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电控悬架系统的结构原理与检修


ANYANG INSTITUTE

OF TECHNOLOGY













电控悬架系统的结构原理与检修
Principle and Maintenance of the Structu

re of the Electric Control Suspension System

系(院)名称:

机械工程学院

专业班级: XXXX 级汽车服务工程 学生姓名: 学生学号: 指导教师姓名: 指导教师职称: XX XXXXXXXXXXXX XXX 工程师

2012 年 5 月

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本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文) ,是我个人在指导教师的指导 下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的 地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为 获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提 供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了 谢意。

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中文摘要、关键词 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 英文摘要、关键词 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 引言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 第 1 章 汽车悬架概述 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。
1.1 汽车悬架的发展历程 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 1.2 对汽车悬架系统的要求 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 1.3 汽车悬架的分类 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。

第 2 章 电控悬架系统的组成 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。
2.1 电控悬架系统的功能 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 2.2 电控悬架系统的主要组成部分 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 2.3 传感器 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 2.4 执行器 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 2.5 控制单元 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。

第 3 章 电控悬架的控制过程 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。
3.1 悬架刚度控制 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 3.2 减振器阻尼控制 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 3.3 车高控制 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 3.4 电控主动悬架常见的控制方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 3.4.1 天棚阻尼器控制 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 3.4.2 最优控制方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。

3.4.3 预测控制方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 3.4.4 自适应控制方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 3.4.5 模糊控制和神经网络控制 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 3.4.6 综合控制方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。

第 4 章 电控悬架系统的检修 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。
4.1 基本检查 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 4.2 电路检测 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 4.3 故障检修案例 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。

结论 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 致谢 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。 参考文献 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 错误!未定义书签。

电控悬架系统的结构原理与检修
摘要:随着汽车速度的提高,对汽车的性能也提出了更高的要求。传统的悬架限制了汽车 性能的提高。人们希望汽车车身的高度,悬架的刚度,减震器的阻尼的大小能随汽车的载 荷,行驶速度,以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。通过采用电子技术实现汽车 悬架的控制,既能提高汽车乘坐的舒适性,又能提高汽车操纵的稳定性。近年来,人们不 断开发适应各种行驶工况的最优悬架控制系统。在车辆尤其是高档车中,相继出现了性能 更加优越的各种电子控制悬架系统。本论文首先介绍汽车悬架的发展历程、对汽车悬架系 统的要求、汽车悬架的分类,说明了汽车悬架的重要性。同时着重分析了电子控制主动悬 架的结构组成和工作原理及刚度控制、阻尼控制、车高控制的过程。最后简单介绍电子悬 架的检修。 关键词:电子控制悬架 传感器 检修

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Principle and Maintenance of the Structure of the Electric Control Suspension System
Abstract: As the vehicle speeds increase, the performance of the car also has set higher requirements. The traditional limits of automobile suspension performance gains. It is hoped that the vehicle body height, suspension stiffness, the size of the shock absorber damping with the load of the car, driving speed and road conditions, changes in driving conditions and automatically adjust. Through the use of electronic technology to achieve automotive suspension control, both to improve vehicle ride comfort, but also improve vehicle handling and stability. In recent years, people are constantly developing to adapt to a variety of driving conditions optimal suspension control system. In vehicles, especially high-end car, have appeared in a variety of superior performance, electronically controlled suspension system. Followed by the maintenance of electronic control suspension also enter the scope of our daily maintenance. This paper first introduces the development course of automobile suspended frame, the automobile suspension system requirements, the classification of automobile suspended frame, and explains the importance of automobile suspended frame. At the same time focusing on the analysis of the electronic control active suspension structure and working principle and the stiffness and damping control, car control high control process. Finally simple introduction of electronic suspension overhaul. Key words: electronically controlled suspension; sensor; repair

