丰田凌志LS400电控悬架系统的检修要点.docx

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丰田凌志LS400电控悬架系统的检修要点

河南工业职业技术学院

HenanPolytechnicInstitute

毕业设计（论文）

题目:

丰田凌志LS400电控悬架系统的结构控制原理与检修

班级：

汽车电子技术0901

姓名：

张伟＿

指导教师：

孙亮＿＿

目录

摘要2

Abstract2

第一章悬架概述3

1.1汽车悬架系统的作用及组成3

1．2对汽车悬架系统的要求4

1．3．1被动悬架4

1．3．2半主动悬架4

1．3．3主动悬架4

1.3.3.1主动悬架的分类5

第二章电子控制悬架系统6

2．1主动式油气弹簧悬架系统6

2．2带路况预测传感器的主动悬架系统8

2．3主动式空气悬架系统10

2．1．1利用弹簧刚度/减振器阻尼力进行控制11

2．1．2车身高度控制12

第三章电子控制主动悬架系统的故障诊断与检测13

3.1悬架电子控制系统故障自诊断13

3.2电子控制悬架系统故障检修15

3．2．1．电子控制悬架系统指示灯不正常的检查15

3．2．2．汽车“后仰”故障检查15

3．2．3．汽车“侧倾”故障的诊断16

3．2．4．汽车“点头”故障的诊断16

3．2．5．汽车“高速失控”故障诊断16

3．2．6．自动换档时汽车“后仰”故障诊断16

结束语..............................................................................................................................................17

谢词..............................................................................................................................................17

参考文献..........................................................................................................................................18

汽车电子控制主动悬架系统

摘要

汽车中悬架的作用是连接车身与车轮,以适当的刚性支撑车轮,并吸收路面的冲击,改善车辆的舒适性和平顺性;还可以稳定汽车行驶,改善操纵性。

悬架作用中的平顺性与操纵稳定性,有着相互矛盾的联系。

电子控制悬架在其电子控制装置的控制下,能根据外界接受的信息或车辆本身状态的变化,进行动态的自适性调节,即电控悬架没有固定的悬架刚度和阻尼系数。

这样可以随着道路条件的变化和行驶需要的不同要求而自动地调节,从根本上解决平顺性和操纵稳定性之间的矛盾,提高汽车的使用性能。

本论文对丰田凌志LS400轿车的悬架系统作了相关研究,并以此介绍悬架系统的功能和类型,分析其基本工作原理,了解其基本的故障诊断及检测。

关键词：

悬架　汽车　电子控制

Abstract

Intheautomobilethesuspensionforkfunctionisconnectstheautomobilebodyandthewheel,bythesuitablerigidsupportwheel,andabsorbstheroadsurfacetheimpact,improvesthevehiclescomfortablenessandsmoothness;Alsomaystabilizetheautomobiletravel,theimprovementmaneuverability.Insuspensionforkfunctionsmoothnessandtheoperationstability,havemutuallythecontradictoryrelation.Theelectroniccontrolsuspensionforkinunderitselectroniccontrolcontrol,cantheinformationorthevehiclesitselfconditionchangewhichacceptsaccordingtotheoutside,carriesondynamicallyfromthesuitableadjustment,namelyelectricallycontrolledsuspensionforknotfixedsuspensionforkrigidityanddampingfactor.Butthismaythedifferentrequestwhichneedsalongwiththepathconditionchangeandthetraveladjustautomatically,fundamentallysolvesbetweensmoothandtheoperationstabilitycontradiction,enhancestheautomobiletheoperationalperformance.ThepresentpaperhasdonethecorrelationresearchonthesuspensionforksystemofLS400carstoToyotalexus,introducedthesuspensionforksystemfunctionandthetype,analyzeditsbasicprincipleofwork,understandthebasicoffaultdiagnosisandtesting.

