毕业设计（论文）电控悬架系统的结构控制原理研究与检修.doc

毕 业 设 计 书课题名称 电控悬架系统的结构控制原理研究与检修 学生姓名 学生学号 所属系部 汽车工程系 专业班级 13汽修2班 指导老师 起止时间 2015.12.142016.01.08 湖南财经工业职业技术学院教务处制目 录一、 悬架. （一）悬架的概述.（二) 悬架的分类.（三) 悬架的主要职能.二、 电控悬架系统.（一） 电控悬架系统的简介.（二） 电控悬架系统的分类.（三） 电控悬架系统的功用.（四） 电控悬架系统的主要功能.（五） 电控悬架系统的基本组成.（六） 电控主动悬架的基本原理.（七） 电控悬架系统的结构原理.（八） 电控悬架系统的控制技术.三、 电控悬架系统的检修.（一） 电控悬架系统常见问题与检修.（二） 电控悬架系统的检修注意事项.四、 案例.五、 结束语.六、 后记.七、 参考文献.摘要 汽车已经成为人们生产与生活不可或缺的一部分，伴随着相关技术的发展，人们对汽车整体性能的要求也在不断提高。为了保证汽车行驶过程中的安全性、稳定性与舒适性，同时让转向的具有转向回正、低磨损与动作轻便的特性，汽车悬架扮演着重要的角色。而电控悬架是在传统悬架的基础上发展起来的,通过采用电子技术实现汽车悬架控制，既能提高汽车行驶的安全性，又能提高汽车乘坐的舒适性，人们不断开发改进，创兴。随之而来的电控悬架系统出现在车辆之中，走进我们日常的检修范围关键词 电控悬架 系统 结构 检修电控悬架系统的结构控制原理研究与检修一、悬架 （一）悬架的概述 悬架是是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称悬架的主要作用是传递作用在车轮与车身之间的一切力矩与力，如制动力与支撑力等等，并且缓和不平路面带给车身的冲击负荷、减弱因此而引起的振动、保证乘坐人员的舒适性，减小货物与车辆本身的动载荷。典型的悬架结构由弹性元件，导向机构与减震器等等组成，个别结构还有横向稳定杆，缓冲块等等；弹性元件又有钢板弹簧，螺旋弹簧等形式，现代轿车悬架多采用螺旋弹簧与扭杆弹簧，个别高级轿车使用空气弹簧。 （二）悬架的分类 悬架可分为非独立悬架、独立悬架、横臂式悬架、多连杆式悬架、纵臂式悬架、烛式悬架、麦弗逊式悬架、摇曳臂式悬挂、主动悬架与空气悬挂系统。 (三)悬架的主要职能1连接车轮与车体，且用适度的刚性支撑车轮；2吸收来自路面的冲击，提高乘员乘坐的舒适性；3有助于行驶过程中车辆的稳定，提高操纵稳定性能。二、 电控悬架系统（一） 电控悬架系统的简介电控悬架系统能够根据车身高度、车速转向角度，速率及制动等信号，由ECU控制悬架执行机构，让减震器的阻尼力，悬架系统的刚度与车身高度等等参数得以改变，由此让汽车具有良好的安全性，操作稳定性与乘坐舒适性。电控悬架系统的最大优点是它能让悬架在不同路面和行驶状态过程中做出不同的反应。（二）电控悬架系统的分类按传递介质不同，分气压式与油压式；按驱动机构与介质不同，分电磁阀驱动的油气主动式悬架与步进电机驱动的空气主动悬架；按控制理论不同，分半主动式与主动式；半主动悬架消耗小。成本低，不需要外加动力源。主动悬架根据各传感器检测信号自动调整车身高度，悬架刚度及阻尼力，以此提高汽车的乘坐舒适性与操纵稳定性。它是一种能供给与控制动力源的装置。按工作原理分为主动悬架与半主动悬架。 （三） 电控悬架系统的功用 车高调整 无论车辆的负载多少，都可以保持汽车高度一定，保持车身水平，从而可以让前照灯光束方向保持不变。当汽车在高低不平路面上行驶时，可以使车高升高，防止车桥与路面相碰，提高通过性；当汽车高速行驶时，又可以使车高降低，以便减少空气阻力，提高操纵稳定性。弹簧刚度控制 与减振器一样在各种工况下，通过对弹簧弹性系数的调整，来改善汽车的操纵稳定性与乘坐舒适性。