乘用車懸架系統(tǒng)新技術(shù)分析(中)

◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

2.比例電磁閥(豐田AVS系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)調(diào)整減振器阻尼力)調(diào)整阻尼力減振器

奧迪A8轎車配備了自適應(yīng)空氣懸架。它利用電子阻尼力調(diào)控裝置，可以通過實(shí)時(shí)跟蹤車輛當(dāng)前的行駛狀態(tài)，來測得車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(簧下質(zhì)量)和車身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(簧上質(zhì)量)。在自適應(yīng)懸架的自動(dòng)、舒適、動(dòng)態(tài)、高位四個(gè)可選模式范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同的阻尼力特性曲線，每個(gè)減振器都具有可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)控功能。因此，在設(shè)定好的每種模式(舒適型或運(yùn)動(dòng)型)下均能夠保證車輛具有最佳的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。并且在設(shè)定的模式的框架下，車身高度自動(dòng)調(diào)控程序和減振器阻尼特性曲線被整合成一個(gè)系統(tǒng)。

該車輛采用了一個(gè)無級(jí)電子雙管充氣式減液壓振器(無級(jí)減振控制系統(tǒng)——CDC減振器)，減振器結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 CDC減振器結(jié)構(gòu)

活塞上的主阻尼閥門通過平衡彈簧機(jī)械預(yù)緊。閥門上方安裝有電磁線圈，連接導(dǎo)線經(jīng)由活塞桿的空腔與外部連接。減振器阻尼力主要取決于閥門的流通阻力，流過的油液的阻力越大，減振器阻尼力就越大。如圖18所示減振器活塞1在缸套2內(nèi)以速度向下運(yùn)動(dòng)，空腔內(nèi)主阻尼閥門5下的油壓上升。電磁線圈4通電，電磁力FM對(duì)平衡彈簧彈力FF有反作用力并將其部分提升。當(dāng)電磁力和油液壓力的總和(FM+FP)超過彈簧力FF時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)合力FR，通過此合力阻尼閥閥門被打開。通過電流強(qiáng)度的高低調(diào)控電磁力的大小。電流強(qiáng)度越大，流通阻尼力就越小，當(dāng)電磁線圈上沒有電流通過時(shí)，阻尼力達(dá)到最大。阻尼力最小時(shí)電磁線圈上的電流大約為1.8A，在緊急運(yùn)行時(shí)不對(duì)電磁線圈通電。這樣就設(shè)定了最大阻尼力來保證車輛行駛時(shí)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

圖18 CDC減振器工作原理

3.磁流變減振器(MRC減振器)

MR減振器是利用磁流變效應(yīng)，即磁流變液的流變特性可以通過磁場的方法加以控制，從而使減振器的阻尼力發(fā)生變化。近年來這種電磁減振器在乘用車上得到應(yīng)用，例如奧迪TT跑車和通用汽車等車型。

磁流變減振器中的工作介質(zhì)磁流變液是由碳?xì)浠衔餅榛w的合成油中加入3～10μm的軟磁顆粒材料和保持液體穩(wěn)定性的添加劑組成。這種俗稱“液態(tài)鐵”油液在外加磁場的的作用下，黏度會(huì)發(fā)生很大的變化，根據(jù)磁場強(qiáng)度大小可呈半固體或固態(tài)體狀態(tài)，具有很大的抗剪切力。當(dāng)外加磁場被撤去時(shí)磁流變液又恢復(fù)到原來的液體狀態(tài)，表現(xiàn)為牛頓流體特性。

與傳統(tǒng)減振器相比，磁流變減振器結(jié)構(gòu)簡單，如圖19所示為奧迪TT跑車使用的磁變流減振器，取消了復(fù)雜的阻尼閥，以活塞孔替代，如圖20所示。

圖19 奧迪TT跑車磁流變減振器結(jié)構(gòu)

圖20 磁流變減振器工作原理

電磁線圈不通電時(shí)，軟磁微顆粒隨油液自由散布在減振器中，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞將油液及軟磁微顆粒壓過活塞孔，這時(shí)軟磁微顆粒相對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)釋放的阻力很小，因此減振器阻尼力就小。電磁線圈進(jìn)行通電控制時(shí)，軟磁微顆粒朝向磁區(qū)線，在活塞周圍形成微顆粒長鏈橫向分布狀態(tài)，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，各軟磁微顆粒要從鏈體上分離，被連同油液壓向活塞孔，而活塞孔要穿過這些軟磁微顆粒鏈，需要活塞克服的阻力大于電磁線圈未通電時(shí)的阻力，該阻力大小取決于電磁線圈通電電流產(chǎn)生的磁場的大小，由此減振器產(chǎn)生較大的阻尼力。如圖21所示是奧迪磁變流減振器與傳統(tǒng)減振器阻尼力比較。

