奔驰W220型空气悬架系统分析
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（深圳职业技术学院 07汽车运用技术？班）
摘要：本文通过对较为先进的奔驰W220型空气悬架系统的结构、功能、工作原理进行分析，阐述了该悬架通过电脑接受传感器的信号并经处理后，由电脑控制执行机构以实现对气体、液体的控制，从而改变悬架刚度和阻尼，以满足车辆在不同道路状况下行驶对舒适性、、操控性和通过性的要求。
关键词：悬架 电子控制悬架 奔驰W220悬架
悬架一般由弹性元件、减振器、导向机构和横向稳定杆组成，是车架车身与车桥车轮间的弹性传力装置的总称，其主要功用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力、侧向反力及力矩传递到车架车身上，以保证汽车的正常行驶。
传统悬架不能随路面的变化，以软的悬架来获得在平直道路上的良好乘坐舒适性，以硬的悬架来获得在崎岖路面上的良好的通过性和操控性。随着电子技术的发展，一种能够随道路状况变化而改变悬架刚度和阻尼的电子控制悬架应运而生，这种悬架一般由传感器、控制器、执行器组成，能使汽车在各种行驶条件下的乘坐舒适性和行驶安全性同时得到改善。它不但能很好地隔离路面振动，而且能控制车身运动．如启动、加减速和制动纵摇．以及转向侧倾等．在高速公路、坏路面和载荷变化时还能相应调节车身高度。目前已在赛车和高级轿车上得到了应用，其控制力一般采用气压或液压方式，奔驰W220型空气悬架系统就是此类悬架中较为典型的一种。
1 系统构成及功能 1.1 系统构成
奔驰w220悬架是一种典型的空气悬架系统，系统主要由传感器、控制器、执行器三大部分组成。 传感器主要有：压力传感器 ，右、左前车身加速度传感器 ，右、左前水平传感器 ，右后车身加速度传感器 ，后水平传感器，转角传感器等。 控制器主要有：ADS控制模块。
执行器主要有：压缩空气单元，水平控制单元 ，右、左前阻尼调节器 ，右前压力继电器模块，右、左后阻尼调节器。
空气压缩机由直流电机驱动，形成压缩空气，压缩空气经干燥器干燥后由空气管道经空气电磁阀送至空气弹簧的主气室。当车身需要升高时，电子控制单元控制空气电磁阀使压缩空气进入空气弹簧的主气室，使空气弹簧伸长，车身升高；当车身需要降低时，电子控制单元控制电磁阀使空气弹簧主气室中压缩空气排到大气中去，空气弹簧压缩，车身降低。
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图1 奔驰W220型空气悬架构成
1-压缩空气单元 2-水平控制单元 3-压力传感器 4-右、左前阻尼调节器 5、8-右、左前车身加速度传感器 6–右前压力继电器模块 7、20 –右、左前水平传感器 9-水平控制开关 10、11-舒适、运动控制开关 12-多功能显示器13-右后车身加速度传感器 14-右、左后阻尼调节器 15-后水平传感器
16-转角传感器 17-数据通讯连接座 18-停止灯开关 19-ADS控制模块
1.2 系统功能
与传统悬架相比较，空气悬挂具有很多优势，最重要的一点就是弹簧的弹性系数也就是弹簧的软硬能根据需要自动调节。车辆高速行驶时悬架可以变硬，以提高车身稳定性；车辆长时间低速行驶时，控制单元认为车辆正在经过颠簸路面，此时，悬架变软以提高舒适性。
奔驰w220型悬架系统，能够自动改变减振器伸缩的快慢，将减振器和弹簧两者功能结合在气动减振器中，其内部装有压缩空气的空气弹簧和阻尼可变的减振器两部分，以气压筒取代传统的弹簧，用电子控制的液压减振器实施减振，通过复杂的电控技术控制气动减振器的弹性系数（软硬度）和阻尼系数。分布在四个车轮横臂上的气动减振器的“弹簧”采用相同的软硬度，减振器的阻尼调整则独立运作。该系统有四种工作模式：柔软舒适模式；减振器硬压缩、软回弹模式；减振器软压缩、硬回弹模式；忽略舒适性的极端运动模式。该悬架系统能在一、二、三模式间自动调校，以便在不同行驶环境中得到最合适的减振效果，最硬的极端运动模式则需要驾驶员通过挡杆后面的按扭进行选择。该系统是一个全时支援的悬架系统，系统由4个横臂上的气动减振器提供了静态和动态的支持。该系统具有以下功能：
