汽车底盘悬架系统解析

车辆与道路的接触性能由悬架系统的部件决定，它应尽最大可能满足车辆的乘员舒适性，优化驾驶安全性以及降低路面传递到车内的噪声，这些条件对悬架系统的设计提出了很高的要求。设计满足高舒适性标准的车辆，就要在各种悬架系统的要求中进行综合考虑，形成一个各方兼顾的方案，这是一项特殊的挑战。而辉腾轿车在悬架系统中采用了完全承载式水平高度调节系统——4角空气悬架（4CL）并带有连续减振控制（CDC）的设计方案。为了更好地理解该设计方案，我们有必要先学习一下弹簧/减振器系统基础、空气悬架基础和减振系统基础三部分内容。

（一）弹簧/减振器系统基础

1.车辆悬架

如图3-49所示，当车辆运动时，外部作用力与冲击会使车辆沿三维空间轴的方向（横轴、纵轴、垂直轴）产生运动与振动。减振的目标是在弹簧与减振器之间获得良好的平衡，从而将这些力对驾驶舒适性、驾驶安全性和操纵安全性的影响降到最低。

图3-49 车辆运动与振动示意图

1）驾驶舒适性：乘员不会感觉到有害的或不舒服的振动，并且让车内货物保持完好。

2）驾驶安全性：用以保持车轮与地面的接触，这对于转向和制动都是十分重要的。

3）操纵安全性：保护车身与各个总成不会受到较大的冲击和振动载荷。

轮胎、弹簧/减振器与座椅及座垫共同组成车辆的减振系统。弹簧/减振器元件是该系统的关键部件，连接在车轮与车身之间。在汽车上，分簧下质量（通常包括车轮、制动器、半轴、下摆臂、减振器和车轮轴承等）与簧上质量（车身传动系统零件）。车辆优化的总体目标是将簧下质量保持在最小，这样可对车身振动特性的干扰降到最小，并改善悬架响应和驾驶舒适性。那么，通过采用以下部件可减小簧下质量：

1）铝合金悬架零件。

2）铝合金制动钳。

3）铝合金中空辐条式车轮与重量优化后的轮胎。

2.机动车上的振动类型

轮胎、悬架元件、车身与座椅构成了一个可以振动的系统。如图3-50所示，当一个力将弹簧上作用的物体拉离其静止位置时，弹簧中就会产生一个回复力，这个力使得该物体向回弹。于是，该物体开始振动并经过静止位置，这就又产生一个回复力，这个过程反复在进行，直到空气阻力和弹簧内部摩擦力使得振动停止为止。这些振动是由振幅和频率所决定的。

图3-50 振动原理示意图

1）振动：一个物体的向上与向下运动（例如车身的下压与反弹）。

2）振幅：摆动物体到其静止位置的最大距离（弹簧行程）。

3）周期：一个振动所持续的时间。

4）频率：每秒振动的次数。

5）固有频率：簧上质量每秒的自由振动次数。

在进行底盘设计时，车身固有频率具有特别重要的意义。车身固有频率基本上由弹簧刚度与簧上质量来决定。

如图3-51所示，较大的质量或较软的弹簧会使得车身固有频率变小并增加弹簧的行程。

如图3-52所示，较小的质量或较硬的弹簧会使得车身固有频率变大并减小弹簧的行程。

图3-51 固有频率小

图3-52 固有频率大

当车身固有频率小于1Hz时会引起晕车的感觉，当然这也取决于个人的体质；当固有频率高于1.5Hz时，将使驾驶舒适性下降；当固有频率高于5Hz时，会使人感到振动。

如图3-49所示，在车辆行驶中，除了车辆的向上与向下运动外，还会发生围绕或沿车辆三维空间轴方向（横轴、纵轴、垂直轴）的振动，这些振动包括以下内容：

1）耸动：沿纵轴方向的振动。

2）侧倾：纵轴扭振（横摆、起伏、倾斜）。

3）横向滑移：沿横轴方向的振动。

4）纵倾：横轴扭振（俯仰）。

5）垂直振动：沿垂直轴方向的振动（冲击、垂直振动）。

6）横摆：垂直轴扭振（侧滑）。

3.弹簧特性

弹簧刚度就是作用力和弹簧行程的关系，其单位是N/mm。弹簧刚度用来描述弹簧的软、硬程度。

如图3-53所示，如果在弹簧的整个行程内，弹簧刚度不变，那么，此弹簧具有线性特性。若弹簧较软，则特性曲线较平；弹簧较硬时，则特性曲线也较陡。螺旋弹簧的特性可能会受到以下因素影响：