圖21 磁流變減振器與傳統(tǒng)減振器阻尼特性對(duì)比

圖22 所示為2015款的凱迪拉克XTS主動(dòng)電磁懸架系統(tǒng)的磁變流減振器采用了兩組電磁線圈。

圖22 凱迪拉克磁流變減振器兩組電磁線圈

這兩組線圈繞向相反，消除了線圈的渦流損耗，進(jìn)一步加強(qiáng)了磁場的磁流變液的控制強(qiáng)度及速度，使得懸架響應(yīng)特性大幅度提升，每秒能達(dá)到1 000次調(diào)整。采用磁變流減振器結(jié)合空氣懸架，能實(shí)時(shí)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)特性以及各個(gè)獨(dú)立懸架上的振動(dòng)阻尼力進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，因此，①當(dāng)車輛急加速時(shí)，MRC系統(tǒng)會(huì)瞬間增加后減震器阻尼，以抑制車輛后仰。②當(dāng)車輛急剎車時(shí)，MRC系統(tǒng)會(huì)瞬間增加前減震器阻尼，以抑制車輛點(diǎn)頭。③當(dāng)車輛急轉(zhuǎn)彎時(shí)，MRC系統(tǒng)會(huì)瞬間增加外側(cè)減震器阻尼，以抑制車輛側(cè)傾及橫向位移。④當(dāng)遇到顛簸路況時(shí)，MRC系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)四輪懸掛軟硬度，以最大程度增加輪胎抓地力。

四、懸架控制系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)按照功能原理不同可以分為被動(dòng)懸架系統(tǒng)(PassiveSuspensionSystem)、主動(dòng)懸架系統(tǒng)(FullactiveSuspensionSystem)、半主動(dòng)懸架系統(tǒng)(SemiactiveSuspensionSystem)三種系統(tǒng)。

被動(dòng)懸架系統(tǒng)：懸架的彈性特性和阻尼特性受到外界激勵(lì)時(shí)，被動(dòng)作出響應(yīng)的懸架。被動(dòng)懸架的剛度和阻尼系數(shù)被限定，不可以調(diào)整，駕駛員難體驗(yàn)駕車的舒適性和穩(wěn)定性以及靈活性。被動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖23所示。

圖23 被動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理圖

主動(dòng)懸以架系統(tǒng)：懸架ECU根據(jù)傳感器反饋的車輛行駛信息，進(jìn)行分析計(jì)算，得到最優(yōu)的控制結(jié)果，并且依靠自身能源，通過執(zhí)行器閉環(huán)控制汽車懸架彈簧的剛度和減振阻尼。主動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖24所示。

圖24 主動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理圖

半主動(dòng)懸架系統(tǒng)：介于主、被動(dòng)懸架系統(tǒng)性能之間，系統(tǒng)減振阻尼力可根據(jù)汽車行駛狀態(tài)和動(dòng)力系統(tǒng)要求進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)的。半主動(dòng)懸架不僅能量消耗較低而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高，在大多數(shù)情況下具有與主動(dòng)懸架相近的特性。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖25所示。

圖25 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理圖

1.奔馳空氣懸架系統(tǒng)

奔馳空氣懸架系統(tǒng)是一種全承重式主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)，所有靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)支撐都由車輪上的四個(gè)氣囊提供。它具有以下額外功能：車身水平高度調(diào)節(jié)可以手動(dòng)操作，也可以根據(jù)車速自動(dòng)升高/降低車身水平高度；車身水平高度電子調(diào)節(jié)裝置在前后軸上控制車身水平高度并根據(jù)駕駛與車輛載荷情況相應(yīng)地將其保持在一個(gè)恒定的水平高度上；“自動(dòng)減振適應(yīng)系統(tǒng)”(ADS)可根據(jù)道路及駕駛方式設(shè)置減振力；道路狀況由車身上的垂直加速度傳感器來判定；駕駛方式(水平加速度)則根據(jù)車速與轉(zhuǎn)向角計(jì)算出來。這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：

①通過以下特點(diǎn)提高了駕駛安全性和乘坐舒適性：根據(jù)道路狀況和駕駛風(fēng)格調(diào)節(jié)減震；較低的重心；較低的風(fēng)阻；前軸提升較少。

②單獨(dú)調(diào)節(jié)：在粗糙路面上或進(jìn)入車庫時(shí)提升車身水平高度；可根據(jù)舒適型或運(yùn)動(dòng)型駕駛風(fēng)格調(diào)節(jié)減振級(jí)別。

