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技能要求
学习拓展
理解电控悬架的基本组成及工作原理;
传感器及开关、ECU和执行机构的工作原理;
LS400电控悬架系统。
正确读识电控悬架系统电路。
掌握万用表、示波器、故障诊断仪的正确使用。
掌握电控悬架故障分析和检修方法。
自主学习掌握电控悬架系统中传感器的结构、种类及工作原理;
开关的种类及功用。
2.1.1概述
1.电控悬架系统的分类
电子控制悬架系统主要有半主动悬架和主动悬架两种。
半主动悬架是指悬架元件中的弹簧刚度和减振器阻尼力之一可以根据需要进行调节。
为减少执行元件所需的功率,主要采用调节减振器阻尼系数的方法,只需提供调节控制阀、控制器和反馈调节器所消耗的较小功率即可。
主动悬架是一种具有作功能力的悬架,通常包括产生力和转矩的主动作用器(液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等)、测量元件(加速度、位移和力传感器等)和反馈控制器等。
主动悬架需要一个动力源(液压泵或空气压缩机等)为悬架系统提供连续的动力输入。
当汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件发生变化时,而主动悬架能根据需要自动调节弹簧刚度和减振器的阻尼力,从而能够同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性等各方面的要求。
主动悬架按照弹簧的类型,又可以分为空气弹簧主动悬架和油气弹簧主动悬架。
2.电控悬架系统的控制功能
电控悬架系统主要对车速及路面感应、车身姿态、车身高度三方面进行控制:
(1)车速与路面感应控制
1)当车速高时,提高弹簧刚度和减振器阻尼力,以提高汽车高速行驶时的操纵稳定性。
2)当前轮遇到突起时,减小后轮悬架弹簧刚度和减振器阻尼力,以减小车身的振动和冲击。
3)当路面差时,提高弹簧刚度和减振器阻尼力,以抑制车身的振动。
(2)车身姿态控制
1)转向时侧倾控制:
急转向时,提高弹簧刚度和减振器阻尼力,以抑制车身的侧倾。
2)制动时点头控制:
紧急制动时,提高弹簧刚度和减振器阻尼力,以抑制车身的点头。
3)加速时后坐控制:
急加速时,提高弹簧刚度和减振器阻尼力,以抑制车身的后坐。
(3)车身高度控制
1)高速感应控制:
车速超过90km/h,降低车身高度,以减少空气阻力,提高汽车行驶的稳定性。
2)连续差路面行驶控制:
车速在40~90km/h,提高车身高度,以提高汽车的通过性;
车速在90km/h以上,降低车身高度,以满足汽车行驶的稳定性。
3)点火开关OFF控制:
驻车时,当点火开关关闭后,降低车身高度,便于乘客的乘降。
4)自动高度控制:
当乘客和载质量变化时,保持车身高度恒定。
2.1.2电控悬架系统的组成和工作原理
电子控制悬架系统一般由传感器及开关、电子控制单元和执行机构等组成。
传感器主要有车身高度传感器、车速传感器、加速度传感器、转向盘转角传感器、节气门位置传感器等;
开关有模式选择开关、制动灯开关、停车开关和车门开关等。
执行机构有可调阻尼的减振器,可调节弹簧高度和弹性大小的弹性元件等。
电子控制单元一般由微机和信号放大电路组成。
电控悬架系统的一般工作原理是:
利用传感器(包括开关)把汽车行驶时路面的状况和车身的状态进行检测,将检测信号输入计算机进行处理,计算机通过驱动电路控制悬架系统的执行器动作,完成悬架特性参数的调整,其工作原理如图2-1-1所示。