减振器阻尼力控制 通过对减振器阻尼系数的调整，防止汽车急速起步或急加速时“后蹲”；防止紧急制动时的“点头”；防止汽车急速转弯时车身横向摇动；防止汽车换档时车身纵向摇动等等，提高行驶稳定性和操纵稳定性。（四） 电控悬架系统的主要功能 电子控制汽车悬架的基本目的是通过控制调节减震器阻尼与悬架的刚度，突破被动悬架的局限区域，使行驶道路状况与汽车的悬架特性相适应，保证操纵稳定性与平顺性两个相互排斥的性能要求都能得到满足。 主要功能： 1）防倾斜控制功能-通过对车辆各悬架弹簧刚度与减震器阻尼力的控制，以抑制倾斜，使汽车车身姿势变化减至最小，以此改善操纵性能。 2）防“点头”控制功能-通过对车辆各悬架弹簧刚度与减震器阻尼力的控制，以抑制汽车制动“点头”而使汽车车身姿势变化减至最小。 3）防“下坐”控制功能-通过对车辆各悬架弹簧刚度与减震器阻尼力的控制，以抑制汽车加速时后部“下坐”，使汽车车身姿势变化减至最小。 4）点火控制开关功能-当该开关断开后，因乘客与行李质量变化而使汽车高度变为高于目标高度时，能使汽车高度降低到目标高度，从而改变汽车驻车时的姿势。 5）自动角度控制功能-通过对车辆各悬架弹簧刚度与减震器阻尼力的控制，不管乘客与行李质量如何，使汽车保持水平位置。 6）高车速控制功能-通过对车辆各悬架弹簧刚度与减震器阻尼力的控制，改善汽车高速行驶时的稳定性与操作性。 7）不平稳道路控制功能-通过对车辆各悬架弹簧刚度与减震器阻尼力的控制，以控制汽车在不平道路上行驶时的乘坐舒适性。（五） 电控悬架系统的基本组成 电子控制悬架系统（EMS)由传感器、控制开关、电控单元与执行器组成。传感器与控制开关向电控单元输入信号，电控单元接收信号后，向执行元件发出控制指令，执行元件产生一定的机械动作，从而改变车身高度，减震器的阻尼与空气弹簧的刚度。 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）。（六） 电控主动悬架的基本原理 主动悬架采用了与传统结构完全不同的弹性元件（空气弹簧，油气弹簧等），使其突破一般弹性元件（钢板弹簧、扭杆弹簧等）在刚度变化方面的局限性。由此，主动悬架能够根据车身高度，转向角度，车速，角速度与制动等信号，由电控单元控制悬架执行机构，进而改变减震器阻尼力，悬架弹性元件的刚度及车身刚度等参数，从而使车辆的平顺性与操纵性都达到最佳。 这类悬架大多采用空气弹簧或油气弹簧作为弹性元件，通过改变弹性元件内部工作介质（油液或空气）的流通性或压力大小来调节悬架的刚度；通过工作介质的充、放来改变悬架的高度，即可以进行车身高度的控制。 （七）电控悬架系统的结构原理 电子控制空气悬架系统由悬架ECU、模式选择开关、车速传感器、车身高度传感器、转向角度传感器、空气弹簧、加速度传感器、可调阻尼减振器、空气压缩机以及高度控制电磁阀等部件组成。空气悬架ECU采集的信号主要有：转向角度、车速、压力信号、悬架模式选择、制动开关状态、车身垂直加速度、实际车身水平高度以及驾驶人选择的车身高度等，它的控制原理如图3所示。对于奥迪轿车来说，下列控制单元与空气弹簧悬架控制单元J197有关联：J104ESP控制单元；J220发动机控制单元；J533网关；J527转向柱控制单元；J431前照灯控制单元；J285仪表盘控制单元；J345挂车识别控制单元；J518进入和授权控制单元。因此，如果空气弹簧悬架系统工作不正常，上述相关联的控制单元可能存在故障。(八)电控悬架系统的控制技术电控悬架主要包含执行机构和控制策略两大部分。由于执行机构完全按照控制策略的要求来输出主动力，因此电控悬架设计的关键， 就是选取能够为车辆提供良好性能的控制策略。不同的控制策略，将会导致不同的悬架特性和减振效果。