【检修知识】电子把持悬架的简介

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1。悬架的基本功能汽车的悬架装置是连接车身和车轮的所有零部件的总称，主要由弹簧(如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆等)组成。 当汽车行驶在不同路面上，车轮受到随机激励时，悬架装置实现了车身与车轮之间的弹性支撑，有效地抑制和减小了车身与车轮之间的动载荷和振动，从而保证了汽车的平顺性和操纵稳定性，达到了提高平均行驶速度的目的。 图5.1.1所示为螺旋弹簧和液压缸减震器组成的普通悬架。这种悬架的结构确定后，其弹簧刚度K和减振器阻尼系数C在行驶过程中是不能人为控制和改变的，即具有固定的悬架刚度和阻尼系数，所以也叫被动悬架。 这种悬挂产生的弹力和阻尼力是由路面和车速决定的。虽然不能适应大范围的路况，但由于加工容易，成本低，仍是目前汽车中的主导设备产品。 汽车平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能的主要指标，但这两方面是相互排斥的性能要求。 乘坐舒适性一般通过车身或车身某一部位(如汽车地板、驾驶座等)的加速度响应来评价。)，而操纵稳定性可以通过车轮的动载荷来衡量。 图5.1.2给出了弹簧刚度和减振器阻尼不同时，车体加速度与轮胎载荷变化的关系。 例如，如果降低弹簧的刚度，车身的加速度会降低，平顺性会提高，但同时车身的位移会增加，从而车身重心的变化会增加轮胎载荷的变化，对操纵稳定性产生不利影响。另一方面，增加弹簧的刚度会提高操纵稳定性，但硬弹簧会使汽车对路面不平度非常敏感。 ，降低乘坐舒适度。 因此，理想的悬架应该在不同的使用工况下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，能够满足乘坐舒适性和操纵稳定性的要求。 被动悬架具有固定的悬架刚度和阻尼系数，因此结构设计只能满足平顺性和操纵稳定性之间的矛盾妥协，无法达到悬架控制的理想目标。 如图5.1.2所示，赛车由于行驶速度高，路况复杂多变，需要保证良好的操纵稳定性，这是以牺牲一定的乘坐舒适性为代价的。豪车一般驾驶环境都很好。为了保证良好的乘坐舒适性，牺牲了一定的操纵稳定性。 为了使被动悬架适应不同的路况，通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性，如变螺距螺旋弹簧和三段阻力控制的液压减振器。 图5.1.3所示为汽车被动悬架中常用的双缸液压减振器，以液压油为工作介质。流体流经节流阀时，产生与车身和车轮振动速度相反方向的节流阻力，从而达到阻尼车身和车轮振动的效果。 减振器工作时，工作缸和活塞相对较远(对应车轮弹向地面)的过程称为恢复行程，工作缸和活塞相对较近(对应车轮弹向车身)的过程称为压缩行程。 汽车行驶时，减震器处于“压缩-恢复”两个冲程的连续交替过程中。工作流体流经工作缸中的活塞阀和工作缸与储油室之间的底阀系统。两个阀门系统之间的相互配合构成了总是与振动方向相反的阻尼阻力。 减振器产生的阻尼力与其工作速度(定义为活塞与工作缸的相对速度)的关系称为减振器的速度特性。 如图5.1.4所示。 速度特性是评价减振器性能和悬架匹配设计的基础。 在图中，fe和ve表示恢复阻力和恢复速度，fc和vc表示压缩阻力和压缩速度。 当速度相同时，通常fc = (0.25 ~ 0.50) Fe 图中所示的速度特性曲线可分为三个阶段，即恒通孔节流阶段，其中阻尼系数为ce和cc，有Fe = CE V和FC = CC V；后期弹性元件控制阀门节流时，也有一个近似线性的阻尼系数(可以用ce '和cc '表示)。第三阶段是弹性元件达到最大变形，控制阀达到最大开度。此时基于更大的节流孔节流，形成更高的工作阻力，存在近似线性的阻尼系数(可用ce ' '和cc ' '表示)。 这样，整个非线性速度特性可以看作是分段线性的。 由于不同阶段减振器提供的阻尼力不同，这三个速度阶段的阻尼力变化关系也称为被动悬架的“三段式阻力控制”。 阻力与速度的关系直接影响汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性。 低工作速度阶段对应于低车速或较好的路面。此时平顺性是主要矛盾，提供的阻尼力较低。高工作速度阶段对应于高车速或较差的路面。此时操纵稳定性是主要矛盾，提供的阻尼力更高。 控制电子汽车悬架的基本目的是通过控制和调节悬架的刚度和减振器阻尼来突破被动悬架的有限区域。使汽车的悬架特性适应行驶路况，保证满足乘坐舒适性和操纵稳定性这两个互斥的性能要求。 目前电控悬架有主动悬架和半主动悬架两种。电子控制的半主动悬架已达到商品化水平，而主动悬架仍处于理论研究和样机开发阶段。 2.主动悬架的基本概念由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车的平顺性和操纵稳定性之间进行妥协，对于不同的应用要求，我们只能在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能，无法满足粗放的性能要求和路况。 被动悬架虽然在设计上通过不断改进被动元件达到了低成本、高可靠性的目的，但始终无法彻底解决乘坐舒适性和操纵稳定性之间的矛盾。 