1）弹簧直径。

2）弹簧钢丝直径。

3）弹簧的绕制圈数。

如图3-53所示，如果弹簧刚度随着弹簧行程的增大而增大，那么，此弹簧具有渐进特性。具有渐进特性的螺旋弹簧有下列特点：

1）螺旋弹簧的螺距不均匀。

2）螺旋弹簧呈锥形。

3）螺旋弹簧钢丝直径呈锥形。

4）不等弹簧直径的螺旋弹簧组合到一起。

弹簧渐进特性的优点：

1）悬架系统从正常状态到全负荷状态的匹配均较佳。

2）在负荷不断增加时，车身固有频率基本不变。

3）当车辆因路面不平而受到强烈冲击时，悬架下沉不会很快。

4）可充分利用弹簧的可用行程。

4.弹簧行程

对于不带水平高度调节系统的车辆，其所需的弹簧行程等于车辆满载弹簧压缩距离减去空载弹簧压缩距离所得的静态弹簧行程加上动态弹簧行程。

静态弹簧行程就是车辆静态时在有效载荷作用下弹簧被压缩的距离。它等于车辆满载时的静态压缩量与车辆空载时的静态压缩量之差。

如图3-54所示，当弹簧特性曲线比较平坦（软弹簧）时，这个差值就是满载与空载之间的静态压缩量，这个静态压缩量就比较大。

如图3-54所示，当弹簧特性曲线斜度较陡（硬弹簧）时，这个静态压缩量就较小。

1）空载位置：就是可使用汽车（包括满箱燃油、工具箱与备胎，但不包括驾驶人）的车轮静立在地面上时的弹簧压缩量，即车轮中心与翼子板下沿之间的距离。

2）设计位置：就是车辆在空载位置条件的基础上再乘坐三名体重为68kg乘员后的位置。

图3-53 弹簧特性图

图3-54 弹簧行程图

3）控制位置：就是不管有效载荷为多少而空气悬架的水平高度调节系统所保持的车辆位置，即车轮中心与翼子板下沿之间的恒定距离。

（二）空气悬架基础

1.空气悬架

辉腾轿车采用的空气悬架是一种高度可调的汽车悬架系统，而且，可以与可控的减振器系统联合使用。它是一种相对较为容易实现的水平高度调节系统空气悬架。

水平高度调节系统可以将车身保持在恒定高度（控制位置），即预定义的离地间隙。通过调节作用在空气弹簧上的压力以及改变空气弹簧支柱中的空气量就可进行车辆的高度调节。水平高度调节系统具有以下几方面的优点：

1）车辆可以轻松地调整高度。

2）不管有效载荷为多少，车辆的静态高度保持不变。

3）降低轮胎磨损。

4）风阻系数和车辆外形不受有效载荷的影响。

5）在所有载荷情况下，均能保持最大伸张行程与压缩行程。

6）即使在最大有效载荷情况下，也能保持最大离地间隙。

7）前束与前轮外倾不随有效载荷的变化而变化。

该空气悬架除了具有上述基本优点外，还可以设置三个不同的车辆高度：

1）正常悬架位置。

2）高悬架位置，用于路面状况较差或者不平路面。

3）低悬架位置，在高速公路行驶时自动设置。

2.空气弹簧特性

（1）弹簧力/弹簧刚度 空气弹簧的弹簧弹力F（承载力）由它的几何尺寸（有效圆面积A_w）与作用在空气弹簧上的压力P确定。即：F=P×A_w。有效圆面积A_w由有效作用直径d_w来决定。

对一个刚性结构来说，如气缸和活塞，这个有效作用直径就是活塞的直径。对于带有管状气囊的空气弹簧来说，这个有效作用直径由气囊最低点的直径决定（伸张行程的d_w1与压缩行程的d_w2）。因为在A_w计算公式中有效作用直径d_w进行平方计算，所以，此直径很小的变化就会使圆面积产生较大变化，同样也会使空气弹簧的承载力发生较大变化。由于载荷不同，承载力也就不同，因此，就会有相应的弹簧特性曲线或弹簧刚度。弹簧刚度的变化率与车身重量的变化率是一样的，这样，就可以保证与行驶性能相关的车身固有频率保持不变。

弹簧压缩改变了空气弹簧气囊的有效作用直径（d_w从d_w1变化到d_w2），因为它向下压在起伏活塞上。图3-55显示了起伏活塞轮廓线对有效作用直径d_w的作用效果。

图3-55 起伏活塞轮廓线对d_w的作用效果图

a）伸张行程 b）压缩行程

（2）弹簧特性 大体上，圆柱形活塞空气弹簧的弹簧特性是渐进的。如图3-56所示，其弹簧特性曲线是陡峭还是平坦由空气弹簧体积决定。大体积的空气弹簧产生平坦的弹簧特性曲线（软弹簧）；小体积的空气弹簧产生陡峭的弹簧特性曲线（硬弹簧）。假设弹簧中的空气体积受到动态压缩而悬架压缩行程不变，小空气弹簧体积系统中的压力上升速度要比大体积系统的速度快得多。此特性曲线会受到起伏活塞轮廓的影响。更改起伏活塞轮廓就改变了空气弹簧的有效作用直径d_w，从而也就改变了弹簧弹力（承载力）。

根据具体应用，通过调整以下参数，可以对空气弹簧进行调整：①有效圆面积A_w的大小；②空气弹簧体积（空气量）的大小；③起伏活塞的外轮廓。

3.空气弹簧的设计

空气弹簧的类型有两种：“部分承载”式与“完全承载”式。“完全承载”式是指所有车轮上只用空气弹簧作为支承负荷的弹簧元件。如果采用钢制弹簧和空气弹簧组合，通过液压和气压力来进行调节，因而这种悬架系统的承载力应是这两种弹簧力的总和，我们把这种形式称为“部分承载”式。

如图3-57所示，在辉腾轿车上使用的空气悬架为“完全承载”式空气弹簧。该空气弹簧主要包括以下部件：

1）带有外部导套的上部壳体。

2）空气弹簧气囊。

3）起伏活塞（下部壳体）。

4）一个系统储压器（在需要时才用）。

5）一个集成可连续控制的减振器（CDC）。

图3-56 空气弹簧特性曲线图

图3-57 外部导向完全承载式空气弹簧示意图

4.气囊

空气弹簧气囊由专用高质量多层人造橡胶材料制成，其中，内嵌有尼龙线织网作为加强材料。加强材料吸收空气弹簧中产生的力。里面的覆盖层是专门设计的气密层。各个层经过特殊组合后可使空气弹簧气囊具有良好的起伏特性并且准确地响应悬架动作。在-35～90℃的温度范围内，这些材料可以抵抗所有外界影响。

外部导套金属套吸收周围作用力，有这种金属套的空气弹簧称为“外部导向”式空气弹簧。与之相对，不使用这种金属套的空气弹簧就叫做“无导向”式空气弹簧。

在辉腾轿车上使用的是带有“外部导向”完全承载式空气弹簧。

（三）减振系统基础

1.减振器

如图3-58所示，如果没有减振器的话，车辆在行驶时，因路面不平造成的承载质量振动就会非常强烈，这就使得车身振动越来越强烈，并会导致车轮与路面脱离接触。这样，车辆将失去操纵性。减振器的任务就是尽可能快地降低车身的振动能量并将振动能量转化为热能。为此，在空气弹簧的基础上，又安装了气压式减振器。

