空气悬架系统类型和工作原理

一、空气弹簧的类型

空气弹簧有同轴布置和分开布置两种。

在四轮驱动汽车上通常采用同轴布置，而前轮驱动汽车上采用分开布置。

前桥和后桥有同时采用空气弹簧的形式，也有仅后桥为空气弹簧，前桥为钢质的螺旋弹簧。

空气弹簧的筒形囊中的气体作为弹性元件，占用空间小，弹簧的行程大。空气弹簧如图2-66所示，筒形囊采用优质弹性材料制成，具有耐油、耐温和气密性好等优点。

空气弹簧内部的减振器杆上部装有限制空气囊下降过多的限位块，这个限位块控制了车身的最低高度，这个高度可以保证在空气弹簧无气时车身轮眉和轮胎之间仍有一定的间隙。

空气弹簧下部采用带有台阶的金属筒与减振器壳体外的双O形环密封圈密封，空气弹簧从上部安装在减振器上时要对正涂油脂推压转动才能安装。空气弹簧上部的密封帽采用O形环密封。

二、空气悬架系统的减振器类型

空气悬架系统的减振器的分类如下：

（1）减振器阻尼控制有节流控制型和液体黏度控制型（也称磁流变型），节流控制型分节流孔有级调节型和无级调节型。

（2）根据阻尼节流控制方式可分为电控型和机械控制型。电控型是利用电磁阀或压电晶体做成的执行元件控制节流孔的大小；机械控制型是利用空气弹簧内的气压来控制减振器的阻尼。

（3）根据控制执行器的形式可以分为电磁阀型、压电型和磁流变型三种。

（4）根据要控制的节流孔所在位置分为外部控制和内部控制两种。

（5）根据减振器的筒数分为单筒型和双筒型两种。

（6）根据是否充气分为充气型和非充气型两种。

早期的减振器阻尼调节采用电磁阀型，如20世纪80年代末的凌志400轿车，这种控制方式已淘汰。较为普遍的为压电型和磁流变型两种，压电型是利用压电负效应，即压电晶体通电变形产生位移，这个位移经过放大控制节流孔大小，响应性好；磁流变型是不改变节流孔大小，利用磁场的大小控制磁流体的刚度（黏度）来控制阻尼。

在减振器杆内部装有限制空气囊上升过多的限位块，这个限位块控制了车身的最高高度，但这个限位块并不阻止油液的上下运动。

三、带阻尼调节的双筒充气式减振器

奥迪采用的机械式外部PDC阀控制的减振器结构如图2-66所示，PDC阀为常开式，空气弹簧压力高时PDC阀关闭。空气弹簧和减振器采用同轴布置，减振器采用双筒机械式节流孔外部控制方式。

1.工作原理

带阻尼调节的双筒充气式减振器的工作原理如下所述。

（1）回弹过程。

如图2-67所示，汽车载荷小，空气弹簧内的压力小，活塞上移时，PDC阀打开中腔和外腔储油室的通道，活塞上腔油液一部分经节流孔进入中腔，在中腔下侧的PDC阀处进入储油腔，在储油腔，油液经底阀的阻尼孔/单向阀结构少量进入工作腔，补充油液，活塞运动阻尼小。

汽车载荷大，空气弹簧内的压力较大时，活塞上移时，PDC阀节流孔关闭，工作腔上部的油液被压缩，上腔油液从活塞上的阻尼孔/单向阀结构大量进入工作腔，补充油液。储油室从底阀的阻尼孔/单向阀结构进入工作腔，补充油液。由于大部分液体必须流过活塞阀，因此阻尼增大。

图2-66 空气弹簧和PDC阀控制的减振器（底阀和活塞阀上有阻尼孔和单向阀）

图2-67 双筒充气式减振器回弹时工作原理图

（2）压缩过程。

如图2-68所示，空气弹簧内的压力低，活塞下移时，工作腔压力上升，工作腔油液经活塞上的阻尼孔/单向阀结构大量进入上腔。在上腔，活塞上腔油液一部分经节流孔进入中腔，PDC阀打开了中腔和外腔储油室的通道，在中腔下侧的PDC阀处进入储油腔。同时工作腔下部的油液也经底阀上的阻尼孔/单向阀结构进入储油腔，活塞运动速度快，所以阻尼小。

空气弹簧内的压力较大，恰好活塞下移时，PDC阀节流孔关闭。少量的油液进入上腔，大量的油液要从底阀阻尼孔/单向阀结构流向储油腔。由于工作腔液体不能通过PDC阀溢到储油腔，因此运动阻力增大，阻尼增大。

图2-68 双筒充气式减振器压缩时的工作原理图

2.单筒充气式和双筒充气式减振器的对比

单筒充气式和双筒充气式减振器的对比如表2-1所示。

表2-1 单筒充气式和双筒充气式减振器的对比

续表

四、空气压缩机总成

1.空气压缩机总成

如图2-69所示，单级活塞往复式空气压缩机总成放在一个金属盒中来减少噪声，盒中有空气压缩机电动机V66，在压缩机电动机V66上集成有空气干燥器和排气阀N111，如图2-70所示。为了避免机油污染干燥器和空气弹簧的气囊，压缩机要采用干式空气压缩机，活塞采用聚四氟乙烯制成。压缩机工作过热时，内置的温度传感器会通知悬架控制单元J197关闭空气压缩机。对于前轮驱动汽车，前桥采用金属螺旋弹簧，后桥采用空气弹簧，两个空气弹簧的高度控制通过两个“二位两通阀（常闭型）”N150和N151来控制。另外悬架控制单元J197和压缩机继电器J403也在其中。为了减少噪声，上述部件要装在用聚氨酯泡沫制成的专用垫内，这个垫子的结构将上述部件固定。专门的橡胶底座防止压缩机振动传至车身上。

