凌志LS400电控悬架的结构原理及检修

摘要

一辆车的舒适性很大程度上取决于悬架系统，因此汽车厂商们才会不厌其繁地推出了麦拂逊、多连杆、双叉臂等悬架概念。目前在中高档汽车上应用较多的是半主动的电子控制悬架。本文以丰田凌志LS400型的汽车的悬架为例，详细介绍了半主动电控悬架的结构和工作原理，以及对该系统的检修。

引言

传统的被动式汽车悬架系统由性能参数不变的弹簧和减振器构成。为了有效地隔离由于路面不平而产生的冲击, 减缓车体的振动, 提高汽车乘坐舒适性, 悬架需设计得较“软”; 而欲减小汽车转弯、加速及制动时车体的侧倾和前后倾, 提高汽车的操纵安全性(稳定性) , 则又要求悬架较“硬”。因此, 被动悬架的设计, 即弹簧和减震器参数的选择, 不可能使乘坐舒适性和操纵安全性同时达最优,而只能在这二者之间寻找一最优的折中方案, 并且这种最优的折中也只能在特定的道路和车速下实现。

随着现代汽车车速的不断提高, 人们对汽车悬架系统的性能也提出了越来越高的要求。现在汽车用的电控悬架引入空气悬架原理和电子控制技术，将两者结合在一起。典型的电控悬架由电子控制元件（ECU）、空气压缩机、车高传感器、转向角度传感器、速度传感器、制动传感器、空气弹簧元件等组成。

1 半主动悬架的结构

凌志LS400型汽车的电子控制悬架系统是一种较典型的半主动悬架系统。该系统采用了充有压缩空气的空气弹簧, 弹簧的弹性可在“软”与“硬”之间切换, 减振器则有三种不同的阻尼特性可供选择。汽车行驶过程中, 电子控制单元能够根据各种传感器的输入信号, 选择一最佳的空气弹簧的弹性与减振器阻尼特性的组合, 从而获得良好的乘坐舒适性和操纵性能。该系统具有车身高度自调功能, 能够根据汽车内乘员人数和车辆装载质量情况自动做出调整, 从而可保持汽车的高度及行驶姿态的稳定。这样也可使汽车前大灯的光束角度变化最小。此外, 由于减振弹簧的有效变形空间被限制在一定范围内, 从而可使弹簧能最大程度地吸收振动能量, 改善汽车的乘坐舒适性, 同时也避免了汽车底部与不平路面相碰。当汽车高速行驶时,降低车身高度可减少空气阻力, 并提高轮胎与路面的附着力, 从而可提高高速行驶时的稳定性。悬架的电子控制系统由传感器、电子控制单元和执行元件三部分组成。系统的布置如图1 所示。

1.1 传感器

1.1.1转向盘转角传感器

如图 2 所示, 此传感器由一带窄缝并随转向盘一起转动的圆盘和一对遮光器组成。每个遮光器又由相对安装的一发光二极管和一光敏晶体管组成,两元件间光的变化将被转变成通/断信号。带窄缝的圆盘在发光二极管和光敏晶体管之间旋转。当该盘随转向盘一起转动时,便控制着两元件间光的传导。两对遮光器有相位差,悬架ECU根据两遮

光器输出信号的变化检测转向盘的转动方向和角度。

1.1.2 高度控制传感器

汽车的四个角各装有一高度控制传感器。其通过不断地监测车身与悬架下臂间的距离,而测出车身高度的变化。高度控制传感器的结构与原理和转向盘转角传感器相似。每个传感器都由随连接臂一起转动带窄缝的圆盘和四对遮光器组成。圆盘在各遮光器的发光二极管和光敏晶体管间转动。高度控制传感器根据各遮光器输出的ON/FF信号的不同组合,将车身的高度范围分成16个区,并送给ECU。