Keywords:

suspensionautomobileelectroniccontrol

第一章悬架概述

1．1汽车悬架系统的作用及组成

悬架是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。

它的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都传递到车身上，以保证汽车的正常行驶。

图1.1汽车悬架组成示意图

汽车悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都是由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成（图1.1）。

由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。

冲击力传到车身时，可能引起汽车机件的早期损坏；传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。

为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车身与车轮之间作弹性联系。

但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。

持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。

故悬架系统还应具有减振作用，以使振动迅速衰减，振幅迅速减小。

为此，在许多形式的悬架系统中都设有专门的减振器。

车轮相对于车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则就会影响汽车的操纵稳定性，因此，悬架系统中还应具有导向机构（如图1.1中的横、纵向推力杆），以使车轮按一定的轨迹相对于车身跳动。

由此可见，上述这三个组成部分分别起缓冲、减振和导向的作用，然而三者共同的任务则是传力。

在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中还设有辅助弹性元件--横向稳定器。

需要指出的是，任何悬架只要具备上述功用，在结构上并非需要有以上全套装备。

如一般汽车上广泛采用的多片钢板弹簧悬架，它既有缓冲、减振的功能，有负担起传力和导向的任务，因此，不需要再安装导向机构，甚至不要减振器（如后悬架）。

1．2对汽车悬架系统的要求

（1）.保证汽车有良好的行驶平顺性。

（2）.具有合适的衰减振动能力

（3）.保证汽车具有良好的操纵稳定性。

（4）.汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。

（5）.有良好的隔声能力。

（6）.结构紧凑、占用空间尺寸小。

（7）.可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

1．3汽车悬架的分类及性能

  悬架的结构形式很多，分类方法也不尽相同。

若按导向机构的形式来分可分为独立悬架和非独立悬架两大类。

如果从控制力的角度来分，则可把悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三大类。

1．3．1被动悬架

一般的汽车绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架。

由于这种常规悬架系统内无能源供给装置，悬架的弹性和阻尼参数不会随外部状态而变化，因而称这种悬架为被动悬架。

这种悬架虽然往往采用参数优化的设计方法，以求尽量兼顾各种性能要求，但在实际上由于最终设计的悬架参数是不可调节的，所以在使用中很难满足高的行驶要求。

1．3．2半主动悬架

半主动悬架可视为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控制和调节，但它可按存贮在计算机内部的各种条件下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。

半主动悬架又称无源主动悬架，因为它没有一个动力源为悬架系统提供连续的能量输入，所以在半主动悬架系统中改变弹簧刚度要比改变阻尼状态困难得多，因此在半主动悬架系统中以可变阻尼悬架系统最为常见。

半主动悬架系统的最大优点是工作时几乎不消耗动力，因此越来越受到人们的重视。

1．3．3主动悬架

主动悬架是一种具有作功能力的悬架，通常包括产生力和扭矩的主动作用器（油缸、汽缸、伺服电机、电磁铁等）、测量元件（如加速度、位移和力传感器等）和反馈控制器等。

因此，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，主动悬架系统能自动调整悬架刚度（包括整体调整和各轮单独调整），从而同时满足汽车的行驶平顺性，操纵稳定性等各方面的要求，其优点可归纳为如下几个方面：

（1）悬架刚度可以设计得很小，使车身具有较低的自然振动频率，以保证正常行驶时的乘坐舒适性。

汽车转向等情况下的车身侧倾，制动、加速等情况下的纵向摆动等问题，由主动悬架系统通过调整有关车轮悬架的刚度予以解决。

而对于传统的被动悬架系统，为同时兼顾到侧倾、纵摆等问题，不得不把悬架刚度设计得较大，因而正常行驶时汽车的乘坐舒适性受到损失。

（2）采用主动悬架系统，因不必兼顾正常行驶时汽车的乘坐舒适性，可将汽车悬架抗侧倾、抗纵摆的刚度设计得较大，因而提高了汽车的操纵稳定性，即汽车的行驶安全性得以提高。

（3）先进的主动悬架系统，还能保证在车轮行驶中碰抵砖石之类的障碍物时，悬架系统在瞬时将车轮提起，避开障碍行进，因而汽车的通过性也得以提高。

（4）汽车载荷发生变化时，主动悬架系统能自动维持车身高度不变。

在各轮悬架单独控制的情况下，还能保证汽车在凸凹不平的道路上行驶时，车身稳定。

（5）普通悬架在汽车制动时，车头向下俯冲。

而装有某些主动悬架系统的汽车却不存在这种情况。

制动时，该车尾部下倾，因而可以充分利用后轮与地面间的附着条件，加速制动过程，缩短制动距离。

（6）装有某些主动悬架系统的汽车在转向时，车身不但不向外倾斜，反而向内倾斜，从而有利于转向时的操纵稳定性。

（7）主动悬架可使车轮与地面保持良好接触，即车轮跳离地面的倾向减小，保持与地面垂直，因而可提高车轮与地面间的附着力，使车轮与地面间相对滑动的倾向减小，汽车抗侧滑的能力得以提高。

