空氣懸架系統(tǒng)

    第一節(jié)  概    述

    汽車懸架是車身或車架與車輪或車橋之間傳力連接裝置的總稱。其作用主要有如下三個(gè)方面：

    （1）與輪胎共同作用，緩沖和吸收來自車輪的振動(dòng)，使汽車平穩(wěn)行駛。

    （2）將車輪與路面之間產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力及其力矩傳遞到車身。

    （3）將車身支承在前后車橋上，并保持車身與車輪之間的幾何關(guān)系。

    傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)主要由彈簧、減振器、穩(wěn)定桿等組成。彈簧用于使路面產(chǎn)生的振動(dòng)和車輪擺動(dòng)不致直接傳到車身，彈簧也有助于提高輪胎著地能力。減振器能迅速衰減彈簧的振動(dòng)，使乘坐舒適，并能改善汽車的方向穩(wěn)定性。正是彈簧和減振器的綜合特性，確定了汽車的行駛性能和操縱性能。而傳統(tǒng)的機(jī)械彈簧其剛度是不能變化的，即使是變剛度彈簧，其變化范圍也十分有限，傳統(tǒng)的減振器其減振力同樣不能變化。因此，由這些傳統(tǒng)元件組成的懸架不可能同時(shí)滿足良好的乘坐舒適性和良好的操縱穩(wěn)定性。例如，為提高汽車乘坐的舒適性，要求懸架做得比較軟。以滿足汽車在不平路面上行駛時(shí)車輪有較大的運(yùn)動(dòng)空間。但這將導(dǎo)致汽車在行駛過程中，由于路面的顛簸而使車身位移增大，這種位移的增大會(huì)對汽車行駛的穩(wěn)定性帶來十分不利影響。反之，為提高汽車操縱的穩(wěn)定性，要求懸架要有較大的彈簧剛度和較大的減振器減振阻尼，以限制車身過大的運(yùn)動(dòng)。但這又會(huì)導(dǎo)致車身產(chǎn)生較大顛簸，從而影響汽車的乘坐舒適性和車輛行駛的平順性。

因此，傳統(tǒng)的懸架在設(shè)計(jì)過程中不可避免地要不斷在乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性中尋求妥協(xié)。盡管近年來傳統(tǒng)懸架在結(jié)構(gòu)上的不斷更新和完善，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，已使汽車，特別是轎車的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性有了很大提高，但傳統(tǒng)懸架仍然受到諸多的限制。如最終設(shè)計(jì)的懸架參數(shù)（彈簧剛度和減振器減振阻尼等）是不可調(diào)節(jié)的，使得傳統(tǒng)懸架只能保證汽車在一種特定的道路和速度條件下達(dá)到性能最優(yōu)的匹配，并且只能被動(dòng)地承受地面對車身的作用力，而不能根據(jù)道路、車速的不同而改變懸架參數(shù)，更不能主動(dòng)地控制地面對車身的作用力。圖10-1為傳統(tǒng)的螺旋彈簧懸架示意圖。

圖10-1  傳統(tǒng)的螺旋彈簧懸架

隨著高速公路的發(fā)展，汽車速度有了很大提高，對汽車的性能也提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的懸架限制了汽車性能的進(jìn)一步提高。以微電腦為代表的電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備性能的大幅改善和可靠性的不斷提高，促成了汽車電子裝置的高可靠性、低成本和空間節(jié)省，使電子控制技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于包括懸架在內(nèi)的汽車的各個(gè)部分。通過采用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車懸架的控制，既能使汽車乘坐的舒適性達(dá)到令人滿意的程度，又能使汽車的操縱穩(wěn)定性達(dá)到最佳狀態(tài)。近年來，人們不斷開發(fā)適應(yīng)各種行駛工況的最優(yōu)懸架控制系統(tǒng)，在轎車，尤其是豪華高檔轎車中，相繼出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的各種電子控制懸架系統(tǒng)。