图2-1-1电控悬架系统的工作原理
2.1.3传感器及开关
1.转向盘转角传感器
转向盘转角传感器装在转向轴上,用于检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度。
图2-1-2所示为光电式转角传感器的安装位置和结构图。
在转向盘的转向轴上装有一个带窄缝的圆盘,传感器的光电元件(即发光二极管)和光敏接收元件(光敏三极管)相对地装在盘两侧形成遮光器。
由于圆盘上的窄缝呈等距均匀分布,当转向盘的转轴带动圆盘偏转时,窄缝圆盘将扫过遮光器中间的空穴,从而在遮光器的输出端即可进行ON、OFF转换,形成脉冲信号。
图2-1-2光电式转角传感器的安装位置和结构
1、2-转角传感器3-光电元件4-遮光盘5-转向轴6、7-传感器圆盘
光电式转角传感器的工作原理如图2-1-3所示。
当转动转向盘时,带窄缝的圆盘使遮光器之间的光束产生通/断的变化,遮光器的这种反复开/关状态产生与转角成一定比例的一系列数字信号,系统控制装置可根据此信号的变化来判断转向盘的转角与转速。
同时,由于传感器上两个光电耦合器ON/OFF信号变换的相位错开约90°
,可根据检测到的脉冲信号的相位差来判断转向盘的偏转方向。
图2-1-3光电式转角传感器的工作原理
2.车身高度传感器
车身高度传感器的功用是将车身与车桥之间的相对高度变化(悬架变形量的变化)转换为电信号并送给电控单元。
常用的车身高度传感器有片簧开关式、霍尔式和光电式传感器,其中前两种是接触式传感器,在使用中存在由于磨损而影响检测精度的缺点;
后一种是光电式传感器即非接触式传感器,不存在上述缺点,因而应用广泛。
光电式车身高度传感器一般安装在车身与车桥之间(如图2-1-4所示),其结构及工作原理如图2-1-5所示。
图2-1-4光电式车身高度传感器的安装位置
传感器内有一根靠连杆带动转动的转轴,转轴上固定一个开有许多窄槽的圆盘,圆盘两边是由发光二极管和光敏三极管组成的光电耦合器。
每个光电耦合器共有四组发光二级管和光敏三极管组成。
当车身高度变化时(如汽车载荷发生变化),车身与车轮的相对运动使车身高度传感器的连接杆转动,通过传感器轴带动圆盘转动,使光电耦合器组相对应的发光二极管和光敏三极管上的光线发生ON/OFF的转换。
光敏三极管把接收到的光线ON/OFF转换成电信号,并通过导线输送给悬架电子控制单元。
ECU根据光电耦合器ON/OFF转换的不同组合变化,检测出不同的车身高度。
图2-1-5光电式高度传感器的结构、原理示意图
1-遮光器2-圆盘3-传感器盖4-信号线5-金属油封环6-传感器壳7-传感器轴
3.其它传感器及开关
车速传感器安装在车轮上,检测出转速信号,ECU利用此信号,计算出车身的侧倾程度。
节气门位置传感器可以间接检测汽车加速信号,ECU利用此信号作为防下坐控制的一个工作状态参数。
车门传感器可防止行驶过程中车门未关闭。
高度控制开关用来选择汽车高度,ECU检测高度控制开关的状态并相应地使汽车高度上升和下降,有的汽车还有高度控制ON/OFF开关,用于停止车高控制。
模式选择开关用来选择悬架的“软”、“中”或“硬”状态,ECU检测到开关状态后,操纵悬架控制执行器,从而改变减振器的弹簧刚度和阻尼系数。
当踩下制动踏板时,制动灯开关接通,ECU接收这个信号作为防点头控制的一个起始状态。
2.1.4电子控制单元ECU
悬架电子控制单元接收各传感器、开关输入的信号,通过运算处理,控制执行器进行适应性调节,保持车辆的平顺性和操纵稳定性。