轮胎的磨损也得以减轻，转向时车速可以提高。

（8）在所有载荷工况下，由于车身高度不变，保证了车轮可全行程跳动。

而传统的被动悬架系统中，当汽车载荷增大时，由于车身高度的下降，车轮跳动行程减少，为不发生运动干涉，不得不把重载时的悬架刚度设计得偏高，因而轻载时的平顺性受到损失。

而主动悬架系统则无此问题。

（9）由于车身高度不变，侧倾刚度、纵摆刚度的提高，消除或减少了转向传动机构运动干涉而发生的制动跑偏、转向特性改变等问题，因而可简化转向传动机构的设计。

（10）因车身平稳，不必装大灯水平自调装置。

主动悬架系统的主要缺陷是成本较高，液压装置噪音较大，功率消耗较大。

1.3.3.1主动悬架的分类

主动悬架按其控制方式又可分为机械控制主动悬架系统和电子控制主动悬架系统。

最早在英国伦敦的公共汽车上首先采用的一种主动悬架系统，这是一种纯机械式控制系统。

系统中有四个油气弹簧和高度控制阀，油泵和贮压器可使供油管路中维持稳定的高压，四个高度控制阀则分别控制四个油气弹簧中的油压，从而控制了四个油气弹簧的刚度。

汽车载荷增大时，高度控制阀动作，油气弹簧中油压上升，反之则油压下降，直至车身高度达到设定值为止。

汽车转向时，外侧两个高度控制阀增大两个外侧油气弹簧的油压，内侧两个油气弹簧油压则下降，从而维持车身水平，即提高了车身抗侧倾能力。

制动（或加速）时，则前面两个（或后面两个）高度控制阀使前面两个（或后面两个）油气弹簧中的油压上升，另外两个油气弹簧中的油压下降，维持车身水平，即提高了车身的抗纵摆能力。

为了保证车轮正常跳动时防止高度控制阀误动作，在高度控制阀与车轮摆臂的连接传感元件中装有缓冲减振装置（图中未画出）。

该缓冲减振装置的振动特性必须与车轮悬架的振动特性良好匹配才能保证系统正常工作。

这一点完全靠机械振动系统的合理设计来保证。

图1.2为法国某些雪铁龙汽车上采用的主动悬架系统（由英国开发）。

也是一种纯机械控制系统，其主要特点是：

前桥采用了两个高度控制阀，两个油气弹簧；后桥采用了一个高度控制阀，一个油气弹簧。

两个前油气弹簧的液压缸分别于对角线处的两个对应的后液力滑柱的下腔相通，两个后液力滑柱的上腔均与后油气弹簧的液压腔相通。

主液压管路中的液压由油泵和贮压器维持。

机械控制悬架系统的特点是结构简单，成本低，但是机械控制悬架系统存在着控制功能少，控制精度低，不能适应多种使用工况等问题。

所以，近年来随着电子技术的飞速发展，随着车用微机、各种传感器、执行元件的可靠性和寿命的大幅度提高，电子控制技术被有效地应用于悬架系统控制中。

图1.2雪铁龙机械控制主动悬架系统

1-后滚力滑柱；2-主液压管路；3-后侧倾控制液压管路；4-前液力滑柱；5-油泵；6-贮液器；7-贮压器；8-前油气弹簧和减振器；9-高度控制阀（高频响应）；10-回油管路；11-高度控制阀（低频响应）；12-后油气弹簧和减振器。

第二章电子控制悬架系统

电子控制主动悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元（ECU）控制悬架执行机构，使悬架系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数得以改变，从而使汽车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。