豐田的電子控制懸架系統(tǒng)（TEMS）就是其中的一種。這一系統(tǒng)最早用于1984年的姬先達(dá)（CRESSIDA）車型上，但只對減振器的減振阻尼進(jìn)行控制。80年代末發(fā)展為電子控制空氣懸架系統(tǒng)，應(yīng)用在豪華轎車凌志LS400。這一系統(tǒng)除控制減振器的減振阻尼外，還可控制空氣彈簧的剛度及車身（底盤）的高度。圖10-2為凌志LS400的電子控制空氣懸架系統(tǒng)示意圖。

    圖10-2  電子控制空氣懸架

    本章主要介紹凌志LS400的電子控制空氣懸架系統(tǒng)。

    凌志LS400于1989年12月面世，車型為ucFl0。直至1994年9月，其電子控制空氣懸架系統(tǒng)均未有大的改動(dòng)。從1994年10月起，車型改為ucF20，其電子控制空氣懸架系統(tǒng)也有了較大改進(jìn)。

    第二節(jié)  系統(tǒng)的功能

    對于汽車懸架而言，若懸架剛度減少，則懸架的平順性好，汽車乘坐的舒適性提高，但過低的懸架剛度會(huì)造成汽車在行駛過程中產(chǎn)生橫擺和縱搖，破壞汽車正常行駛狀態(tài)，使汽車行駛穩(wěn)定性降低。而且，若只減少懸架剛度而不改變減振器的減振阻尼，地面沖擊力會(huì)通過減振器傳至車身，汽車乘坐的舒適性也會(huì)被破壞。因此，懸架剛度控制最好能與車身高度控制和減振器的減振阻尼控制聯(lián)合作用，才能有效地改善汽車的乘坐舒適性和行駛穩(wěn)定性。

    豐田的電子控制空氣懸架系統(tǒng)是一種能同時(shí)控制彈簧剛度、減振器減振阻尼和車身高度的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可同時(shí)使汽車乘坐的舒適性和行駛穩(wěn)定性在各種不同的工況下均能大幅度提高。

    電子控制空氣懸架系統(tǒng)的功能如下：

    （1）模式變化。

凌志LS400的電子控制空氣懸架系統(tǒng)提供了懸架控制開關(guān)，給駕駛員進(jìn)行選擇。懸架開關(guān)由LRC（凌志乘坐控制）開關(guān)和高度控制開關(guān)組成，如圖10-3所示。

圖10-3  懸架開關(guān)

    LRC開關(guān)有兩個(gè)位置：NORM（常規(guī)）和SPORT（運(yùn)動(dòng)）。NORM模式著重于乘坐舒適性，通常用于一般的行駛。SPORT模式著重于提高急轉(zhuǎn)彎等情況下的車輛穩(wěn)定性。

    高度控制開關(guān)也有兩個(gè)位置：NORM（常規(guī)）和HIGH（高位）。NORM位置在一般道路上行駛時(shí)選用，HIGH位置則在不平道路上行駛時(shí)選用。

    （2）彈簧剛度和減振阻尼控制。

    彈簧剛度和減振器減振阻尼力均由電子裝置控制。彈簧剛度有“軟”和“硬”兩種模式，減振器減振阻尼則有“軟”、“中”和“硬”三種模式。電子裝置根據(jù)車速和路面的變化自動(dòng)地調(diào)節(jié)懸架剛度和減振阻尼，這種控制方式共有四種：高車速控制、不平道路控制、顛動(dòng)控制和跳振控制。此外，在車速或轉(zhuǎn)向急劇變化時(shí)，會(huì)造成車身姿態(tài)的急劇變化，既破壞汽車乘坐的舒適性，又容易使汽車失去方向穩(wěn)定性。所以，必須對車身姿態(tài)實(shí)施控制。這種控制方式共有三種：轉(zhuǎn)向時(shí)的車身側(cè)傾控制、制動(dòng)時(shí)的車身“點(diǎn)”頭控制和起步或突然加速時(shí)的車身后仰控制。