（1）车身的水平控制，该功能允许手动调整和车速自动调整车身的水平高低。
（2）车身的水平调节，该功能是系统根据车的驾驶和载重负荷控制车的前后水平高度和保持车身水平为一常数。
（3）自适应阻尼系统，该功能是系统根据路况、驾驶方式来改变阻尼力。道路状况由车身垂直加速度传感器决定，驱动方式根据速度和转弯角度计算决定。
2 系统工作原理 2.1 系统工作 2.1.1 稳定工况：
(1) 关闭保持状态。当车辆气动减振器举起时，系统将关闭相关的电磁阀，电脑将记忆车身高度，
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使车辆在下落后保持原来的高度。
(2) 正常状态，即发动机运转状态。当车辆驻车时，某一个车门或行李舱盖开启后，若车身高度变化超过±10mm，系统会重新调整车身高度。行车过程中，若车身高度变化超过士20mm，系统将每隔15min重新调整车身高度。
另外，还具有驻车时车高控制功能。当汽车处于驻车状态时，为了使车身外观平衡，保持良好
图2 奔驰W220型空气悬架气路控制图
1-前气动减振器 2-压力保持阀 3-储气罐 4-导通阀 5-压力传感器 6–右前水平控制阀 7-右后水平控制阀 8-左前水平控制阀 9-左后水平控制阀 10-空气滤清器11-空气压缩机12-空气干燥器
13-压力释放/保持阀14-压力释放阀15-单向阀16-后气动减振器
的驻车姿势，在点火开关断开后，ECU即发出指令，使车身高度处于常规模式的低状态。
控制单元根据车高传感器信号的变化和驾驶员给与的控制模式（常规正常模式或高模式）指令，给控制车高的电磁阀发出指令。
当车身需要升高时，四个水平阀打开，空气压缩机和储气罐的压缩空气经水平阀流到气动减振器，当前轮达到要求的高度，y1、y2水平阀关闭，其余车轮的水平阀仍保持打开状况，一直调整达到电脑设定的模式，y3、y4水平阀关闭。车身抬升过程完成。电磁阀动作，压缩空气进入空气悬挂的主气室，主气室的充气量增加，车身上升。如果电磁阀不动作，则悬挂主气室的气量保持不变，车身维持在一定的高度。如果乘客增加而使车身高度降低时，车高传感器输出的车离信号将与控制单元存贮的车高信息不符，控制单元就会发出指令，电磁阀通电打开，给悬挂主气室充气，直到车高达到规定的高度为止。
当车身需要降低时，四个水平阀y1、y2 、y3、y4 打开，A9/1单元中的压力释放阀y1也打开以降低压力，同时控制各车轮的水平阀继续保持打开，当前、后轮达到各自的高度时， y1、y2 、y3、y4水平阀分别关闭，车身降低过程完成。当车身需要下降时，空气压缩机停止工作，电磁阀通电打开，同时排气阀也通电打开，悬挂主气室的气体通过电磁阀、空气管路、干燥器、排气阀而排出，车身下降。
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(3) 唤醒状态(工作时间约1min)。当系统控制单元被遥控钥匙、门开关及行李舱盖开关唤醒后，系统将通过车身水平传感器检查车身高度。如果车身高度低于正常高度30mm以上，储气罐将提供压力使车身升至正常高度，而此时储压罐的压力必须大于1.1MPa；如果车身高度低于正常高度65mm以上，储压罐压力小于1.1MPa时，系统将命令空气泵工作，以提供压力使车身高度至-63mm,而此时的蓄电池电压必须大于12.4V；如果车身高度由于卸载而升高超过10mm，系统将放气使车身降至正常高度。
ADS功能可以调节减振器的软、硬度，使减振器存在正常、微软及硬态3个挡，且该功能可由驾驶室内的控制钮进行控制。
车身的水平调节功能也可以通过驾驶室内的车身控制钮进行操作。按下该钮时，车身会自动升高25mm，再按一下车身将恢复正常状态。所谓正常状态，是指车辆在出厂时储存在AS系统控制电脑内的高度。