2．1主动式油气弹簧悬架系统

油气弹簧以气体（一般是惰性气体--氮）作为弹性介质，而用油液作为传力介质。

它一般是由气体弹簧和相当于液力减振器的液压缸组成。

通过油液压缩气室中的空气实现刚度特性，而通过电磁阀控制油液管路中的小孔节流实现变阻尼特性。

 图2.1所示为雪铁龙XM轿车的主动式油气弹簧悬架布置图，从图中可以看到，它有五个基本行车状态的传感器。

图2.1雪铁龙XM轿车主动油悬架系统

其中，转向盘转角传感器安装于转向柱上，通过转向盘转角信号间接地把汽车转向程度（快慢、大小）的信息送给微机。

加速度传感器实际上是与油门踏板连接的油门动作传感器，间接地将加速动作信号送给微机。

制动压力传感器安装于制动管路中，当制动时，它向微机发送一个阶跃信号，表示制动，使微机产生抑制“点头”的信号输出。

车速传感器安装于车轮上，送出与转速成正比的脉冲，微机利用它和转向盘转角信号，可以计算出车身的侧倾程度。

车身位移传感器安装于车身与车桥之间，用来测量车身与车桥的相对高度，其变化频率和幅度可反映车身的平顺性信息，同时还用于车高自动调节。

该系统的工作原理如图2.2所示。

在图2.2中，电磁阀7在微机指令下向右移动，从而接通压力油道，使辅助液压阀8的阀芯向左移动，中间的油气室9与主油气室连通，使总的气室容积增加，气压减小，从而刚度变小，所以9又称为刚度调节器。

a、b节流孔是阻尼器,在上图图示位置，系统处于“软”状态。

图中，电磁阀7中无电流通过，在弹簧作用下，阀芯左移，关闭压力油道，原来用于推动液压阀8的压力油通过阀7的左边油道泄放，阀8阀芯右移，关闭刚度调节器9，气室总容积减小，刚度增大，使系统处于“硬”状态。

在正常行车状态时，系统处于“软”状态，以提高乘坐的舒适性，当高速、转向、起步和制动时，系统处于“硬”状态，以提高车辆的操纵稳定性。

图2.2雪铁龙XM轿车主动油气悬架系统工作原理示意图

1-计算机；2-转向盘转角传感器；3-加速度传感器；4-制动压力传感器；5-车速传感器；6-车身位置传感器；7-电磁阀；8-辅助液压阀；9-刚度调节器；10-前油气室；11-后油气室。

2．2带路况预测传感器的主动悬架系统

图2.3所示为带有路面状况预测传感器的主动悬架示意图。

该系统中包括一个悬架弹簧16和一个单向液压执行器14，控制阀6通过油管8与单向液压，执行器的油压腔相通。

油管上还接1-计算机；2-转向盘转角传感器；3-加速度传感器；4-制动有一个支管8a，该支管与一个储压器压力传感器；5-车速传感器；6-车身位置传感器；7-电磁阀；11相连，储压器内充有气体，这些压8-辅助液压阀；9-刚度调节器；10-前油气室；11-后油气室。

缩的气体可以产生一种类似弹簧的效果。

另外，支管的中间还设有一个主节流孔12，以限制储压器和油压腔之间的油流，从而形成减振作用。

在油管和储压器之间还设有一个旁通管路8b，该旁路上带有一个选择阀10和一个副节流孔9，副节流孔的直径大于主节流孔的直径。

当选择阀打开时，油流通过选择阀的副节流孔，在储压器和油压腔之间流动，从而减小振动阻尼。

采用这样的装置可以使悬架系统在选择阀的作用下，具有两种不同的阻尼参数。

控制阀的开度可以随控制电流的大小而改变，以控制进入油管的油量，进而控制施加到液压执行器的油压，随着输入控制阀的电流的增加，液压执行器的承载能力也增加。

在该悬架系统中，输入到控制单元。

ECU的信号有：

各轮上设置的检测车身、检测车身高度的传感器输出信号及车速传感器、输出的车速信号等。

图2.3带有路面状况预测传感器的主动悬架系统

1-油箱；2-油泵；3-滤清器；4-单向阀；5-储压器；6-控制阀；7-回油管；8-油管；8a、8b-支管；9-副节；10-选择阀；11-储压阀；12-主节流孔；13-油压；14-液压执行器；15-车轮；16-悬架弹簧。

图2.4路况预测传感器的输出曲线

控制单元根据这些信号，对设置在各车轮上的控制阀和选择阀进控制。

路况预测传感器的设置情况。

这种传感器通常为超声波传感器，频率为40kHz左右，它安装在车身的前面，以便对其下方的路面状况进行检测。

在车辆正常行驶时，选择阀关闭，液压执行器的油压腔通过主节流孔与储压器相通，它可以吸收并降低因路面不平而引起的微小振动。

当车辆上的路况预测传感器发现路面上有将引起振动的凸起物时，控制单元便控制选择阀打开，并将悬架系统的阻尼系数减小到一个特定的值上。

 图2.4所示为路况预测传感器的输出信号，输出信号的幅值与路面凸起物的大小成正比。

如果完全按照传感器输出信号进行控制，悬架系统的阻尼变化就会过于频繁，因此，在控制系统中设置了一个低阈值V1。

另外，如果在车辆通过一个很大的凸起物时，悬架系统的阻尼系数若调整得过低，就可能会产生极大的冲击力，形成悬架底部与车桥的刚性碰撞，因此，控制系统中还设定了一个高阈值V2。