1） 最优控制 20世纪60年代，线性最优控制理论已被应用于车辆悬架系统的研究中。线性二次型调节器控制理论（简称 LQR）和线性二次高斯型控制理论（简称LQG）是主动悬架设计人员常用的方法。理论上讲， LQR和 LQG 主动悬架大幅度地改善了车辆的性能，且具有较大的稳定裕量。但主动悬架对模型摄动时基本不具备鲁棒性，在激励频率大于60Hz时，系统极易变得不稳定。因此线性最优控制具有以下不足之处：采用线性最优控制理论来设计主动悬架时，需要有一个明确的目标函数；最优控制理论很难处理好频域内的减振问题，难以使车辆兼具良好的时域和频域性能；没有考虑模型的不确定性，只是在平均意义上对随机白噪声扰动进行了抑制。因此当模型存在摄动时， 线性最优控制基本不具有鲁棒性。2）预瞄控制 主动悬架的预瞄控制能够根据车辆目前的行驶状态和未来干扰等因素来提前给出调节作用，使悬架系统最有效地抵消外部干扰所引起的振动。预瞄控制的实现方法有两类，一类是将前轮悬架的状态信息反馈给后轮悬架，另一类是通过测量车轮前方道路来获得实时的路况信息，并将此信息作为主动悬架设计的重要依据。预瞄控制的不足之处主要有：预瞄控制是在假定悬架系统是线性时不变系统的情况下制定的，并没有对车辆参数的时变性加以研究；预瞄控制要求车辆装备特制的预瞄传感器，虽然在技术上是可行的，但考虑到实车的制造成本、车辆工作环境对传感器使用寿命的影响等实际问题，要将预瞄控制应用于实际还有很多问题有待解决。3）模糊控制 由人作为控制器的控制系统是典型的智能控制系统，其中包含了人的高级智能活动。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，其控制特点是：不需要准确的数学模型；将大量的控制经验和知识作为控制的主要依据。考虑到悬架系统本身的非线性和所处环境的复杂性等因素，悬架系统可采用模糊控制策略来获得满意的控制效果。然而模糊控制规则的完整性、模糊子集的定义、隶属度函数的确定、模糊推理机制等因素都会对模糊控制器的性能产生影响，而这些因素大都依赖于专家的经验。而在很多情况下，专家经验并不完备，有时是相互矛盾的，甚至根本没有专家的经验可以利用，这大大增加了模糊控制器设计的难度。为了使模糊控制器具有良好的自适应性和鲁棒性，许多专家致力于模糊控制器自动设计的研究。4）自适应控制 自适应控制是一种实时调节控制器的方法，其研究对象是具有一定不确定性的系统。这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。在悬架控制系统的设计中，自适应控制能自动监测系统参数的变化，并实时地调节控制策略，从而使系统具有良好的性能。目前，比较完善的自适应理论有模型参考自适应控制和自校正控制。前者可对控制器的参数进行直接更新，而后者是采用参数估计的方式间接地对控制器进行更新。但是自适应控制仅适合于悬架参数在某一特定范围内缓慢变化的情况。当系统参数的变化超出特定的范围时， 系统的控制效果将会变差。5）神经网络控制 人工神经网络是在现代生物学研究人脑组织所取得成果的基础上，将大量简单的处理单元广泛连结组成的复杂网络，可用来模拟人的直观性思维模式。神经网络控制系统作为一个新兴的领域，已经引起了控制界的兴趣，许多学者将其应用在了主动悬架控制中。学习是神经网络研究的一个重要内容，它的适应性是通过学习实现的。然而神经网络学习速度较慢，不适合应用在实时控制中；此外，如何获取神经网络的训练样本和改进训练策略等问题还有待于进一步研究和解决。除上述控制方法外，还有一些其它的方法，比如滑模控制，免疫进化控制等。无论采用何种控制方法，车辆的性能均有不同程度的改善。在研究和开发中，结合实际车辆的工况，设计简单有效、实用的控制方法是车辆主动悬架研究工作的主要目标。