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引 言
随着人们生活水平的不断提高,对车辆乘坐舒适性和操纵稳定性提出了更高的要求。 但是,传统悬架形式中所采用的那些具有固定刚度和确定阻尼的弹簧、减震器已经无法从 根本上满足现代汽车所要求的舒适性及操纵稳定性。 例如, 从提高汽车舒适性的角度出发, 一般希望悬架具有较软的弹簧,以充分发挥缓冲作用。但是这样却势必导致车身在行驶的 过程中位移偏大,需要相应的提高车身高度,这会随之带来增加车身重心高度,不利于改 善行驶稳定性的问题。另一方面,为提高汽车的操纵稳定性,一般要求悬架具有较大的弹 簧刚度和减震器阻尼,这显然与改善舒适性的要求相矛盾。 传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。 人们希望汽车车身的高度、 悬架的刚度、 减振器的阻尼大小能随汽车载荷、行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。 为了满足人们对汽车舒适性的要求,20 世纪 90 年代以来,在汽车电子技术以及高速公路 飞速发展的同时,各汽车公司相继开发研制了电子控制悬架系统提高汽车舒适性。由于电 子控制悬架的应用数量不断扩大,便使电子控制悬架的维护逐渐的被人重视,但是,相关 人才的增长速度跟不上电控悬架的普及速度或者缺乏相关知识,致使这方面的维护比较混 乱,因此,本篇论文将重点阐述电控悬架的结构原理及检修。

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第 1 章 汽车悬架概述 1.1 汽车悬架的发展历程
20 世纪 40 年代,汽车悬架由工字形系统改变为长短臂系统,70 年代末至 80 年代初, 在前轮驱动的轿车上,麦弗逊撑杆式悬架又取代了长短臂悬架系统。传统的汽车悬架主要 由弹性元件、减振器及稳定杆组成。其中弹性元件、减振器和轮胎的综合特性,决定了汽 车的行驶性、操纵性和乘坐的舒适性。由于弹性元件、减振器均是决定刚度的元件,它们 对路面状况和汽车的行驶状况的适应性均受到了很大的局限。而且汽车的乘坐舒适性和操 纵稳定性是一对矛盾的两方面,如果要保证汽车的乘坐舒适性,就要求悬架比较柔和。要 保证汽车的操纵稳定性,就要求悬架具有较大的弹簧刚度和阻尼力较大的减振器。如果这 两方面任意地加强一面,均会使另一方面受到较大的影响。因此,在汽车设计时,为了对 它们进行兼顾,只能采用折中措施,根据汽车的行驶状况、道路状况、悬架结构等进行最 优化设计, 如改进悬架的结构和有关参数, 近年来的轿车越来越多地采用横臂式独立悬架、 纵臂式独立悬架、 车轮沿主销移动的悬架, 使汽车的有关性能得到较大的最优化折中处理。 尽管如此,汽车的悬架系统也只能适应特定的道路和行驶条件,无法满足变化莫测的道路 条件和汽车行驶的各种状况。而且这种悬架只能被动地承受地面对车身的各种作用力,无 法对各种情况进行主动地调节车身的状况,使汽车的操纵稳定性与乘坐的舒适性达到和 谐。 近年来,高速路网得到了迅猛的发展,对汽车的性能也提出了更高的要求,许多驾车 者在高速公路上行驶时喜欢柔软、舒适的行驶性能;而在急转弯、紧急制动或快加速时又 喜欢刚硬稳固的行驶性能, 在这些驾驶条件下, 刚硬稳固的行驶性能可以降低汽车的横摆、 侧倾和俯仰。传统的悬架结构越来越难适应这一发展的势头。为了更进一步地提高汽车的 性能,提高汽车的质量和档次,突出汽车工业的经济效益,各国汽车行业竞相开发更能适 应现代交通的高性能汽车。除了对汽车的其他总成进行更有效的改进之外,对汽车的悬架 系统也进行了切实有效的改良。随着电子技术、传感器技术和各种控制技术的发展,用这 些技术装备起来的汽车悬架系统,既使汽车的乘坐舒适性达到了令人满意的程度,又促使 汽车的操纵稳定性得到了可靠的保证。 1981 年汽车上开始应用车身高度控制技术, 同年又成功开发出可变换减振器阻尼力控 制的新技术,以后又开发出自动变换减振器阻尼力、弹性元件刚度的电控悬架。1987 年,
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日本本田公司率先推出装有空气弹簧的主动悬架,它是一种通过改变空气弹簧的空气压力 来改变弹性元件刚度的主动悬架。1989 年,世界上又推出了装有油气弹簧的主动悬架。 20 世纪 90 年代是电子技术在汽车悬架系统中的应用越来越多的时期。现在,某些计 算机控制的悬架系统已具有在 10ms~12ms 内即能对路面和行驶条件做出反应的能力,以 改善行驶时的平稳性和操纵性。