正如以前说过的那样，减振器对驾驶安全性和驾驶舒适性有很大的影响。但是，对驾驶安全性的要求与对驾驶舒适性的要求是相互矛盾的。在一定的范围内，情况基本是这样的：

1）减振程度越高，驾驶安全性就越好，但驾驶舒适性越差。

2）减振程度越低，驾驶舒适性就越好，但驾驶安全性越差。

如图3-59和图3-60所示，根据具体的车桥设计形式，空气弹簧与气压式减振器的布置形式有两种：即同轴布置和单独布置。在辉腾轿车上采用的是同轴布置形式。

气压式减振器按结构不同可分为两种类型：即单筒式气压减振器和双筒式气压减振器。

图3-58 车辆振动强度示意图

图3-59 奥迪A6四驱同轴布置形式

图3-60 奥迪A6前驱单独布置形式

（1）单筒式气压减振器 如图3-61所示，对于单筒式气压减振器来说，工作油室与储油室位于一个油缸中。因温度影响以及弹簧受压时活塞杆的推入而引起的容积变化由一个单独的气室来补偿，该气室是由隔离活塞从工作油室中隔离出来的。气室内的压力约为25～30bar，该压力必须能在压缩时顶住阻尼力。其容积的变化量等于受压气室中的气体变化量。

具体工作原理：如图3-62所示。

1）在压缩行程，液压油经集成在活塞上的压缩阀被从工作油室压出，压缩阀会对液压油施加一定的阻力。于是，气室就会被压缩，压缩量就是插入活塞杆的容积。

2）在伸张行程，液压油经集成在活塞上的伸张阀被从储油室压出，伸张阀同样会对液压油施加一定的阻力。于是，气室就会膨胀，膨胀量就是浮出活塞杆的容积。

（2）双筒式气压减振器 如图3-63所示，双筒式气压减振器作为标准减振器得到了广泛应用。正如它的名称那样，它由安装在一起的两个筒组成。内筒作为工作油室，其中充满了液压油。活塞连同活塞阀和活塞杆一起在工作油室中上下运动。工作油室的底部由底板和底阀构成。外筒与内筒之间是环形的储油室，储油室用于补偿因活塞杆及液压油温度变化而产生的容积变化，它只装着一部分液压油，工作压力为6～8bar，这样就可减少气蚀。储油室中的油量等于工作油室中油量的变化量。在加油嘴上有一气室。在活塞和底板上的两个减振阀的作用下，振动得到衰减。这两个减振阀分别称为活塞阀和底阀，活塞阀中包括一个阻尼阀和一个单向阀，而底阀同样包括一个阻尼阀和一个单向阀，它们由弹簧垫片、螺旋弹簧和带有节流孔的阀体组成。

图3-61 单筒式气压减振器结构图

图3-62 单筒式气压减振器工作原理图

具体工作原理如图3-64所示。

图3-63 双筒式气压减振器结构图

图3-64 双筒式气压减振器工作原理图

1）在压缩行程，减振作用主要靠底阀完成，部分由活塞的运动阻力作用完成。活塞杆挤出的液压油流入储油室，底阀对这些液压油的流动会施加一定的阻力，从而就降低了流动的速度。

2）在伸张行程，减振作用由活塞阀独自完成，对向下流动的液压油施加一定的阻力。工作油室内所需要的液压油可以通过底阀上的单向阀毫无阻碍地回流。

注：气蚀指的是当液压油流动很快时，随着真空出现而形成空腔的一个过程。

2.减振器调节

阻尼基本分为两种情况：压缩和伸张。对于减振器来说，压缩行程的阻尼力与伸张行程的阻尼力有所不同，压缩行程的阻尼力小于伸张行程的阻尼力。这样，由于路面不平而引起的振动只有较少部分传递给车辆。由于减振器的调节是固定的，所以，驾驶舒适性与驾驶安全性有着密切的关系。但安装在辉腾轿车上的连续控制的可调节式减振器在大约几毫秒间就可判断出哪个车轮要减振以及需要多大的减振程度。

减振程度说明了减振的快慢程度，这取决于减振器的阻尼力和簧上质量的大小。如果阻尼力不变的话，增大簧上质量会降低减振程度，这就意味着振动被吸收的速度变慢了，即慢速减振；减小簧上质量则增大减振程度，这就意味着振动被吸收的速度变快了，即快速减振。

阻尼力由下列因素来确定：排出的液压油油量、阻尼阀形成的流动阻力、减振器活塞的运动速度以及减振器液压油的粘度。

（四）辉腾带减振控制的空气悬架概述

辉腾轿车带有连续减振控制（CDC）的完全承载式4角空气悬架（4CL）从控制功能上来说属于电控悬架（即为主动悬架）。因此，同其他电控系统一样，也由传感器、控制单元（电脑）和执行器（电磁阀）组成。该悬架可以使车辆保持恒定的离地高度，而不管有效载荷为多少。换句话说，在路面和车辆底盘之间保持着恒定的静态离地间隙，该间隙由驾驶人的输入或车速决定。

整个系统包括：

1）一个4CL/CDC控制单元J197。

2）每个角有一个空气弹簧支柱和一个车身高度传感器。

3）每个角有一个集成在空气弹簧支柱中的可调双筒式气压减振器。

4）一个带有空气干燥器和温度传感器的压缩机。

5）一个带有4个空气弹簧支柱阀、一个电动排放阀和一个储压器阀的电磁阀体，其上有一个集成式压力传感器。

6）一个系统储压器，每个空气弹簧支柱上还安装有一个辅助储压器。

7）压缩机到各个空气弹簧支柱与储压器的空气管路。

8）各个空气弹簧支柱上各有一个车轮加速度传感器，其测量范围为±13g。

9）三个车身加速度传感器，其测量范围为±1.3g。

辉腾轿车可实现三个高度的调节：

1）正常悬架位置（NN），由驾驶人选择。

2）高悬架位置（HN），比（NN）高25mm。用于路况较差时行驶，由驾驶人选择。

3）低悬架位置（TN），比（NN）低15mm。在高速公路上高速行驶时，行驶高度根据车速自动选择，取消选择也是自动进行的。

使用特殊控制策略，该系统也可根据行驶状况自动转换到其他高度。行驶高度调整是在后台进行的，通常驾驶人不会注意到。在高速行驶时，离地间隙被自动降低，从高悬架位置降到动态性能更稳定的正常悬架位置。在速度更高的情况下，驾驶人不需选择，离地间隙就自动调整到低悬架位置上。当车速降到预定车速以下时，则自动取消低悬架位置的选择。处于“舒适”模式的减振器在高速驾驶时会自动向“运动/硬”模式调整，以确保操纵安全性与行驶稳定性。