四、电控悬架系统的检修 （一）电控悬架系统常见问题与检修（1）常见问题1） 电子控制悬架系统不工作可能原因：电子控制悬架系统指示灯电路断路或短路、 ECU电源电路断路、执行器电路断路、减震器工作错误、ECU工作错误。2） 防侧倾控制不工作可能原因：车速传感器电路断路或短路、转向传感器电路断路或短路、ECU工作错误。4）防车头下沉控制不工作可能原因：停车灯开关电路断路或短路、转向传感器电路断路或短路、ECU工作错误。5）高速控制不工作车速传感器电路断路或短路、ECU工作错误6）防车尾下坐控制不工作车速传感器电路断路或短路、发动机ECU工作错误、 节气门位置传感器工作错误、ECU工作错误 （2）故障检修方法为了满足车辆的高安全性要求，电子控制空气悬架系统对故障的检测采取以安全为导向的策略。在监测系统工作的过程中，ECU检测每一个部件的电气连接，并将输入电压和电阻与指标值相比较，来判断零部件的连接状态和工作状态。需要注意的是，这种方法无法检测开关的工作状态，例如，特殊高度的开关。同时也检查传感器的信号和车辆的行为，例如，如果空气气囊压力增加而车身高度保持不变，系统将其认为是一个故障。  为了提醒驾驶员系统出现故障，仪表板上应装有故障灯，根据故障的严重程度，警告灯将一直亮(不严重故障)或闪烁(严重故障)。此外还应装有指示灯，提醒驾驶员目前的高度状态。当打开点火开关后，这些灯将亮2秒后熄灭以通知驾驶员系统工作正常。 为了保证系统工作的安全性，对于不同的故障模式采取的策略如下： （1）对于容易识别的不严重故障，系统将继续工作在系统存在所述的不严重故障时，ECU将对其功能进行部分限制以便车辆不会立即停止。  A.如果一个高度传感器失效，而同一桥上安装着另一高度传感器并且工作正常； B.速度信号失效、安全敏感控制带 （带侧跪功能的系统检测降低高度一侧与地面的距离是否在安全范围内） 失效、压力传感器失效； C.储存在WABCO ECU中的数据故障。 对于此类故障系统会做出如下反应： A.红色警告灯常亮；  B.故障储存在ECU的内存中，系统继续工作但不会完全发挥其功能，一旦缺陷被清除，系统将继续正常工作。  （2）在存在下列所述的故障时，系统将暂时停止工作在一个控制过程开始的前30秒内， 如果系统没有反应，原因可能是下列故障之一： A.电磁阀无法使气囊增压；B.电磁阀无法减少气囊压力；  C.尽管控制过程已经结束，电磁阀仍然保持在压力增加或压力释放的位置； D.气源供给有故障； E.气囊破裂； F.管路断裂或扭结。  此外，由于ECU无法检测电磁阀的进、出气口的工作状态，因此，只能从高度传感器的反馈信号来判断指标值与实际值的偏差。事实上，在ECU控制气囊增压时，而车身高度 不变，也可能是气压不足所造成。因此，为了避免这种情况，ECU将在点火开关打开后隐瞒故障信息一段时间，以允许车辆空压机有充裕的时间建立系统压力。 （3）在执行性故障（执行零部件失效）的情况下系统的反应 A.故障灯常亮；  B.故障储存在ECU的内存中；C.中断控制过程并且关闭自动高度调整功能。  在系统工作中产生的临时故障能够通过关闭然后打开点火开关或通过按下升/降开关而消除，尽管故障被记录在ECU的内存中，但是如果故障不再出现，系统就能够正常运行。（4）对于能容易识别的严重故障，系统将永久关闭这些缺陷包括会造成很大操作风险的缺陷。  A.在ECU ROM中的程序故障； B.在ECU RAM主内存中故障储存位置的故障； C.参数故障：参数值不在系统规定的有效范围或者ECU中没有设置参数；  D.标定故障：参数值不在系统规定的有效范围或者系统不允许操作标定的高度位置； E.电磁阀内或连接电磁阀的导线断路或者短路； F.在一个桥上的所有高度传感器失效；  G.