一般由输入电路、微处理器、输出电路和电源电路等组成。
ECU具有提供稳压电源、传感器信号放大、输入信号计算、驱动执行机构和故障检测等功能。
1)提供稳压电源
控制装置内部所用电源和供各种传感器的电源均由稳压电源提供。
2)传感器信号的放大
用接口电路将输入信号(如各种传感器信号、开关信号)中的干扰信号除去,然后放大、变换极值、比较极值,变换为适合输入控制装置的信号。
3)输入信号的计算
电子控制单元根据预先写入只读存储器ROM中的程序对各输入信号进行计算,并将计算结果与内存的数据进行比较后,向执行机构(电动机、电磁阀、继电器等)发出控制信号。
输入ECU的信号除了开/关信号外还有电压信号时,还应进行A/D转换。
4)驱动执行机构
悬架电子控制单元用输出驱动电路将输出驱动信号放大,然后输送到各执行机构,如电动机、电磁阀、继电器等,以实现对汽车悬架参数的控制。
5)故障检测
悬架电子控制单元用故障检测电路来检测传感器、执行器、线路等的故障,当发生故障时,将信号卷入悬架ECU,目的在于即使发生故障,也应使悬架系统安全工作,而且在修理故障时容易确定故障所在位置。
2.1.5执行机构
1.空气弹簧
空气弹簧有主气室、副气室、弹性刚度执行机构、阻尼转换执行机构和液压减振器等组成,如图2-1-6所示。
悬架上端与车身连接,下端与车轮连接。
主气室的容积是可变的,在它的下部有一个可伸展的隔膜,压缩空气进入主气室可升高悬架高度,反之使悬架下降。
悬架刚度执行机构在主气室与副气室之间,主、副气室之间通过一个通路有气体相互流动,改变主、副气室之间气体通路的大小,使主气室被压缩的空气量发生变化,即可改变空气弹簧的刚度。
减振器活塞通过中心杆和悬架控制执行器连接,执行器带动阻尼调节杆转动可改变活塞上阻尼孔的大小,从而改变减振器的阻尼系数。
图2-1-6空气弹簧结构图
2.悬架阻尼调节装置
1)可调阻尼式减振器
可调阻尼式减振器主要由缸筒、活塞及活塞控制杆、回转阀等组成,如图2-1-7所示。
活塞杆是一空心杆,在其中心装有控制杆,控制杆的上端与执行器相连。
控制杆的下端装有回转阀,回转阀上有三个油孔,活塞杆上有两个通孔。
缸筒中的油液一部分经活塞上的阻尼孔在缸筒的上下两腔流动;
一部分经回转阀与活塞杆上连通的孔在缸筒的上下两腔流动。
图2-1-7可调式减振器结构
1-回转阀控制杆2-阻尼孔3-活塞杆4-回转阀
当电子控制单元ECU促使执行器工作时,通过控制杆带动回转阀相对活塞杆转动,回转阀与活塞杆上的油孔连通或切断,从而增加或减少油液的流通面积,使油液的流动阻力改变,达到调节减振器阻尼力的目的。
见图2-1-7,A-A、B-B、C-C三个截面的阻尼孔全部被回转阀封住,此时只有减振器下面的主阻尼孔仍在工作,所以这时阻尼为最大,减振器被调节到“硬”状态。
当回转阀从“硬”状态位置顺时针转动60°
时,B-B截面的阻尼孔打开,A-A、C-C两截面的阻尼孔仍关闭,因为多了一个阻尼孔参加工作,所以减振器处于“运动”状态。
当回转阀从“硬”状态位置逆时针转动60°
时,A-A、B-B、C-C3个截面的阻尼孔全部打开,这时减振器的阻尼最小,减振器处于“软”状态。
2)阻尼转换执行机构
阻尼转换执行机构装在减振器的上部,由直流电动机、减速齿轮、控制杆、电磁铁和挡块等组成,如图2-1-8所示。
电控悬架ECU根据接收到的信号,使直流电动机驱动扇形的减速齿轮左右制动,通过控制杆带动减振器中的回转阀旋转,有级地改变阻尼孔的开闭,从而改变阻尼系数即减振阻力。
图2-1-8阻尼转换执行机构
3.悬架刚度调节装置