图2-69 空气压缩机总成图

图2-70 空气压缩机总成结构

2.空气压缩机总成供气工作原理

如图2-71所示，悬架控制单元J197控制压缩机电动机继电器J403给电动机V66供电，电动机转动带动曲柄连杆机构往复运动，在活塞下行时，活塞顶部的平板阀片打开，气体经滤清器从活塞底部进入顶部；在活塞上行时，活塞顶部的平板阀片关闭，气体被压缩后经单向阀1进入空气干燥器，再经单向阀2进入压力接口（工作管路）。

图2-71 空气压缩机总成供气工作原理

3.空气压缩机总成排气工作原理

如图2-72所示，悬架控制单元J197控制排气阀N111供电，压力接口（工作管路）处的空气进入气动排气阀的中间台阶上的阀座1，气动排气阀上移，节流孔（节流阀）被打开，气体经单向阀3反吹入空气干燥器，这时气体连同空气干燥器中的水分从空气干燥器中间的空间向左作用在气动排气阀下部阀座2上，经排气孔的消声器排出，如图2-73所示。

图2-72 空气压缩机总成排气工作原理图

图2-73 排气阀工作原理

4.空气压缩机总成工作监控

空气压缩机温度监控可采用实际的温度传感器和模型法两种，奥迪前轮驱动汽车采用模型法。模型法根据空气压缩机工作时间和冷却时间来计算温度。空气压缩机每次工作不超过120s，超过120s表明系统有漏气。冷却6min允许工作15s，每冷却48min，才允许最长工作120s。发动机熄火，发电机不发电后，为保持蓄电池电能，最长工作时间被限制为60s。

五、车身水平位置传感器

1.奥迪前轮驱动汽车车身水平位置传感器

在前轮驱动的空气悬架上，由于悬架控制单元J197仅使用一个霍尔式车身水平传感器G84（如图2-74所示），传感上的联动杆固定在横向稳定杆上，因此无法调节左、右空气弹簧由于单侧加载造成的车身不平。霍尔式车身水平传感器G84采用5脚由J197用5V供电， 4脚模拟信号输出，1脚经J197接地。

图2-74 车身水平传感器G84的结构示意图

如图2-75所示，车身水平传感器G84的工作原理如下：车身高度变化，横向稳定杆转动带动联动杆，联动杆带动带有环形磁铁的转子转动，中间定子是两个半圆形的铁芯，两铁芯中间是霍尔集成电路。转子的转动改变了磁场经过定子的路径，从而在霍尔集成电路中产生对应的传感器转角电压，从而反映车身高度。此传感器损坏不能进行高度调节，系统进入应急模式。

图2-75 车身水平传感器G84的工作原理

在更换新的传感器G84时，悬架控制单元J197要知道在一个规定车身高度时，新安装传感器的位置信号输出的对应值。所以要用工具测量轮中心至轮眉的高度，通过诊断仪把这个高度数值写入J197，这时悬架控制单元J197就知道以后车身高度和此传感器输出的对应关系了。这个过程要使用专用工具T40002和诊断仪共同来完成。

2.奥迪四轮驱动汽车车身水平位置传感器

车身水平位置传感器G76（左右）、G77（右后）、G78（左前）、G289（右前）如图2-76所示，传感器不是光电耦合式，也不是霍尔式，而是变压器式。传感器摆臂安装在下支臂上，传感器固定在车身上。

图2-76 前桥和后桥车身水平传感器位置安装图

（a）前桥车身水平传感器位置安装图；（b）后桥车身水平传感器位置安装图

如图2-77所示，变压器的初级线圈为一个励磁线圈，励磁线圈接收内部电路振荡出的正弦交流电，车身高度变化导致车身水平传感器带动传感器转子转动，改变了变压器次级线圈U1、U2、U3输出的幅值和相位，其波形如图2-78所示。由于线圈缠绕方向的关系，相位可以不相同，不过这里U1、U2、U3的相位是相同的。

图2-77 变压器式传感器结构示意图

控制单元通过对U1、U2、U3输出的幅值进行高速模数转换，转化为数字信号，再通软件算法处理计算出转子的位置，从而反映车身的高度。车身高度信号不仅作为悬架控制控制信号，也作为大灯照程控制的一个信号。由于四个传感器完全相同，只是摆臂不同，因此左右两侧输出的信号随车身高度变化恰好相反。

图2-78 变压器式传感器信号输出

由于转子盘片和定子线圈之间无接触，电磁和温度几乎不会影响信号，寿命长，工作可靠。左侧G76和G78由大灯照程控制单元J431来供电，右侧G77和G289由悬架控制单元J197供电。这样可以保证在J197出现故障时，大灯照程仍能正常工作。传感器引脚1接地；2和3脚悬空未用；4脚为模拟电压输出，用于左侧大灯照程调节；5脚为5V供电，左侧来自大灯照程控制单元J431，右侧来自悬架控制单元J197；6脚为数字信号输出PWM信号给悬架控制单元J197。