1.2 对汽车悬架系统的要求
汽车悬架系统对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性都有较大的影响。所谓行驶平顺性是 指汽车在行驶过程中,保持驾驶员和乘员处于振动环境中具有一定的舒适度,或保持所载 物资完好的能力。汽车的操纵稳定性则包括两方面的含义:一是汽车是否具有正确遵守驾 驶员操纵转向机构所给规定方向行驶的能力,即所谓的操纵性;二是汽车在外界条件(如 地面不平、坡道、大风等)干扰下,能否保持原方向行驶的能力,即所谓的稳定性。在悬 架系统设计时应尽可能做到既能使行驶平顺性(即乘坐舒适性)达到令人满意的程度,又 能使其操纵稳定性(即行驶安全性)也达到最佳的状态。然而,这两个要求在悬架系统的 设计中往往是矛盾的。 平顺性和操纵稳定性对汽车悬架系统这一互为矛盾的要求,在传统的被动悬架系统设 计中几乎无法同时满足。即使经过慎重的权衡,通过最优控制理论使悬架系统在平顺性和 操纵稳定性之间寻求一个折衷的方案,而这种最优的折衷也只能是在特定的道路状态和速 度下达到。 为了克服传统的被动悬架系统对其性能改善的限制,在现代汽车中采用和发展了新型 的电子控制悬架系统。电子控制悬架系统可以根据不同的路面条件,不同的载重质量,不 同的行驶速度等,来控制悬架系统的刚度、调节减振器的阻尼力大小,甚至可以调整车身 高度,从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳的组合。

1.3 汽车悬架的分类
目前汽车悬架系统通常分为传统被动式、半主动式、主动式三类。其中半主动式又分 为有级半主动式和无级半主动式两种;主动式悬架根据频率和能量消耗的不同,分为全主 动式和慢全主动式;而根据驱动机构和介质的不同,可分为电磁阀驱动的油气主动式悬架 和由步进电动机驱动的空气主动式悬架。 无级半主动悬架可以根据路面的行驶状态和车身的响应对悬架阻尼力进行控制,并在 几毫秒内由最小到最大,使车身的振动响应始终被控制在某个范围内。但在转向、起步、
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制动等工况时不能对阻尼力实施有效的控制。它比全主动式悬架优越的地方是不需要外加 动力源,消耗的能量很小,成本较低。 主动式悬架是一种能供给和控制动力源的装置。根据各种传感器检测到的汽车载荷、 路面状况、行驶速度、起动、制动、转向等状况的变化,自动调整悬架的刚度、阻尼力以 及车身高度等。它能显著提高汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性。