图3-65所示为辉腾轿车连续减振控制（CDC）的完全承载式4角空气悬架（4CL）各部件安装位置示意图。

图3-65 辉腾轿车空气悬架各部件安装位置示意图

1.操作与显示

辉腾轿车是首次配备水平高度调节系统的大众车型。在前、后桥上，该系统包括带有水平高度调节系统的完全承载式空气弹簧和连续可调的减振器。该系统的中央控制单元是水平高度调节系统控制单元J197。

如图3-66所示，操作显示系统由减振器调节按钮或水平高度调节系统按钮控制。这些按钮都在中央控制台上变速杆后面。按下相应的按钮就可打开信息娱乐系统显示屏中的一个弹出菜单，然后使用旋/压按钮在两种悬架高度和四种减振器调节之间进行选择：

1）两种悬架高度：正常悬架位置NN（预设）和高悬架位置HN。

2）四种减振器调节：舒适、基本（预设）、运动1、运动2。

图3-66 操作显示系统

2.水平高度调节系统

要设置高度必须按下水平高度调节系统按钮，然后转动旋/压按钮，驾驶人可以在高悬架位置（HN）或正常悬架位置（NN）之间进行选择。如图3-67和图3-68所示，对应所选的高度显示在屏幕上。当设置高悬架位置后，水平高度调节系统按钮亮起。驾驶人可以按下旋/压按钮从菜单中退出。

图3-67 正常悬架位置屏幕显示示意图

图3-68 高悬架位置屏幕显示示意图

（1）水平高度调节系统的控制策略 位于桥壳与下部叉形杆之间的四个车身高度传感器测量车身相对车轮的位置，然后与存储在控制单元J197中的各个车轮的默认值进行比较。控制单元J197必须“学习”这些默认值。在正常情况下，水平高度调节过程中所需的空气是由压缩机提供的（最大压力16bar）。当车速大于35km/h时，由压缩机控制调节，储压器也会按照需要充满。当车速小于35km/h时，由储压器（5L容量）控制调节。如果储压器要进行调节时，储压器与空气弹簧之间需要有足够的压力差（大约3bar）。在装载或卸载过程中，若车身高度与地面的相对高度发生变化，控制单元J197则重新调节车身高度到标准高度。在此调节过程中，空气经过空气弹簧支柱阀送入空气弹簧或经排放阀排出。

1）高度自动降低。如图3-69所示，车速为120km/h时，从高悬架位置HN降到正常悬架位置NN。在车速达到140km/h时30s后开始从正常悬架位置NN降到低悬架位置TN。在车速达到180km/h后立即从正常悬架位置NN降到低悬架位置TN。

图3-69 悬架高度自动调节工作示意图

2）高度自动升高。如图3-69所示，在车速达到100km/h时60s后开始从低悬架位置TN升到正常悬架位置NN。在车速达到80km/h后立即从低悬架位置TN升到正常悬架位置NN。

（2）水平高度调节系统的特殊模式

1）解除水平高度调节系统。在特殊情况下，例如，更换轮胎或者在将车辆升起后进行工作时，必须解除此悬架功能。按下水平高度调节系统与减振器调节按钮大约5s后，水平高度调节系统功能立即解除。组合仪表上出现一个消息，表明水平高度调节系统功能已经解除。

2）启用水平高度调节系统。同时按下这两个按钮大约5s后，该悬架系统就重新启动；或者当控制单元判断出车速达到10km/h时自动启动。

3）举升平台。当车辆用千斤顶或举升机顶起时，空气从四个空气弹簧中逸出，直至控制单元判断出车辆处于升起状态。

当水平高度调节系统检测到车身相对车轮过高时，就会让空气从弹簧中逸出以调节高度。这样，当该车从举升平台上下来后离地间隙就会非常小。在发动机与压缩机运转一段时间后，该车的高度会再次自动升至正常悬架高度（NN）。

3.减振器调节(www.xing528.com)

按下减振器调节按钮就可对减振器调节进行选择。转动旋/压按钮，驾驶人可从下列四种减振器调节方式中进行选择：舒适、基本（预设）、运动1、运动2，选择完成后屏幕出现相应的显示。图3-70和图3-71所示分别为选择舒适调节方式和运动2调节方式后屏幕的显示。

图3-70 舒适调节方式屏幕显示示意图

图3-71 运动2调节方式屏幕显示示意图

按下旋/压按钮后，驾驶人可退出该菜单。在舒适、运动1与运动2的设置中，按钮是亮起的。当点火开关关闭后运动2位置高度总是恢复到基本位置高度。

4.减振器控制

减振器控制系统通过四个车轮加速度传感器和三个车身加速度传感器将路面状况和车辆的运动状况记录下来，各个减振器的特性按照减振要求的计算值来调节。在此情况下，减振器在压缩与伸张的周期运动中起半主动部件的作用。连续减振控制是通过电动调整减振器特性来实现的。这些减振器都集成在空气弹簧支柱中。减振力可根据特性曲线图用内置在减振器中的比例阀来调整设定。这样，减振力和相应驾驶状态与路面状况的适应匹配过程只需要几毫秒。图3-72所示为辉腾轿车前桥减振器的减振力特性曲线图。