只有在路况预测信号介于V1和V2之间时，控制单元才输出一个打开选择阀的控制信号。

控制单元在检测路况传感器输出信号的同时，也不断地检测车速。

根据车速可以估算出测得的凸起物和实际车轮通过凸起物之间的滞后时间。

选择阀应恰好在车轮通过凸起物时打开，这样，在车轮通过凸起物时，悬架的阻尼系数只是作短暂变化，车轮过了凸起物后，选择阀便再次关闭。

具有路况预测传感器（声纳系统）的主动悬架系统可以在汽车到达之前对路面情况进行预测处理，因而大大改善了悬架的工作性能，装有这种系统的车辆在不平的路面上行驶时，甚至可以不扶转向盘。

2．3主动式空气悬架系统

图2.5所示为丰田凌志LS400轿车电子控制主动式空气悬架系统的构成图。

它主要由空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、带有减振器的空气弹簧、悬架控制执行器、悬架控制选择开关及电子控制单元等组成。

空气压缩机由直流电机驱动，形成压缩空气，压缩空气经干燥器干燥后由空气管道经空气电磁阀送至空气弹簧的主气室。

图2-5主动式空气悬架的构成（丰田凌志LS400轿车）

1-空气压缩机；2-空气电磁阀；3-干燥器；4-节气门位置传感器；5-车身高度传感器（前右）；6-带有减振器的空气弹簧；7-悬架控制执行器；8-转向传感器；9-停车灯开关；10-TEMS指示灯；11-电子多点控频器；12-悬架控制开关；13-1号高度控制阀；14-2号高度控制阀；15-显示器用ECU;16-诊断用接线柱；17-车身高度传感器（后）；18-悬架用ECU；19-空气管道；20-车速传感器；21-车身高度传感器（前左）。

当汽车载荷减少，需减少悬架刚度、阻尼和降低车身高度时，悬架ECU控制排气电磁阀打开，使空气弹簧主气室中部分压缩空气排到大气中去，以使空气弹簧压缩变形适当，保持车身高度及振动频率在优选值范围内。

当汽车载荷加大，需要增加悬架刚度、阻尼和车身高度时，悬架ECU控制空气控制电磁阀1打开，使压缩空气进入空气弹簧主气室，以减少空气弹簧的压缩变形量，并保持车身高度及振动频率在优选值范围内。

另外在空气弹簧的主辅气室之间还有一连通阀，由空气弹簧上部的控制执行器控制。

悬架ECU根据各传感器输入的信号计算分析后，输出控制信号，控制执行器动作，使空气弹簧主辅气室之间的连通阀发生变化，以改变主辅气室的压力和刚度，同时也改变了减振阻尼力。

当车身需要升高时，电子控制单元控制空气电磁阀使压缩空气进入空气弹簧的主气室（图2.6（b）），使空气弹簧伸长，车身升高；当车身需要降低时，电子控制单元控制电磁阀使空气弹簧主气室中压缩空气排到大气中去（图2.6（a）），空气弹簧压缩，车身降低。

在空气弹簧的主、辅气室之间有一连通阔，空气弹簧的上部装有悬架控制执行器（图中未画出）。

电子控制单元根据各传感器输出信号，控制悬架执行器，一方面使空气弹簧主、辅气室之间的连通阀发生改变，使主、辅气室之间的气体流量发生变化，因此而改变悬架的弹簧刚度；另一方面，执行器驱动减振器的阻尼力调节杆，使减振器的阻尼力也得以改变。

（a）车身降低（b）车身升高

图2.6车身高度调整过程丰田凌志LS400轿车采用的主动式空气悬架系统中，车高、弹簧刚度和减振器阻尼力可同时得到控制，且各自可以取三种数值，其所取数值由电子控制单元根据当时的运行条件和驾驶员选定的控制方式决定。

驾驶员可以任意选择四种自动控制模式，即控制车身高度的“常规值自动控制”和“高值自动控制”，以及控制弹簧刚度和减振器阻尼力的“常规