因此，自20世纪60年代以来，主动悬架的概念应运而生，并随着现代控制理论和电子技术的发展及其在汽车上的广泛应用，为从根本上解决乘坐舒适性和操纵稳定性之间的矛盾展示了一条新的途径。 活性悬浮液的组成如图5.1.5所示。电液作动器用来代替被动悬架的弹簧和减振器。 主动悬架既没有固定的刚度，也没有固定的阻尼系数，可以随着路况的变化和驾驶需求的不同要求，自动改变减震器的弹簧刚度和阻尼系数。 悬架控制的最终目的是独立控制每个车轮。 主动暂停一般包括决策和执行两部分。决策部分是由ecu和传感器组成的闭环控制系统。它通过监测路况、车辆行驶状态和驾驶员需求，按照设定的控制规则及时向执行器发出控制命令。执行器部分包括安装在每个车轮上的电动液压执行器和电源。 目前，液压伺服机构是主动悬架的理想执行机构。 利用液压伺服缸与普通弹簧并联，结构的排列方式有上千种。优点是用被动弹簧来承受车身重量，可以大大减少所需的外部能量，但执行机构需要高频响应特性。另一种方法是用液压伺服缸串联普通被动弹簧。优点是执行器只需要低频响应特性，但所需的外部空间和能量比较大。 在理论和实践研究中，主动悬架控制方法主要包括反馈控制、预测控制和决策控制。 ①反馈控制 图5.1.6显示了主动悬架研究中常用的L/4汽车模型和反馈控制框图。 主动悬架反馈控制方法实现了执行机构的实时连续调节，对控制系统的稳定性、精度和反应速度要求很高，需要大量的信息和计算。 通常，最优控制算法和自适应控制算法用于将“悬浮控制”视为跟踪问题或随机干扰滤波问题。 最优控制算法应用状态空间方法，用状态变量表示加权二次型性能指标，通过求解优化问题得到控制执行器的最优控制律。 从某种意义上说，这种控制规律就是某些性能指标(通常是车身加速度的均方值)达到最小值；自适应控制算法是通过监测车体和悬挂系统的状态，在线积累与控制函数相关的信息，修改控制系统的结构参数和控制规则，使给定的性能指标尽可能达到最优并保持最优。 ②预测控制 如图5.1.7所示，预测控制以反馈控制为基础，由额外的遥测传感器和预测时间L/V/(L为测量距离，V为车速)的相关电子系统组成。 在这样的系统中，可以提前测量出发出相关控制指令所需的未来信息，而不是在“干扰”经过车轮时才“做出反应”，从而使执行器的运动与实际要求同步，既降低了动力需求，又提高了驾驶性能。 研究如何获得控制指令所需的信息，以及如何将更有效的方法应用于悬架控制的，称为“预测控制”。 预测控制系统的控制律包括状态变量线性函数的反馈和未来扰动积分函数的前馈。 前馈部分用于校正执行器的惯性，这意味着车轮具有更好的路面形状跟踪性能，车身具有平缓的瞬态响应。 因此，预测控制是降低路面扰动对车轮和车身影响的有效方法。 其中，如果在前馈部分计算所有未来干扰的积分函数，称为无限预测；如果未来干扰是由白噪声输入的确定性或已知的成形滤波器产生的，如果只需要计算[0，L/V]范围内的积分，则称为有限预测。 ③决策控制 在该控制方法中，预先测量汽车在不同道路和工况下行驶的振动响应，通过优化计算得到所需的最佳悬架刚度和阻尼系数，并存储在主动悬架控制系统ecu的rom中。 实际中，ecu不断检测车辆在行驶过程中的振动响应，立即找出在相应工况下要选择的最优或次优悬架刚度和减振器阻尼系数，并控制执行器做出响应。 主动悬架在提高车辆平顺性和操纵稳定性的同时，给悬架的理论和实践研究带来了巨大的变革。 不过，虽然它的优势很明显，而且在发达工业国家，已经有了配备主动悬架的样车，但要把主动悬架推上汽车生产线，仍然是一个审慎而缓慢的过程。 首先，由于主动悬架的控制系统需要复杂的传感器和电子控制设备，执行机构不仅要选择高精度的液压伺服装置，还需要较大的外部功率驱动，导致成本高、结构复杂、可靠性低。只有主动悬架所需要的硬件，尤其是执行器变得更加经济可靠，才能进入决定性的市场发展阶段；其次，主动悬架研究的基本经验和教训是，“主动悬架”摆脱了众所周知的平顺性和操纵稳定性的矛盾，但却造成了性能和执行器功率+的新矛盾，即主动悬架驱动执行器所需的功率相当可观。所以从20世纪70年代开始，产生了主动悬架和被动悬架的折中，即半主动悬架。 3.半主动悬架的基本概念半主动悬架通常是指悬架元件的弹簧刚度和阻尼器阻尼系数之一可以根据需要进行调节和控制的悬架。 为了降低作动器所需的功率，半主动悬架的研究主要集中在调节减振器的阻尼系数上。 阻尼可以根据需要调节的阻尼器也叫可调阻尼阻尼器或主动阻尼器，在概念上类似于F普通阻尼器，但工作油的流通面积可以通过控制阀来调节。 要完成这项工作，只需要提供调节控制阀、控制器和反馈调节器所消耗的小功率，就可以实现半波近似主动悬架的控制规律，从而代表主动悬架和被动悬架的折中。 具有电子控制的半主动悬架已经商业化。它可以逐级调节悬架的刚度和减震器的阻尼系数，自动调节车辆高度。主要用于豪华车和面包车，应用范围不断扩大。 图5.1.8为丰田汽车公司生产的车辆高度调节、悬架刚度和减振器阻尼“软/中/硬”分级转换控制的半主动悬架系统结构，可独立控制四个车轮。 不同汽车中使用的ecu结构和控制系统的输入输出信号是相似的。ecu主要由四部分组成:输入电路、微处理器、输出电路和电源电路。 如图5.1.9所示，是摩托罗拉电子设备公司组织设计的悬架电子控制系统的结构框图。该系统由ecu及其接口、执行器和传感器等组成。，并通过串行接口与汽车其他部件的电子控制ecu通信。