1.2 控制单元

1.2.1 悬架控制开关

悬架控制开关由LRC 开关和高度控制开关组成。前者用以选择减振器和空气弹簧的工作模式(“no rmal au to”或“spo rt au to”) ;后者用以选择所希望的车身高度(“no rmal”或“h igh”)。两开关都安装在中央控制板的靠近换档杆指示灯处。

1.2.2 高度控制ON/OF开关

此开关装在行李箱的工具箱内。将开关扳至O FF 位置, 可禁止在车辆被举升、托运或停在不平的路面时对车身高度的调节。这样可避免空气弹簧中压缩空气的排出, 从而可防止车身高度的下降。

1.2.3 高度控制插座

连接该插座上的相应端子, 能不通过ECU 而直接控制空气压缩

机电机、高度控制电磁阀及排气电磁阀, 从而使检修方便。此插座上还提供了用于清除存贮器中故障代码的端子。连接的端子与所控制的元件如表1 所示。连接过程中应注意不要短接端子1 和8,以免造成短路。

1.2.4 NO.1和NO.2高度控制

两高度控制阀根据悬架ECU 的信号, 控制空气弹簧的充气和排气。NO. 1 高度控制阀用于前悬架,此阀中有两个电磁阀, 分别控制左右空气弹簧。NO. 2 高度控制阀用于后悬架,它也是由两个电磁阀组成,它与NO. 1控制阀的不同是, 它们不是单独控制,而是同时动作。在NO. 2高度控制阀中还装有一安全阀,用于防止管路中压力过高。

1.3悬架电子控制单元（ECU）

根据各种传感器的信号以及由悬架控制开关(LRC 开关和高度控制开关) 所确定的工作模式, ECU 控制减振器的阻尼力、悬架的弹性及车身高度。悬架ECU 具有故障自诊功能。工作中一旦发现悬架的电子控制系统出现故障, ECU便将故障以代码的形式存在内存中, 并及时向驾驶员报警。ECU 的失效保护功能使其系统出现故障时暂停对悬架的控制。

1.4 悬架控制驱动器

悬架控制驱动器装在各空气弹簧和减振器的上方, 用于同时驱动减振器的转阀和空气弹簧的连通阀, 以改变减振器的阻尼系数和弹簧的弹性。驱动器根据电磁原理工作, 能够准确地对频繁变化的行驶工况作出快速响应。驱动器的电磁机构由定子铁芯(具有4 个磁级) 和两对定子绕组组成。电流流过绕组时在定子铁芯中产生电磁力, 永久磁铁转子在定子铁芯电磁力的作用下旋转, 并通过一对齿轮同时驱动空气弹簧的连通阀控制杆和减振器的转阀控制杆。

1.5执行单元

1.5.1 车身高度指示灯

两绿色指示灯位于组合仪表上, 用于指示所选择的车身高度。当高度控制开关的位置改变时, 指示灯能马上指示出所切换到的位置, 但到达所设定的车身高度则需一定的时间。

1.5.2 LRC指示灯

此灯也位于组合仪表上, 用于指示当前减振器和空气弹簧的工作模式(“no rmal au2to”或“Spo rt au to”)。选择“Spo rt au to”模式时灯亮, 否则灯灭。

2 减震器

2.1 空压机、干燥器及排气阀

空压机用来产生提高车身高度所需的压缩空气, 采用活塞连杆式结构, 由直流电机驱动。干燥器用于除去压缩空气中的水分。其内部充有硅胶。当车身降低时, 收集到的水分便被排入大气中。排气阀装在干燥器的末端, 当它收到来自悬架ECU 降低车高的信号时, 便将系统中的压缩空气排入大气中。