该减振器根据车轮与车身的垂直加速度大小来调节。在理想状态下，这种减振控制看上去就像车身被空中的一个钩子吊着漂浮在路面上且没有任何干扰运动。用这个办法可以获得最大的驾驶舒适性。

5.关闭点火开关后的空气悬架动作

（1）装载与卸载 在关闭点火开关之后，如果储压器中有足够的压力，该控制单元仍保持活动大约1min并且可以进行悬架调节操作，例如，进行有效载荷增加/减少时的补偿。如果没有检测到其他车门或者发动机罩/行李箱盖的操作时，此控制单元总会保持1min的活动状态。

（2）逐渐高度变化 空气弹簧中的空气在行驶过程中受热膨胀，而在停车后又会冷缩，这会逐渐改变车辆高度。为了补偿这种高度变化，在关闭点火开关后可用三种调节方式来获得最佳的离地间隙。如果储压器中有足够的压力，这三种调节分别在大约2h、5h和10h之后进行。

图3-72 辉腾轿车前桥减振器的减振力特性曲线图

图3-73 辉腾带减振控制的空气悬架系统示意图

6.辉腾带减振控制的空气悬架系统示意图

图3-73着重说明了该系统与车辆上其他系统的关系以及显示与操作元件。控制单元J197与CAN总线连接。除此之外，CAN总线还与ESP ECU、发动机ECU、组合仪表、车载电源ECU、操作显示系统（信息娱乐系统）连接，从而减少导线数量和减小导线质量，共享信息。

（五）辉腾带减振控制的空气悬架结构与功能

1.控制单元J197

如图3-74所示，控制单元J197位于行李箱中左侧的饰件后面，它用螺栓固定在继电器与熔丝盒的后面。作为中央控制单元，它具有以下作用：

1）控制空气悬架和减振器。

2）监控整个系统。

3）诊断整个系统。

4）通过动力传动系统CAN总线进行通信。

控制单元J197具有一个附加的处理器（双处理器）。空气弹簧的运算主要在第一处理器上运行；减振控制主要在第二处理器上运行。

2.供气单元

如图3-75所示，供气单元（ASU）是一个小巧紧凑的装置。它安装在车轮舱内的一个抗振支承上，紧邻着活性炭滤清器。此供气单元包括：

图3-74 控制单元J197

图3-75 供气单元

1）带有电动机的干运转压缩机单元。

2）空气干燥器。

3）排放回路/阀。

4）带空气滤清器的消声器。

5）压缩机温度传感器（用于过热保护的温度传感器）。

6）带有压力限制阀的气动排放阀。

7）电磁阀体，其上带有四个空气弹簧支柱阀、一个储压器阀以及一个用于监控储压器的集成式压力传感器。

空气经由行李箱给压缩机供气。空气经由消声器/滤清器吸入，然后进行清洁并排出。温度传感器保护压缩机不会过热，并确保在各种气候与驾驶条件下为空气悬架供气。

（1）干运转压缩机单元 如图3-76所示，压缩空气利用带集成式空气干燥器的单级活塞压缩机产生。为了防止污物进入空气弹簧气囊和空气干燥器，该压缩机采用所谓的干运转压缩机设计。免润滑轴承与PTFE（聚四氟乙烯）制的活塞环确保它有很长的使用寿命。电动排放阀N111、带有压力限制阀的气动排放阀和3个止回阀都集成在空气干燥器壳体中。为了避免过热，压缩机在超过一定温度后会切断。

图3-76 干运转压缩机单元

具体工作原理如下。

1）进气/压缩循环。如图3-77所示，当电动机带动活塞向上运动时，曲轴箱内压力降低，空气经过消声器/滤清器从进气接头被吸入曲轴箱。气缸中活塞上方的空气被压缩，然后通过止回阀1流入空气干燥器。经过压缩和干燥后的空气通过止回阀2和电磁阀体进入空气弹簧和储压器。

2）旁通气流循环。如图3-78所示，当电动机带动活塞向下运动时，曲轴箱内压力升高，则曲轴箱的空气顶开膜片阀然后流入气缸。

图3-77 进气/压缩循环工作原理图

图3-78 旁通气流循环工作原理图

3）充气/提升循环。要给空气弹簧充气时，控制单元J197需要同时激活压缩机继电器电动机J403与空气弹簧支柱阀。

4）排气/降低循环。如图3-79所示，空气弹簧支柱阀N148、N149、N150和N151以及电动排放阀N111在排气循环中同时打开。空气弹簧内的压缩空气送至气动排放阀，然后从那里经过空气干燥器、压力限制阀和消声器/滤清器送到行李箱中的备用车轮舱。

图3-79 排气/降低循环工作原理图

（2）带压力限制阀的气动排放阀 带压力限制阀的气动排放阀有两个功能：余压维持和压力限制（通过压力限制阀实现此功能）。

为了避免空气弹簧气囊的损坏，规定最小压力必须维持在3.5bar（余压）以上。余压维持功能确保了空气弹簧系统中的压力在压力释放过程中不会降到3.5bar以下（除非气动排放阀的上游发生泄漏）。

具体工作原理：如图3-80所示，当施加的空气弹簧压力大于3.5bar时，气动排放阀的阀体克服两个阀门弹簧的弹力向上升起并将阀座1和阀座2打开。在空气弹簧压力的作用下，空气经过节流阀和止回阀3进入空气干燥器。空气经过空气干燥器后再经压力限制阀的阀座2和消声器/滤清器而进入周围空气中。

空气经节流阀后压力下降很大，这就导致空气相对湿度降低，因而排出空气的吸湿能力就得到了提高。

图3-80 气动排放阀工作原理图

（3）压力限制阀 压力限制阀可防止系统内的压力过高。在发生以下情况时，压力限制阀保护系统压力不至于过高，例如，当继电器触点或者控制单元发生故障而导致压缩机无法切断时。

