的车身位移传感器的脉冲信号输入悬架ECU，ECU经过计算分析后输出控制信号。如果驾驶员选定的是“软”模式，后轮悬架保持“低”的状态；如果是“硬”模式，则从“中”状态自动转入“低”的状态，当后轮越过障碍后悬架又自动回到选定模式的经常保持状态。如果汽车的行驶速度超过80km/h，在前轮遇到障碍时，后轮悬架若转入“低”的状态会影响汽车的操纵稳定性，因此，无论在那种模式下，悬架的刚度和阻尼都将在“中”的状态。3） 坏路面感应控制当汽车进入坏路面行驶时，为抑制车身产生大的振动，悬架ECU输出控制信号，相应增大悬架的刚度和阻尼。当汽车以40〜100km/h的速度驶入坏路面时，车身位移传感器输出周期小于0.5s的车身高度变化信号。ECU经过计算分析后输出控制信号，如果是在“软”模式下，悬架就自动从“低”状态转入“中”状态；如果是在“硬”模式下，则保持“中”的状态不变。当汽车在高于100km/h的速度驶入坏路面时，如果是在“软”模式下，悬架会在“低”或“中”状态下转入“高”的状态；如果是在“硬”模式下，则从“中”转入“高”的状态。2.2.2车身姿态控制车身姿态控制是指在汽车车速突然转向等情况下，悬架ECU对悬架的刚度和阻尼实施控制，以抑制车身的过渡摆动，从而确保汽车乘坐舒适性和操纵稳定性。车身姿态控制包括:转向车身侧倾控制、制动车身点头控制和起步车身俯仰控制。1） 转向车身侧倾控制在汽车急转弯时，应增大悬架的刚度和阻尼，以抑制车身的侧倾。当驾驶员急打转向盘时，转向传感器将转向盘的转角和转速电信号输入悬架ECU，ECU经过计算分析后向悬架输出控制信号。如果驾驶员选择的是“软”模式，悬架就自动从“中”或“低”状态转入“高”状态；如果是在“硬”模式下，则从“中”转入“高”的状态。2） 制动车身点头控制在汽车紧急制动时，应增大悬架的刚度和阻尼，以抑制车身的点头。当汽车在高于60km/h速度下紧急制动时，车速传感器的车速信号的制动开关的阶跃信号输入悬架ECU，ECU经过计算分析后输出控制信号，调整悬架的刚度和阻尼。如果这时处在“软”模式下，悬架就自动从“中”或“低”状态自动转入-4-“高”状态；如果是在“硬”模式下，则从“中”转入“高”的状态。3）起步车身俯仰控制在突然起步或突然加速时，也应增加悬架的刚度和阻尼，以抑制车身的俯仰。在车速低于20km/h的情况下，驾驶员猛踩油门时，车速传感器的车速信号和节气门开度传感器的阶跃信号输入悬架ECU，ECU经过计算分析后输出控制信号，调整悬架的刚度和阻尼。如果这时处于“软”模式下，悬架就自动从“中”或“低”状态自动转入“高”状态；如果是在“硬”模式下，则从“中”转入“高”的状态。2.2.3车身高度控制车身高度控制是控制器在汽车行驶车速和路面变化时，悬架ECU对悬架输出控制信号，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、连续坏路面行驶控制、水平控制和驻车控制。1） 高速感应控制当车速超过90km/h时，为了提高汽车的行驶稳定性和减少空气阻力，悬架ECU输出控制信号，使排气阀和高度控制阀通电工作，悬架气室向外排气，以降低车身的高度。如果悬架是在“标准”模式下，则车身将从“中”状态降低到“低”状态；如果是在“高”模式，则从“高”状态转入“中”状态。当车速低于60km/h时，又恢复原有的高度。提高车身高度是通过ECU输出的控制信号，使空气压缩机和高度控制阀通电工作，将压缩空气送入悬架空气室实现的。2） 连续坏路面行驶控制汽车在坏路面行驶时，应该提高车身，以减弱来自路面的突然抬起感，并提高汽车的通过性能。当车身位移传感器连续2.5s以上输出大幅度的振动信号，且车速在40〜90km/h时，如果悬架是在“标准”模式下，则车高从“中”状态转为“高”状态；如果是在“高”模式，则维持在“高”状态不变。当汽车在连续不平路面行驶的速度在90km/h以上时，汽车的行驶稳定性优先考虑，在标准模式下将维持“中”状态不变，在“高”模式下则从“高”转入“中’’的状态。3） 自动水平控制自动水平调节就是无论汽车乘员人数或装载质量如何增减，车身高度自动维持在一恒定值，并使车身尽可能地保持水平。保持一定的车身高度不仅可以使汽车行驶保持稳定，而且还可以使汽车前照灯光束方向保持不变。4） 驻车控制当汽车处于驻车控制模式时，为了使车身外观平衡，保持良好的驻车姿势，当点火开关关闭后，ECU即发出指令，使车身高度处于常规值模式的低控制模式。3结语随着汽车技术的不断发展以及人们物质生活水平的不断提高，汽车的舒适性和安全性越来越受到人们的关注，传统的被动悬架已不能完全满足人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性等汽车性能的要求。电子控制悬架技术将电子技术、测控技术、机械动力学等有机结合，通过采用优化的控制策略，大大提高了悬架的相关性能以及系统的使用可靠性，相信电