③駕駛員獲得信息方式：通過開關(guān)面板中的功能指示燈顯示升高后的車身水平高度等級(jí)以及運(yùn)動(dòng)型減振的等級(jí)；在多功能顯示屏中顯示車身水平高度過低的信息。

(1)系統(tǒng)構(gòu)成

奔馳空氣懸架系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、執(zhí)行器3大部分組成。如圖26所示。

圖26 奔馳懸架系統(tǒng)組成

傳感器主要有：壓力傳感器，右、左前車身加速度傳感器，右、左前水平高度傳感器，右后車身加速度傳感器，后軸水平傳感器，轉(zhuǎn)向角傳感器等?？刂破髦饕校簬ё詣?dòng)減振適應(yīng)系統(tǒng)(ADS)的空氣懸掛系統(tǒng)控制單元。執(zhí)行器主要有：壓縮空氣單元，水平高度控制閥單元，左右前減振閥單元，左右后減振閥單元。

(2)系統(tǒng)工作原理

如圖27所示空氣懸架氣動(dòng)/液壓裝置圖，空氣壓縮機(jī)m1由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，形成壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)干燥器c干燥后，由空氣管道經(jīng)水平高度控制閥送至空氣彈簧的主氣室。當(dāng)車身需要升高時(shí)，空氣懸掛系統(tǒng)控制單元(N51)控制水平高度控制單元(y36/6)的4個(gè)電磁閥(y36/6y1、y36/6y2、y36/6y3、y36/6y4)，使壓縮空氣進(jìn)入空氣彈簧的主氣室，于是空氣彈簧伸長，車身升高。當(dāng)車身需要降低時(shí)，空氣懸掛系統(tǒng)控制單元控制電磁閥使空氣彈簧主氣室中壓縮空氣經(jīng)水平高度控制單元至傾翻/剩余壓力保持閥(b)、壓力釋放閥(yl)排到空氣濾清器處，于是空氣彈簧壓縮，車身降低。車輛的升高或降低取決于行駛速度與水平高度調(diào)節(jié)按鈕的設(shè)置。有三種可能的車身水平高度級(jí)別與行駛速度關(guān)系。如圖28所示。

圖28 奔馳空氣懸架車身水平高度調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)

(3)懸架滑柱

如圖28所示，懸架滑柱是集空氣彈簧、液壓減振器和減振閥單元以及極限限位機(jī)構(gòu)為一體的綜合機(jī)構(gòu)，安裝于橫臂與車身之間。懸架滑柱的上腔充入氣體(或排除氣體)，用于升高(降低)車身水平高度，起到彈簧(支撐和緩解振動(dòng))的作用。懸架滑柱的下腔充入的油液，由減振閥單元來控制液壓力大小，以改變阻尼的大小，適應(yīng)路面對(duì)車輛的沖擊引起振動(dòng)。減振閥單元(Y51，Y52，Y53，Y54)包括一個(gè)殼體和2個(gè)活塞簧片閥總成(p)。每個(gè)活塞簧片閥總成上都有一個(gè)簧載電磁閥活塞，閥門活塞與電磁線圈組成了電磁閥總成(y1，y2)，如圖29所示。

如果電磁閥線圈(y1，y2)沒有通電，則簧載電磁閥活塞(y1，y2)使下面的小孔保持關(guān)閉。液壓油通過簧片閥總成(p)以及外殼中的橫流油道排出，減振器阻尼力減小。如果電磁閥線圈(y1)通電，則電磁閥活塞(y1)打開小孔，讓液壓油流過?；钊善y總成(p)中僅有極小的液壓油限制通過，則減振器阻尼力就增大。減振等級(jí)是通過電磁閥開啟比例控制實(shí)現(xiàn)的。

(4)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)通過各個(gè)傳感器、控制開關(guān)、防滑控制模塊、驅(qū)動(dòng)力控制模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊所給的信號(hào)傳給帶自動(dòng)減振適應(yīng)系統(tǒng)(ADS)的空氣懸掛系統(tǒng)控制單元，經(jīng)過帶自動(dòng)減振適應(yīng)系統(tǒng)(ADS)的空氣懸掛系統(tǒng)控制單元的計(jì)算分析，并發(fā)出指令來調(diào)節(jié)空氣彈簧硬度和減振器阻尼力，從而達(dá)到車輛運(yùn)動(dòng)最理想的狀態(tài)。由于該計(jì)算分析過程所需時(shí)間只有幾十微秒，因此，空氣懸架系統(tǒng)對(duì)車輪的每一個(gè)微小動(dòng)作都能做出快速恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。如圖30所示是懸架控制原理框圖。

圖29 奔馳懸掛滑柱(減振閥單元)總成結(jié)構(gòu)圖

圖30 奔馳懸掛滑柱(減振閥單元)總成結(jié)構(gòu)圖