具体工作原理：如图3-81所示，如果压缩机无法切断时，当压力超过大约20bar时，压力限制阀克服弹力而打开，压缩机输送的空气经滤清器放掉。

（4）空气干燥器 压力系统中的空气必须经过除湿以避免发生以下问题：腐蚀和结冰。供气单元中空气干燥器（图3-82所示）的任务就是给空气除湿。此空气干燥器采用了再生干燥系统，其干燥剂是一种人造的硅酸盐颗粒。这种颗粒可以根据温度吸收大气中超过自身固有重量20%的潮气。

由于这种干燥器是可再生的，且只处理不含机油而且已经过滤的空气，所以，它不必每经过一定时间或里程就得更换，也无须保养。

再生原理：压缩空气流经硅酸盐颗粒并在其中进行干燥，潮气暂时存在空气干燥器内，已脱水的压缩空气进入水平高度调节系统。若干燥后的压缩空气由于操作需要（降低空气弹簧）而被导回到空气干燥器内，它会从颗粒中流过并吸收颗粒所吸附的潮气，吸收了潮气的压缩空气再排放到大气中。

由于该种空气干燥器是通过排出空气来再生的，所以一定不能用此压缩机给其他容器充入压缩空气。因为那样的话，由于压缩空气不再经干燥器导回，所以就会发生再生反应。正因为是这样，压缩机在出厂时没有加装用于给其他外部装置充气的压力接口。如果系统中有水分或潮气，说明空气干燥器或系统有故障。

（5）系统储压器 如图3-83所示，系统储压器是铝制的，容量为5L。最大操作压力约为16bar。

图3-81 压力限制阀工作原理图

图3-82 空气干燥器

图3-83 储压器

从储压器中抽取压缩空气可以让车辆快速升高并且噪声很小。这是因为只有在车辆行驶中才给储压器充气，这样就几乎听不到压缩机的运转噪声了。如果储压器能够提供足够大的压力，车辆可以在压缩机不工作的情况下升高。

足够大的压力指的是：在车辆升高之前，储压器与空气弹簧之间的压力差要不低于3bar。

具体工作原理：储压器只有在车速高于35km/h时才充气。当车速低于35km/h时，空气主要由储压器提供（如果储压器内有足够的压力）。当车速高于35km/h时，空气主要由压缩机供给。这种工作原理保证系统运行噪声小，且可以降低蓄电池电能消耗。即使驾驶人没有调节车辆高度，只要压缩空气从储压器中抽出，压缩机就开始运转。

3.传感器

（1）压缩机温度传感器G290 如图3-84所示，为了防止压缩机过热，提高系统的工作可靠性，在压缩机气缸盖上装有温度传感器G290。控制单元J197内有一个温度模型曲线（计算公式），该曲线用于在底盘升高调节的时间最长时防止压缩机过热。为此控制单元要根据压缩机的运行时间和温度信号计算出压缩机的最高允许温度，并在超过某个界限值时关闭压缩机或不让压缩机接通。

（2）水平高度调节系统压力传感器G291 如图3-85所示，压力传感器G291集成在电磁阀体中，监控储压器与空气弹簧中的压力。在对上升控制功能进行真实性检查和进行自诊断时需要储压器的压力信息。通过启动各个空气弹簧支柱和储压器的电磁阀，就可确定相应空气弹簧和储压器的压力。

图3-84 压缩机温度传感器G290安装位置

图3-85 水平高度调节系统压力传感器G291安装位置

空气弹簧或储压器的压力测量在对其进行充气或放气时进行。用这种方式确定的压力由控制单元进行存储和更新。此外，在车辆运行中每6min对储压器压力进行一次附加判定（更新）。G291产生正比于压力的电压信号。

（3）车身高度传感器G76、G77、G78、G289 车身高度传感器就是所谓的车轮角度传感器。如图3-86和图3-87所示，车身高度传感器固定在桥壳上并且通过运动连接杆与悬架下摆臂连接，则车身的上下运动转换成角度变化量被记录下来。

车身高度传感器是非接触式的，按照电感原理进行工作。这种车身高度传感器的一个特点是：它可产生两个不同的且与转角成比例的输出信号。这个特点使得这种传感器既可用于空气悬架，也可用于前照灯光程调节。其中一个输出信号提供一个与角度成比例的电压信号（用于前照灯光程调节），另一个输出信号提供一个与角度成比例的占空比信号（用于空气悬架）。这四个高度传感器结构是相同的，只有支承和运动连接杆根据左右和车桥的不同而有所不同。

图3-86 前桥车身高度传感器安装位置图

图3-87 后桥车身高度传感器安装位置图

左、右传感器转子的偏转方向是相反的，所以，输出的信号也是相反的。例如，车身一侧的传感器输出信号在空气悬架压缩时如果是增大的话，那么在车身另一侧该输出信号则是减小的。

1）车身高度传感器的结构。如图3-88所示，车身高度传感器主要由定子和转子构成。定子由一个多层电路板构成，其上有定子线圈和三个接收线圈以及控制/电子解析电路。三个接收线圈为星形且采用偏置布置方式。定子线圈位于电路板（定子）的背面。转子连接着连接杆并随其运转。转子线圈位于转子上，线圈的几何形状与三个接收线圈相同。

图3-88 车身高度传感器结构图

2）车身高度传感器的工作原理 如图3-89所示，交变电流流经定子线圈后产生一个交变电磁场（初级磁场），该交变电磁场穿过转子线圈。转子线圈中感应出来的电流反过来也会产生一个转子线圈交变电磁场（次级磁场）。定子线圈与转子线圈的交变电磁场作用在三个接收线圈上，并在其上感应出与位置相关的交流电压。转子中的感应与转子的角度位置无关，接收线圈的感应取决于它们到转子的距离，也就是它们与转子的相对角度位置。由于转子与各个接收线圈的交叠随角度位置而变化。所以，接收线圈中的感应电压幅值也随着它们的角度位置而变化（图3-90所示）。电子解析单元将接收线圈的交流电压进行整流和放大并使之与三个接收线圈的输出电压成比例（成比例测量）。在该电压求值后，结果被转换成高度传感器的输出信号，并提供给控制单元J197进行下一步处理。