2.2 空气弹

空气弹簧由充有低压氮气且阻尼特性可变的减振器、一个主气室和一个副气室组成。为了改变弹簧的弹性, 在主气室与副气室之间装有连通阀, 并由驱动器通过控制杆驱动。当阀门打开时, 主、副气室连通, 气室内的有效容积增大, 弹簧的弹性系统降低。反之, 当连通阀关闭时, 仅有主气室中的空气容积是有效的, 由于有效压缩容积减少, 使得压力上升较快, 从而使弹性系数增加。减振器阻尼系数的变化是靠改变活塞阻尼孔的开度来实现的, 阻尼孔的开度则由控制杆驱动的转阀控制。车身高度的调节通过NO. 1 和NO. 2 高度控制阀以及用以保持或释放主气室内压缩空气的排气阀实现。

2.3 可调减振器

装有阻力可调式减震器的汽车的悬架一般用刚度可变的空气弹簧作为弹性元件。其原理是，空气弹簧若气压升高，则减震器气室内的压力也升高，由于压力的改变而使油液的节流孔径发生改变，从而达到改变阻尼刚度的目。

可调减振器的结构及工作原理如图3所示。活塞杆是中空结构，其中装有控制杆。控制杆的上端与控制执行器连接，下端与回转阀连接。回转阀上由三个阻尼孔，活塞杆上由两个通孔。悬架控制执行器工作时，通过控制杆带动回转阀转动，使回转阀上的阻尼孔与活塞杆上的通孔接通或切断，使可调减振器的阻尼孔面积改变，从而改变可调减振器的阻尼力。

根据回转阀与活塞杆的相对位置不同，可调减振器的阻尼力可在软、中、硬三种状态之间变化。当回转阀上的A、B、C三个阻尼孔全部关闭时，只有可调减振器活塞最下面的主阻尼孔参加工作，这是可调减振器的阻尼力为“硬”状态；当回转阀从高阻尼位置顺时针转动60。时，回转阀上的B阻尼孔打开，A、C阻尼孔仍关闭，可调减振器的阻尼力为“中”状态；当回转阀从高阻尼位置逆时针转动60。回转阀上的三个阻尼孔全部打开，可调减振器的阻尼力为“软”状态。

减振器是汽车使用过程中的易损配件，减振器工作好坏，将直接影响汽车行驶的平稳性和其它机件的寿命，因此我们应使减振器经常

处于良好的工作状态。可用下列方法检验减振器的工作是否良好。

（1）使汽车在道路条件较差的路面上行驶10km后停车，用手摸减振器外壳，如果不够热，说明减振器内部无阻力，减振器不工作。此时，可加入适当的润滑油，再进行试验，若外壳发热，则为减振器内部缺油，应加足油；否则，说明减振器失效。

（2）用力按下保险杠，然后松开，如果汽车有2～3次跳跃，则说明减振器工作良好。

（3）当汽车缓慢行驶而紧急制动时，若汽车振动比较剧烈，说明减振器有问题。

（4）拆下减振器将其直立，并把下端连接环夹于台钳上，用力拉压减振杆数次，此时应有稳定的阻力，往上拉(复原)的阻力应大于向下压时的阻力，如阻力不稳定或无阻力，可能是减振器内部缺油或阀门零件损坏，应进行修复或更换零件。

3 凌志LS400电控悬架故障自诊

凌志LS400电控悬架系统的故障自诊功能包括传感器检测功能、故章报警功能、故障码显示功能三个内容。

3.1传感器检测功能

ECU 检测各种传感器的输出信号是否正常, 是在点火开关接通的情况下进行, 并应短接发动机室内检测插座的T s 和E1 端子。检测过程中转向盘、制动踏板等的相应操作如表2所示, 传感器的检测结果通过车身高度指示灯的“NORM ”灯示出。检测过程中减振器的阻尼力及弹簧弹性控制被暂时停止,阻尼系数和弹性都被固定于最大的位置, 而车身高度控制则正常进行。