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第 2 章 电控悬架系统的组成 2.1 电控悬架系统的功能
装备电子控制主动悬架系统的汽车能够根据本身的负载情况、行驶状态和路面情况 等,主动地调节包括悬架系统的阻尼力、汽车车身高度﹑行驶姿势、弹性元件的刚度在内 的多项参数。这类悬架系统大多采用空气弹簧或油气弹簧作为弹性元件,通过改变弹簧的 空气压力或油液压力的方式来调节弹簧的刚度,使汽车的相关性能始终处于最佳状态。 1.减振器的阻尼力调节 由于减振器的阻尼力对汽车乘坐的舒适性和安全性有较大的影响,所以目前可调节阻 尼力的减振器应用十分普遍。这种减振器可以实现以下控制目标: (1)防止车尾下蹲控制 汽车在急速起步或加速时,在惯性力和驱动力的作用下,汽车尾部的下蹲控制到最小 程度,以保持车身的稳定。 (2)防止汽车点头控制 汽车在高速行驶采取紧急制动时,由于惯性力和车轮与地面之间的附着力的作用,促 使车头下沉。防止汽车点头控制就是要使这种点头现象减小到最小程度。 (3)防止汽车侧倾控制 汽车在转弯时,由于离心力的作用,使汽车与车身的外侧下沉,转弯结束时,会产生 车身外侧的恢复, 造成汽车横向摆动。 防止汽车侧倾控制就是使这种现象控制到最佳状态。 (4)防止汽车纵向摇动控制 汽车的纵向摇动一方面是由于汽车在换挡过程中,驱动车轮上的驱动力在短时间内发 生较大变化使汽车纵向摇动;另一方面是由于汽车在不平整的道路上行驶时,汽车的车速 与路面的波动产生共振,或受路面的影响,造成车身纵向摇动。防止汽车纵向摇动控制就 是使车身的这种状态得到最佳的控制。 2.悬架系统弹性元件刚度的调节 影响汽车乘坐的舒适性和行驶的安全性的另一个主要因素就是汽车悬架弹性元件的 刚度, 悬架弹性元件的刚度将直接影响车身的振动强度和对路况及车速的感应程度。 目前, 中、高档汽车倾向于利用可调刚度的空气弹簧或油气弹簧,通过调节这些元件的空气压力 的办法来调整弹性元件的刚度。
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3.车身高度和姿势的调节 通过调节弹性元件的刚度和减振器的阻尼力,可使汽车四个车轮上的悬架参数具有不 同组合,就可进行车身高度和姿势的调节。如使用空气弹簧的悬架,当乘员人数和载物较 重使车身下沉时,通过加大空气弹簧气压的办法,使车身恢复到正常高度;当汽车高速行 驶时为了提高汽车行驶的安全性,减少空气阻力,可适当减少空气弹簧的气压,同时减少 因减振器的阻尼力使车身降低的高度等。

2.2 电控悬架系统的主要组成部分
目前,电控空气悬架在高级轿车、客车上应用较为广泛,主要由传感器(转向传感器、 车身高度传感器、车速传感器、节气门位置传感、加速度传感器)、电控悬架 ECU 和执行 器(压缩机控制继电器、空气压缩机排气阀、空气弹簧进/排气电磁控制阀、模式控制继电 器)等组成,如图 2.1 所示。系统根据悬架车身高度、车速、转向和制动等传感信号,由 ECU 控制电磁式或步进电机执行器,改变悬架的特性,以适应各种复杂的行驶工况对悬架特性 的不同要求。

图 2.1 电控主动悬架的系统原理图

2.3 传感器
1.转向传感器 转向传感器装在转向柱上,用来检测转向时的转向角度和汽车转弯的方向,并将这些 信息提供给 ECU ,以在转弯时提高汽车操纵稳定性,防止出现侧倾. 转向传感然由一个带 孔圆盘和两个光电传感器组成,其外形和工作原理如图 2.2 所示。

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图 2.2 光电式转角传感器的安装位置和结构 1.转角传感器 2.信号发生器 3.遮光盘 4.转向轴 5.传感器圆盘

开有 20 个孔的遮光盘随转向轴一起转动,遮光盘的两侧为由发光二极管和光敏晶体 管组成的信号发生器, 它们两者之间的光线变化随着遮光盘遮挡或通过转换成 “通” 或 “断” 信号。当操纵方向盘时,遮光盘随着一起转动而引起发光二极管发出的光线“通”或“断” 信号,这种信号是与方向盘转动成正比的数字信号。传感器信号发生器以两个为一组,相 位错开半齿套装在遮光盘上。ECU 通过判断两个光电传感器信号的相位差可以判断转弯方 向,如图 2.3 所示。汽车直线行驶时,信号 S1 处于通断的中间位置(高电平,断状态),转 向时,根据信号 S1 和下降沿处信号 S2 的状态,即可判断出转动的方向。当信号 S1 由断状态 变为通状态(低电平)时,如果信号 S2 为通状态,则为左转向;如果信号 S2 为断状态,则为 右转向。根据两信号发生都输出端通、断变换的速率,即可检测出转向轴的转动速率。通 过计数器统计通、断变换的次数,即可检测出转向轴的转角。