图3-89 车身高度传感器工作原理图

图3-90 接收线圈中感应电压的变化曲线图

3）车身高度传感器的优点。这种车身高度传感器的优点除了非接触式（因而也就无磨损）外，还有相对比例测量这个优点。由于产生了这个比例，所以与角度成比例的输出信号基本就与机械公差（如距离变化、轴位移或倾角误差）无关了。同样，由于这种比例关系，电磁干扰也基本被抑制了。

由于没有使用磁性材料，所以，温度及使用寿命因素几乎不影响测量值。

（4）车身加速度传感器G341、G342、G343 车身加速度传感器测量车身的垂直加速度。如图3-91和图3-92所示，这些传感器的分布：左前轮罩G341，右前轮罩G342以及行李箱右前侧内衬后的G343。

图3-91 左前车身加速度传感器安装位置图

图3-92 后部车身加速度传感器安装位置图

（5）车轮加速度传感器G337、G338、G339、G340 如图3-93和图3-94所示，车轮加速度传感器直接安装在前桥和后桥的空气弹簧支柱上，它们测量车轮的加速度。水平高度调节系统控制单元J197使用这些信号以及车身加速度信号来计算支柱相对车身的运动方向。

图3-93 前桥车轮加速器传感器安装位置图

图3-94 后桥车轮加速度传感器安装位置图

1）加速度传感器的结构与原理。车身与车轮加速度传感器是相同的传感器，这些加速度传感器按照电容测量原理工作。一个柔性固定的质量块m就像在两电容极板之间摆动的中央电极，并按照摆动大小将电容器C₁和C₂的电容量向相反方向解调。一个电容器的极板间距d₁的增加量等于另一个电容器的极板间距d₂的减小量，各个电容器的电容量因此改变，如图3-95所示。

电子解析单元为水平高度调节系统控制单元J197提供一个模拟电压信号。这些传感器具有不同的机械连接件与测量范围（灵敏度）。

2）传感器测量范围。见表3-3。

图3-95 加速度传感器结构及原理图

表3-3 加速度传感器测量范围

4.电磁阀体

该空气悬架总共有十个电磁阀：一个水平高度调节系统储压器阀N311，一个电动排放阀N111，四个减振支柱阀N148、N149、N150与N151和四个减振器调节阀N336、N337、N338与N339。除电动排放阀N111和四个减振器调节阀N336、N337、N338与N339外，其余五个电磁阀均安装在电磁阀体上（图3-95所示）。

电动排放阀N111连同气动排放阀共同构成了一个集成在空气干燥器壳体中的功能单元。排放阀N111是一个二位三通阀，在不通电时它是关闭的。

水平高度调节系统储压器阀N311和四个空气弹簧支柱阀N148、N149、N150与N151都是二位二通阀，并且在不通电时是关闭的。空气弹簧侧/储压器侧的压力是沿关闭方向作用的。为了避免接错压力管路，压力管路上都带有色标，电磁阀体上相匹配的接头上也有色标。

控制单元J197同时启动排放阀N111和四个空气弹簧支柱阀N148、N149、N150与N151时，空气弹簧实现放气，车身高度降低。

5.空气弹簧支柱

如图3-97和图3-98所示，空气弹簧支柱包括空气弹簧和减振器两部分。图3-99和图3-100所示分别为前桥空气弹簧支柱结构图和后桥空气弹簧支柱结构图。

图3-96 电磁阀体

图3-97 前桥空气弹簧支柱

图3-98 后桥空气弹簧支柱

图3-99 前桥空气弹簧支柱结构图

图3-100 后桥空气弹簧支柱结构图

前、后车桥上的空气弹簧支柱都使用带有外部导套的双层气囊，空气弹簧气囊裹在双筒充气式减振器外部。空气弹簧气囊的囊壁很薄，可以提供极佳的悬架响应。通过将起伏活塞轮廓、外部导套与直接连接在支柱上的辅助储压器组合起来，这样就得到了所需的弹簧刚度。

前桥与后桥上使用的辅助储压器是不同的。前桥上的储压器可看成一个小气缸，其容量为0.4L；后桥上的球形储压器容量为1.2L。

空气弹簧支柱的设计确保了作用在减振器上的横向力影响最小。前桥上支柱支承的特殊设计与后桥上万向作用式液压支承有助于减小横向力对减振器的影响。

余压维持阀都直接安装在每个空气弹簧支柱的空气管接头上，它们可在空气弹簧内保留大约3.5bar的余压。这样可使得部件的组装与固定变得更方便。外部导套除了对空气弹簧气囊和波纹管有导向作用之外，还可以保护空气弹簧气囊不被弄脏和损坏。

1）减振器调节阀。减振器调节阀一共有四个，分别集成在每个减振器的活塞上。如图3-101所示，CDC双筒式充气减振器可通过集成在活塞上的电控调节阀进行大范围减振力调节。通过改变流经电磁线圈的电流，流经调节阀的油流和减振力可以在几毫秒内适应瞬间的减振需求。