3.2故障报警功能

当悬架控制系统出现故障时, ECU 通过使“NORM ”指示灯每秒闪一次的方式向驾驶员报警。当故障出在ECU 本身时, 两高度指示灯都熄灭。

3.3故障码显示功能

将点火开关接通并短接检测插座或TD-CL插座中的Tc和E1端子，车身高度“NORM ”指示灯便开始显示内存中所存贮的故障代码。若内

存中存有两种以上的故障代码, 则故障代码按由小到大的顺序依次显示。故障代码及其含义如表4 所列。如果内存中没存任何故障代码, 则指示灯按每秒两次的频率闪烁。

4凌志LS400汽车电控悬架系统的检修

4.1 汽车高度调整功能的检查与调整汽车高度调整功能的检查与调整汽车高度调整功能的检查与调整汽车高度调整功能的检查与调整。4.1.1 汽车高度调整功能的检查

操作高度控制开关,检查执行动作响应时间和汽车高度的变化是否符合标准。①首先检查轮胎气压,必要时进行调整; ②检查汽车高度;

③起动发动机,将高度控制开关从“标准”位置转换到“高”位置,从操作高度控制开关到压缩机开始工作时间应约2 s ,从压缩机起动工作到完成高度调整时间应为20～40 s ,汽车高度的变化量应为10～30 mm ,否则进行调整; ④汽车处于“高”调整状态下,起动发动机并将高度控制开关从“高”位置转换到“标准”位置,从操作高度控制开关到开始排气时间应约2 s ,从开始排气到完成高度调整时间应为20～40 s ,汽车高度的变化量应为10～30 mm ,否则进行调整。

4.1.2汽车高度的调整

汽车高度的调整必须在水平路面、高度控制开关处于“标准”位置时进行, 务必将汽车高度调整到标准值范围内。步骤如下: ①检查高度控制传感器连接杆长度,自由状态下两只锁紧螺母之间的距离,前为53. 5 mm ,后为27. 5 mm; ②松动高度控制传感器连接杆上的两只锁紧螺母; ③转动高度控制传感器连杆的螺栓,以调节其长度,高度控制传感器连接杆每转一圈,可使汽车高度变化约4 mm; ④检查高度传感器连接杆的尺寸是否小于极限值(前、后均为13 mm) ; ⑤拧紧锁

紧螺母,再次检查汽车高度,必要时再次调整。调整完毕按规定力矩(45 kg·cm) 拧紧锁紧螺母,并确保球节与托架平行。

4.2 溢流阀的检查

迫使压缩机工作,检查溢流阀的动作情况(该项检查过程中,悬架ECU 会记录一个故障码,因此,完成检查后应将故障码按程序清除)。(1)将点火开关置于“ON”,用导线将安装在行李箱中的高度控制连接器1 、7 号端子短接,接通压缩机控制电路,迫使其工作。(2)待压缩机工作一段时间后,溢流阀处应有空气放出,否则应检修或更换溢流阀。4.3漏气检查

（1）起动发动机,将高度控制开关拨到“高”位置,使汽车的高度上升。

（2）使发动机停转。

（3）在管子和软管的各接头处加肥皂水,检查是否有漏气现象。。。。

4.4 故障码的读取与清除

将点火开关置于“ON”位置,LRC 开关拨到“SPORT”一侧时,“HEIGHT”照明灯、LRC 指示灯点亮。高度控制开关拨到“标准”、“高”位置时,安装在仪表板上的相应高度指示灯“NORM”、“HI”应点亮。当高度控制“NORM”指示灯以1 s 间隔快速闪亮时,表明悬架ECU 存储器中存有故障码。

4.4.1 故障码的读取

将点火开关置于“ON”,用SST 将检查连接器中的端子Tc 、E1 短

接,仪表板上的“NORM”指示灯将以闪烁的形式由小到大依次输出故障码。当高度控制ON/ OFF 开关在OFF 位置时, 输出故障码“71”,不视为故障; 若触发悬架ECU 后,“NORM”指示灯每隔0. 25 s 同频率闪烁,表明悬架ECU 中无故障码储存。