悬架刚度执行机构由刚度控制阀和执行机构等组成,如图2-1-9所示。
执行机构位于减振器的顶部,与阻尼系数控制机构组装在一起。
刚度控制阀装在空气弹簧副气室的中部,如图2-1-10所示。
由空气阀、阀体和空气阀控制杆组成,空气阀在截面上有一个空气孔,外部的阀体在截面上有不同大小的空气孔。
图2-1-9悬架刚度执行机构
图2-1-10刚度控制阀
1-阻尼调节杆2-空气阀控制杆3-主、副气室通道、4-副气室5-主气室6-气阀体7-气体通道8-阀心9-大气通道
当空气阀由电机驱动的控制杆带动旋转到“软”的位置时,空气弹簧主气室的气体经过空气阀的中间孔,阀体侧面的大空气孔(大流通孔)与副气室相通,此时参与工作的气体容积最大,悬架刚度处于最小状态;
当空气阀被旋转到“中”位置时,主气室与副气室的气体经过空气阀的中间孔与阀体侧面的小空气孔相互流通,主、副气室之间的气体流量较小,悬架刚度处于中等状态;
当气阀被旋转到“硬”位置时,主气室与副气室的空气通道被空气阀挡住,此时仅仅靠主气室中的气体承担缓冲任务,悬架刚度处于最大状态。
4.车高控制执行机构
车高控制执行机构主要由空气阀、空气压缩机和设置在悬架之上的主气室组成。
车高控制主要是利用空气弹簧中主气室空气量的多少来进行调节。
当ECU接收到车身高度传感器、车速传感器、车门开关等信号,经过处理判断,若是增加车高,则控制执行机构向空气弹簧主气室充气增加空气量使汽车高度增加;
若是降低车高,则控制执行机构打开排气装置向外排气,使空气弹簧主气室的空气量减少而降低汽车高度。
车身高度控制原理如图2-1-11所示。
图2-1-11车身高度控制原理
空气压缩机的结构如图2-1-12所示,由驱动电机、排气阀、干燥器等组成。
它由电动机红运,根据悬架ECU的信号向干燥器输送提高车高所必需的压缩空气。
干燥器可将空气中的水分过滤掉。
排气阀从系统中放出压缩空气,同时排掉干燥器滤出的空气水分。
图2-1-12空气压缩机的结构
高度控制阀是一个二位二通电磁阀,如图2-1-13所示,通过向空气弹簧的主气室内进气和排气,从而控制汽车的高度。
图2-1-13高度控制阀
2.1.6LS400电子控制悬架系统
雷克萨斯LS400轿车的电控悬架系统由空气压缩机、干燥器、排气阀、高度控制阀、高度控制继电器、高度传感器、转向传感器、悬架控制执行器、悬架ECU、悬架刚度调节装置和减振器阻尼力调节装置等组成。
电控悬架系统元件在车上的位置如图2-1-14所示。
图2-1-14LS400的电控悬架系统元件在车上的位置
1-1号高度控制继电器2-前车身高度传感器3-前悬架控制执行器4-制动灯开关5-转向传感器6-高度控制开关7-LRC开关8-后车身高度传感器9-2号高度控制阀和溢流阀10-高度控制ON/OFF开关11-高度控制连接器12-后悬架控制执行器13-2号高度控制继电器14-悬架ECU15-门控灯开关16-主节气门位置传感器17-1号高度控制阀18-高度控制压缩机19-干燥器和排气阀20-IC调节器
1)车身高度控制
车身高度控制系统由压缩机、干燥器、排气阀、1号高度控制继电器、2号高度控制继电器、1号高度控制阀、2号高度控制阀、前后左右4个空气弹簧、4个车身高度传感器及悬架ECU等组成。
如图2-1-15所示为车身高度控制系统示意图。
图2-1-15车身高度控制系统示意图
1-压缩机2-干燥器3-排气阀4-空气管5-1号高度控制阀6-2号高度控制阀7、8-空气弹簧
当点火开关接通时,ECU使2号高度控制继电器线圈通电,2号高度控制继电器触点闭合,使前、后、左、右4个高度传感器接通蓄电池电源。