图 2.3 光电式转角传感器电路及输出信号

2.车身高度传感器 车身高度传感器通过监测车身与悬架摆臂之间的距离变化,可以检测汽车高度和因道 路不平坦而引起的悬架位移量,如图 2.4 所示。车身高度传感器有磁性滑阀式、霍尔式和 光电式三种形式,其中光电式车身高度传感器应用较多,通常安装于车身上,并通过转轴、 连杆与悬架臂相连接,而连杆随着汽车高度的变化而上下摆动。不同车高时,由于开口圆 盘位置的变化而使光电传感器发出的光线通或断。

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2.4 轴式车高传感器结构 l.信号发生器 2.遮光盘 3.盖 4.电缆 5.金属封油环 6.壳体 7.轴图

与光电式转角传感器类似,光电式车身高度传感器在随轴转动的开口圆盘上刻有一定 数量的窄缝,信号发生器由发光二极管和光敏三极管组成,以 4 个为一组,覆盖了开口圆 盘,如图 2.5 所示。开口圆盘位于发光二极管与光敏管之间,转动开口圆盘,发光二极管 发出的光不断被开口圆盘挡住,信号发生器的光敏管输出端出现电平高低的变化。

图 2.5 车高传感器的工作原理 1.信号发生器 2.遮光盘 3.导杆 4.转轴

ECU 接受到电平信号的变化,可检测出开口圆盘的转动角度。当车身高度发生变化时 (汽车载荷发生变化),导杆随摆管上下摆动,从而通过轴驱动遮光盘转动,信号发生器的 输出信号随之进行通(ON)、断(OFF)变换。电控悬架系统的 ECU 是根据各个信号发生器通 断状态的不同组合来判断车高状态的。 3.车速传感器 车速传感器安装在变速器上,由变速器齿轮通过转出轴驱动,车速传感器信号经仪表 转换后送至悬架 ECU,该信号与转向传感器信号一起用来计算车身侧倾程度。 4.节气门位置传感器 节气门位置传感器安装在发动机的节气门体上,检测节气门的开启角度和开启速度, 间接获取汽车加速度信号,ECU 利用此信号作为汽车车身后仰控制的一个工作状态参数。 5.加速度传感器 在车轮打滑时,不能以转向角和汽车车速正确判断车身侧向力的大小。为直接测出车 身横向加速度和纵向加速度,有时在汽车的四角安装加速度传感器。常用的加速度传感器
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主要有差动变压器式和滚球式两种。 差动变压器式加速度传感器工作原理如图 2.6 所示。 激磁气圈(1 次线圈)通以交流电, 当汽车转弯(或加、减速)行驶时,芯杆在汽车横向力(或纵向力)的作用下产生位移,随着 芯杆位置的变化,检测线圈(2 次线圈)的输出电压发生变化。所以,检测线圈(2 次线圈) 的输出电压与汽车横向力(或纵向力)一一对应,反应了汽车横向力(或纵向力)的大小,悬 架系统电子控制装置根据此输入信号即可正确判断汽车横向力(或纵向力)的大小,对汽车 车身姿势进行控制。
输出电压

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位移 3 4

图 2.6 差动变压器式加速度传感器工作原理 1、2.2 次线圈 3、6.1 次线圈 4.电源 5.芯杆

钢球位移式加速度传感器的结构如图 2.7 所示。根据所检测的力(横向力、纵向力或 垂直力)不同,加速度传感器的安装方向也不一样。如汽车转弯行驶时,钢球在汽车横向 力的作用下产生位移,随着钢球位置的变化,磁场发生变化,造成线圈的输出电压发生变 化,所以,悬架系统电子控制装置根据线圈的输出信号即可正确判断汽车横向力的大小, 对汽车车身姿势进行控制。