4.4.2 故障码的清除

按照所输出故障码的提示将故障排除后,应清除悬架ECU 中存储的故障码,以免“NORM”指示灯的闪烁引起驾驶员误解而影响安全驾驶。故障码的清除方法有两种: ①将点火开关置于“OFF”位置,拔下1 号配电中心ECU - B 保险丝10 s 以上,即可清除故障码。②将点火开关置于“OFF”位置,短接高度控制连接器的端子9 (端子CL E) 和8 (端子E) ,同时短接检查连接器的端子Ts 与E1 ,保持此状态10 s 以上,即可清除故障码。

5 凌志LS400实例汽车悬架的故障诊断检修

5.1 案例

案例：凌志S400自动高度调整装置不动作

生产厂：丰田汽车公司生产年份：2007年行驶里程： 70000km 故障症状：车尾高度下降。这辆车的后部载荷加大之后，车尾高度下降，下降之后不能恢复标准车高。

故障检修：该车为防止后部载荷增大时车尾下降而专门设置了自动高度调整装置，即向减振器供给一定量的空气，以保持车子的姿态不发生变化。

马上开始调查。首先，强制车高降下来，再升上去，测量车高传感器的输出信号，也就是测量控制单元连接器的10号端子和12号端子，结果变化范围在2-4V之间，车高传感器没有问题。其次，在车尾高度降下来之后，测量7号端子的电压，结果电压为12V。这个结果表明，供给阀并没有加上去电压。三极管Tr4导通与截止就相当于一个开关ON与OFF一样，在7号端子上测量到的电压为12V，表明Tr4三极管处于截止状态，此时不可能有电流通过供给阀，所以供给阀不能动作。

这样一来，尽管车高传感器已经检测出来车子的高度过低，并把信号有效地输入给控制单元，但控制单元没有反应，Tr4仍旧不导通，送不出升高车高的指令。

作为验证，把7号端子和8号端子用跳线短接，车高马上就升上去了。然后又确认了1号端子和2号端子的电源供给没有问题。至此

最后判断为控制单元不良。更换了控制单元后自动车高调整装置动作就恢复正常。维修作业结束。

5.2 自动车高调整装置的动作：

后部载荷加重时，车高相应下降，车高传感器发出一个LOW信号(车高过低信号)，经12号端子输入到控制单元。控制单元接到这个信号后Tr2、Tr3、Tr4都导通，此时监视灯亮，供给阀和切断阀都打开，从空气储箱向后轮左、右减振器室供应空气。为此下降了的车高逐渐恢复，当恢复到标准车高后，车高传感器撤销LOW信号，Tr2、Tr3、Tr4全部截止，车高保持在标准车高的水平上。

后部载荷减少时，车高相应上升，车高传感器发出一个HIGH信号(车高过高信号)，经10号端子输入到控制单元。控制单元接到这个信号后，Tr2、Tr1、Tr3导通，监视灯亮，同时排出阀和切断阀都打开，后轮左、右减振器室的空气经逆止阀C1和干燥器以及排出阀排出，车高逐渐降低，当降到标准车高时，车高传感器撤消HIGH信号，Tr1、Tr2、Tr3全部截止，此时监视灯灭，车高保持标准车高。

空压机的动作。当空气储箱内的空气压力降低后，压力开关合上，空压机动作，压缩空气经干燥器、逆止阀C2进入空气储箱。当压力达到规定值后压力开关断开，压缩机动作停止。

参考文献

[1] 潘永康．现代技术[M]．北京：化学工业出版社，1998．

[2] 郑霞君，孙镜明.《凌志ls400轿车电子控制系统原理与维修》[M]. 辽宁: 辽宁科学技术出版社， 1998.

[3] 顾冰，赵学工等．稻谷干燥智能控制系统的研究[J]．电气控制，2007(3)：31～35．

[4]刘汉军. 《丰田汽车新技术一结构、原理与维修》[M]. 广东：广东科技出版社, 2002.