当车身高度需要上升时,从ECU的RCMP端子送出一个信号,使1号高度控制继电器接通,1号高度控制继电器触点闭合,压缩机控制电路接通产生压缩空气。
ECU使高度控制电磁阀线圈通电后,电磁线圈将高度控制阀打开,并将压缩空气引向空气弹簧,从而使车身高度上升。
当车身高度需要下降时,ECU不仅使高度控制阀电磁线圈通电,而且还使排气阀电磁线圈通电,排气阀电磁线圈使排气阀打开,将空气弹簧中的压缩空气排到大气中。
1号高度控制阀用于前悬架控制,它有两个电磁阀分别控制左右两个空气弹簧。
2号高度控制阀用于后悬架控制,它与1号高度控制阀一样,也采用两个电磁阀。
为了防止空气管路中产生不正常的压力,2号高度控制阀中采用了一个溢流阀。
悬架系统的车身高度传感器采用光电式传感器,为了检测汽车高度和因道路不平而引起的悬架位移量,在每个悬架上都装有一只车身高度传感器,用于连续监测车身与悬架下臂之间的距离。
2)弹簧刚度和减振器阻尼力控制
电子控制空气悬架系统空气弹簧的结构如图2-1-16所示。
悬架系统弹簧刚度和减振器阻尼力控制执行器安装在空气弹簧的上部,ECU将信号送至悬架控制执行器以同时驱动减振器的阻尼调节杆和空气弹簧的气阀控制杆,从而改变减振器的阻尼力和悬架弹簧刚度。
图2-1-16空气弹簧的结构
1-空气管2-执行器盖3-执行器4-悬架支座5-气室6-减振器
图2-1-17所示为LS400电子控制空气悬架系统的线路连接图。
图2-1-17LS400电子控制空气悬架系统的线路连接图
2.1.7电控悬架系统常见故障分析
1.悬架刚度和阻尼系数控制失灵
悬架刚度和阻尼系数控制失灵故障分析见表2-1-1。
表2-1-1悬架刚度和阻尼系数控制失灵故障分析
序号
故障现象
可能的故障部件
1
操作LRC开关时,LRC指示灯的状态不变
①LRC开关电路
②悬架控制系统ECU
2
悬架的刚度和阻尼控制不起作用
①悬架控制执行器及电路
②TC端子电路
①TS端子电路
②LRC开关电路
③悬架控制执行器电源电路
④悬架控制系统ECU
3
只有防俯仰控制不起作用
①气压缸或减振器
③节气门位置传感器及其电路
4
只有防侧倾控制不起作用
①悬架控制系统ECU
②转角传感器及其电路
5
只有在高速时不起作用
②车速传感器及电路
2.汽车车身高度控制失灵
汽车车身高度控制失灵故障分析见表2-1-2。
表2-1-2汽车车身高度控制失灵故障分析
汽车高度控制不起作用
①汽车高度控制电源电路
②汽车高度控制开关及其电路
③汽车高度控制ON/OFF开关及其电路
④发电机调节器电路
⑤悬架控制系统ECU
对车身高度控制指示灯不随高度控制开关的动作变化
①车身高度传感器
②发电机调节器电路
③车身高度控制开关及其电路
④汽车高度控制电源电路
汽车车身高度出现不规则变化
②有空气泄漏
③悬架控制系统ECU
只有高速时不起作用
汽车高度控制功能作用,但汽车高度变化不均匀
①车速传感器及其电路
②车身高度传感器调节杆
③高度控制阀、排气阀及其电路
汽车高度控制ON/OFF开关在“OFF”位置时,汽车高度控制仍起作用
①高度控制ON/OFF开关及其电路
7
点火开关关断控制不起作用
①门控开关及其电路
②汽车高度控制电源电路
③悬架控制单元ECU
8
车门打开时,点火开关关断控制仍起作用
门控开关及其电路
9
汽车停车时车身高度很低
①有空气泄漏
②气压缸或减振器
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