电磁阀的电路故障、禁止启动功能或开门机构的电气故障。  在系统有此类严重缺陷时系统的反应： A.故障灯闪烁；  B.缺陷储存在ECU的内存中； C.整个系统自动关闭。  在此类故障条件下，即使点火开关关闭然后打开，系统仍保持不可操作状态，直到故障被清除。此时可以通过紧急操作开关来调整车辆高度。  （5） 对电路连接的断续性接触故障的系统反应由电路连接的断续性接触故障造成的临时缺陷，只要缺陷存在，不管是轻微缺陷还是严重缺陷，故障灯将显示故障信息或者系统关闭。当维修工作完成后，故障信息将储存在ECU故障内存中 。 （6）ECU无法检测的缺陷如果指示灯烧毁，ECU无法检测到此故障，在这种情况下，由驾驶员打开点火开关后检查灯泡。正如前面所述，ECU不能检查开关和按键的工作状态。另一方面，操作开关的失效通常不作为主要缺陷，因为操作人员将会马上发现。如果高度传感器的连杆被折弯， 会造成较严重的问题，因为这将造成不正确的正常高度或者带有两个高度传感器的车桥两侧的高度不同。这类缺陷只有近距离检查才能发现，而一旦缺陷清除需要重新对车辆进行标定。  （7） 指示灯显示的控制策略 ECAS的指示灯主要有黄色的高度指示灯和红色的故障灯。另外，对于安装特殊高度指示灯的车辆，在车辆高度处于特殊高度时指示灯亮以提示驾驶员注意特殊高度不宜长时间使用。由于在特殊高度时，气囊高度、减震器高度等都处于非正常工作状态，如长时间使用，必然对整车寿命及相关零部件寿命产生影响、因此，最好在特殊路面上才使用此高度功能，过了特殊路面立即取消该高度功能。 （二）电控悬架系统的检修注意事项 测量时要使用高阻抗的汽车专用检测的万用表。不要在钥匙处在ON的位置断开蓄电池负极线。不要先摘掉蓄电池正极，会损坏电器元件或模块内元件。五、案例（凌志LS400）LS400轿车EMS系统的故障自诊断系统需要利用指示灯读取故障码，因此首先要进行指示灯检查。 一）指示灯检查 1. 闭合点火开关，HEIGHT照明灯一直点亮。 2. 检查悬挂控制指示灯（带SPORT标志）和高度控制指示灯（带NORM或HI标志），应亮约2s。当把位于自动变速器（有的位于仪表板）上的悬挂控制开关拨到SPORT侧时，悬挂控制指示灯仍旧亮着。同样，当高度控制开关拨到NORM或HIGH侧时，相应的高度控制指示灯NORM或HI也点亮。 当高度控制NORM指示灯以每1s间隔闪亮时，这表明ECU存储器中存有故障代码。悬挂控制系统存在故障，应做进一步的检修。在指示灯检查过程中，如果出现表3中所示的故障，应进行相应电路的检查并进行故障排除。 二）诊断代码检查 1. 闭合点火开关。 2. 将诊断盒（TDCL）或检查连接器的端子TC和E1短接。 3. 通过观察高度控制NORM指示灯的闪烁规律，读取诊断代码。 4. 若没有诊断代码输出，应检查TC端子电路。若指示灯闪烁的时间间隔相等，表示悬挂控制系统正常，自诊断系统未发现故障。 5. 检查完后，将端子TC和E1断开。 6. 诊断代码清除有两个方法:在断开点火开关的情况下，拆下接线盒中的ECU熔断丝10s以上；在断开点火开关的情况下，将高度控制连接器的端子9与端子8连接，同时使检查连接器的端子TS与E1连接，保持这一状态10s以上，然后闭合点火开关，并断开以上各端子。 7. 对故障部位进行检查与维修，再按读取代码的步骤检查一遍，如诊断代码消失，表明悬挂控制系统正常。故障已经排除。 三）根据故障现象进行检修 如果在进行诊断代码检查时显示一个正常代码而汽车电控悬挂仍然出现（重复出现）故障，这时可根据故障现象进行每个故障的排除，按表4和表5给出的次序检修每个与故障现象有关的电路。如果相关电路没有任何不正常现象，故障却依然出现，最后一步就应该更换悬挂系统ECU。 五、 结束语六、 后记七、 参考文献