图3-101 减振器调节阀结构图

在计算所需的减振器设置时，使用车轮加速度传感器产生的信号和车身加速度传感器产生的信号。

由于该系统可以迅速检测并控制伸张与压缩行程，所以，可以根据瞬间的驾驶状态对减振力进行调节。驾驶状态的对应表存储在水平高度调节系统控制单元J197中。

2）气动原理图。如图3-102所示。

（六）接口

1.CAN总线

如图3-103所示，空气弹簧与减振控制的信息通过动力传动系统CAN总线在水平高度调节系统控制单元J197与联网的控制单元之间进行交换，只有少量接口例外。

2.K线

自诊断信息在水平高度调节系统控制单元J197与诊断测试与信息系统之间进行交换。信息首先通过CAN总线送到组合仪表，然后经过K线送到诊断测试与信息系统。

3.其他接口

1）车门触点信号。此信号是车载电源控制单元的接地信号。用以指示车门或行李箱盖已经打开。它是一种“唤醒信号”，将睡眠模式转换到备用模式。

图3-102 气动原理图

1—气动排放阀 2—电动排放阀N111 3—消声器/滤清器 4—压缩机电动机V66 5—压缩机 6—止回阀1 7—空气干燥器 8—排气节流阀 9—止回阀3 10—止回阀2 11—压力传感器G291 12—储压器阀N311 13—左后空气弹簧支柱阀N150 14—右后空气弹簧支柱阀N151 15—左前空气弹簧支柱阀N148 16—右前空气弹簧支柱阀N149 17—系统储压器 18—左后空气弹簧支柱 19—右后空气弹簧支柱 20—左前空气弹簧支柱 21—右前空气弹簧支柱 J403—压缩机电动机继电器 J197—系统控制单元

图3-103 信息交换原理图

2）端子50信号。此信号表明起动机已经起动，但在起动操作中切断了压缩机。这样就保护了起动操作并节省了蓄电池的电能。

3）前照灯光程控制信号。由于车辆底盘高度调节是按车桥来进行的（也就是说同一车桥两侧同时调节），所以在夜间行车时会出现视野短时缩短的情况。正是由于这个原因，辉腾轿车配备了前照灯光程控制（HRC）。

当车辆底盘高度在变化时，自动动态前照灯光程控制可将前照灯光束保持在恒定照射锥角。

为了避免路面坑洼不平造成的经常性的且不必要的高度调节，在车辆相对恒速驾驶、没有或几乎没有车轮加速度时，其水平高度调节系统响应时间很长。例如，在高速公路模式下进行高度调节时，空气悬架系统控制单元J197发送一个电压信号给前照灯光程控制单元J431。HRC立即作出反应，并根据车身位置变化调整照射光锥形角。

4.系统接口示意图

图3-104所示为系统接口示意图。

图3-104 系统接口示意图

BM—蓄电池管理 BS—状态信号T.30、T.15 ESP—电控行车稳定系统 FT—水平高度调节系统按钮与减振器调节按钮 G76—左后车身高度传感器 G77—右后车身高度传感器 G78—左前车身高度传感器 G289—右前车身高度传感器 G85—转向角度传感器 G290—压缩机温度传感器 G291—水平高度调节系统压力传感器 G337—左前车轮加速度传感器 G338—右前车轮加速度传感器 G339—左后车轮加速度传感器 G340—右后车轮加速度传感器 G341—左前车身加速度传感器 G342—右前车身加速度传感器 G343—车后车身加速度传感器 J197—水平高度调节系统控制单元 J403—水平高度调节系统压缩机电动机继电器 HRC—前照灯光程控制 MSG—发动机控制单元 N111—电动排放阀 N148—左前空气弹簧支柱阀 N149—右前空气弹簧支柱阀 N150—左后空气弹簧支柱阀 N151—右后空气弹簧支柱阀 N311—水平高度调节系统储压器阀 N336—左前减振器调节阀 N337—右前减振器调节阀 N338—左后减振器调节阀 N339—右后减振器调节阀 ZAB—信息娱乐系统 ZV—车门/发动机罩/行李箱盖信号

（七）紧急运行模式

当传感器、执行机构有故障或者控制单元发生内部故障时，空气弹簧控制系统与减振控制系统都会采用已存储的紧急运行模式。控制操作在某些情况下受到限制，并且故障存储器中存入故障码。在这些情况下，会发出“高度调节故障”或“减振器故障”警告，并在组合仪表上出现一个警告符号，此时，该车必须送到4S店修理。

（八）自诊断

地址码：34—水平高度调节系统诊断测试与信息系统。

所用仪器：VAS5051和VAS5052非常适合与空气悬架控制单元进行通信。

重新设置调节位置：若更换了控制单元、车辆高度传感器或整个供气单元，用“基本设置”功能对调节位置进行重新设置。

（九）系统总览图

图3-105所示为系统总览图。

图3-105 系统总览图

G76—左后车身高度传感器 G77—右后车身高度传感器 G78—左前车身高度传感器 G289—右前车身高度传感器 G290—压缩机温度传感器 G291—水平高度调节系统压力传感器 G337—左前车轮加速度传感器 G338—右前车轮加速度传感器 G339—左后车轮加速度传感器 G340—右后车轮加速度传感器 G341—左前车身加速度传感器 G342—右前车身加速度传感器 G343—车后车身加速度传感器 J403—水平高度调节系统压缩机电动机继电器 N111—水平高度调节系统电动排放阀 N148—左前空气弹簧支柱阀 N149—右前空气弹簧支柱阀 N150—左后空气弹簧支柱阀 N151—右后空气弹簧支柱阀 N311—储压器阀 N336—左前减振器调节阀 N337—右前减振器调节阀 N338—左后减振器调节阀 N339—右后减振器调节阀 J197—水平高度调节系统控制单元 辅助信号—车门/发动机罩/行李箱盖触点/端子15/端子30

（十）系统电路图

图3-106和图3-107所示为系统电路图。

图3-106 系统电路图一

E256—TCS/ES按钮 E387—减振器调节按钮 E388—水平高度调节系统按钮 F213—驾驶人车门触点开关 G291—水平高度调节系统压力传感器 G337—左前车轮加速度传感器 G338—右前车轮加速度传感器 G339—左后车轮加速度传感器 G340—右后车轮加速度传感器 G341—左前车身加速度传感器 G342—右前车身加速度传感器 N148—左前空气弹簧支柱阀 N149—右前空气弹簧支柱阀 N150—左后空气弹簧支柱阀 N151—右后空气弹簧支柱阀

通过对辉腾带减振控制的空气悬架系统的学习，使大家能够对空气悬架（又称为主动悬架或电控悬架）的基本结构、原理以及工作过程有个基本的认识和了解。希望对大家以后的工作和学习有个指导作用。