2.1.2 过渡工况：
（1）抗后坐：通过传感器检测油门踏板移动速度和位移。当车速低于20km/h且加速度大时（急起步加速），ECU通过执行器将弹簧刚度和减振器阻尼力调到高值，从而抵抗汽车起步时车身后坐。如果此时驾驶员选择了“常规值自动控制”状态，则弹簧刚度和减振器阻尼力由软调至硬；如果此时驾驶员选择了“高速行驶自动控制”状态，则刚度和阻尼力由中调至硬。
（2）抗侧倾：由装于转向轴的光电式转向传感器检测转向盘的操作状况。在急转弯时，ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力转换到高（硬）值，以抵抗车身侧倾。
（3）抗“点头”：在车速高于60 km/h时紧急制动，ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力调到高（硬）值，而不管驾驶员选择了何种控制状态，以抵抗车身前部的下俯。
（4）高速感应：当车速大于110km/h时，系统将使弹簧刚度和减振器阻尼力调至中间值，从而提高高速行驶时操纵稳定性。既使驾驶员选择了“常规值自动控制”状态（刚度和阻尼处于低、软值），系统也将刚度和阻尼力调至中间值。
（5）前、后关联控制：车速在30-80 km/h 范围内时，若前轮车高传感器检测出路面有小凸起（例如前轮通过混凝土路面接缝等），则在后轮越过该凸起之前，系统将使弹簧刚度和减振器阻尼力调至低（软）值，从而提高汽车乘坐舒适性。此时既使驾驶员选择了高速行驶状态（刚度和阻尼力为中间值），系统仍将刚度和阻尼力调至低（软）值。为了不影响高速时的操纵稳定性，这种动作在车速为80km/h以下才发生。
（6）坏路、俯仰、振动感应：车速在40-100km/h范围内，当前轮车高传感器检测出路面有较大凸起时（例如汽车通过损坏的铺砌路面等），系统将弹簧刚度和减振器阻尼力调至中间值，以抑制车体的前后颠簸、振动等大动作，从而提高汽车的乘坐舒适性和通过性.而不管驾驶员选择了何种控制状态。 （7）良好路面正常行驶：弹簧刚度和减振器阻尼力由驾驶员选择，“常规值自动控制”状态，刚度和阻尼力处于低（软）值；“高速行驶时自动控制”状态，则刚度和阻尼力为中间值。
2.2 气动减振器
气动减振器是一个具有空气弹簧、液压减振器和极限限位机构的综合机构，其安装于横臂与车身之间。气动减振器的上腔充入气体（或排除气体），用于抬高（降低）车身高度，起到弹簧（支撑和缓解振动）的作用；气动减振器的下腔充入的气体可由阻尼调节阀来控制气体压力大小，以改变
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阻尼的大小，适应不同的工况要求。
当路面对汽车的冲击引起振动，由下横臂带动气动减振器的下腔作上下运动，使其中的液体流入或流出阻尼调节器，通过阻尼调节器对节流孔的调控，达到衰减振动的目的。
气动减振器的下腔与阻尼调节器构成的油气弹簧，以气体作为弹性介质，而用油液作为传力介质。通过油液压缩气室中的空气实现刚度特性，而通过电磁阀控制油液管路中的小孔节流实现变阻尼特性。
3 系统控制
系统通过各个传感器、控制开关、ESP控制模块、ETC控制模块、发动机控制模块所给的信号传给控制单元，经过ADS控制模块的计算分析,并发出指令来调节空气弹簧硬度和减振器阻尼，从而达到最理想的弹性状态。这个十分复杂的过程在整个系统内的反映时间只有几十微秒。因此，空气悬架系统对车轮的每一个微小动作都能做出快速恰当的反应。该空气悬架系统的自适应控制采用skyhook算法，能最大限度的减小车身在各个方向上的加速度，同时尽可能保证车轮拥有最完美的地面附着性能。
下图是悬架控制的工作原理图。
图3气动减振器
1-高压气室 2-气囊 3-阻尼调节器 4-弹簧套管下盖 5-活塞外套管 6-弹簧 7-橡胶弹簧 8-高压气阀
图4 奔驰W220型空气悬架控制系统
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