图 2.7 钢球位移式加速度传感器 1.轭铁 2.信号处理回路 3.磁铁 4.钢球

6.制动开关 用于向悬架电子控制器提供制动信息,控制器根据制动开关所提供的阶跃信号,并参 考车速信号对相关悬架的刚度进行调整,以抑制车身“点头” 。制动开关有制动灯开关和
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制动液压开关两种形式。 7.车门开关 车门开关是为了防止行驶过程中车门未关而设置的。 8.模式选择开关 模式选择开关用于选择悬架的“软” 、 “中” 、 “硬”状态。ECU 检测到该开关的状态后, 操纵悬架执行机构,从而改变悬架的弹簧刚度和阻尼系数。

2.4 执行器
不同类型的电控悬架系统具有不同的执行机构,空气悬架的执行器为空气弹簧控制 阀;油气悬架的执行器为油气弹簧压力控制阀;变阻尼半主动悬架可采用电动式、电磁式 或磁流变式可调阻尼减振器作为执行器。 如图 2.8 为一种空气弹簧用控制车身高度的控制阀,它由芯杆、电磁线圈和柱塞等组 成。 当对电磁线圈通电, 在电磁力的作用下芯杆推动柱塞移动。 关闭空气通路, 形成 ON/OFF 动作。

图 2.8 空气弹簧控制阀 1.芯杆 2.线圈 3.柱塞

如图 2.9 为一种油气弹簧用压力控制阀。当对电磁线圈通以电流时,电磁线圈产生正 比于此电流的电磁力,电磁力推动阀杆移动。当阀杆的推力输出压力相等时,阀杆停止移 动,这样,可以产生与电流大小成正比的油压力。

图 2.9 直动型比例电磁减压阀 1.进油管 2.油泵 3.回油管 4.油箱 5.电磁线圈
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6.活塞 7.出油管

对于悬架阻尼调节分有级式和无级式两种, 无级的悬架减振器阻尼调节原理如图 2.10 所示。减振器中的驱动杆和空心活塞一同上下运动,减振器油液可通过驱动杆和空心活塞 的小孔流通,利用小孔节流作用形成阻尼。步进电动机通过转动驱动杆来改变驱动杆与空 心活塞的相对角度, 以使阻尼小孔实际通过的截面大小改变, 从而实现减振器阻尼的调节。

图 2.10 无级悬架减振器阻尼调节原理 1.步进电机 2.驱动杆 3.活塞杆 4.空心活塞

2.5 控制单元
在不同汽车上所采用的控制系统 ECU 结构和输入输出信号大同小异,ECU 主要由输入 电路、微处理器、输出电路和电源电路等四部分组成。它是悬架控制系统的中枢,具有多 种功能。 1.提供稳压电源 控制装置内部所用电源和供各种传感器的电源均由稳压电源提供。 2.传感器信号放大 用接口电路将输入信号中的干扰信号除去,然后放大、变换极值、比较极值,变换为 适合输入悬架 ECU 的信号。 3.输入信号的计算 悬架 ECU 根据预先写入只读存储器 ROM 中的程序对各输入信号进行计算,并将计算结 果与内存中的数据进行比较后,向执行器发出控制信号。输入悬架 ECU 的信号除了开关信 号外,还有电压值,还应进行 A/D 变换。 4.驱动执行器 悬架 ECU 用输出驱动电路将输出驱动信号放大,然后输送到各执行器,如电机、电磁 阀、继电器等,以实现对汽车悬架参数的控制。
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5.故障检测 悬架 ECU 用故障检测电路来检测传感器、执行器和线路的故障,当发生故障时将信号 送入悬架 ECU,目的在于即使发生故障,也能使悬架系统安全工作,另外在修理故障时容 易确定故障所在位置。

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第 3 章 电控悬架的控制过程 3.1 悬架刚度控制
ECU 接收由车速传感器、转向操作传感器、汽车加速度传感器、油门踏板加速度传感 器和汽车高度传感器传来的信息,计算并控制弹簧刚度。基于不同传感器输入的信号,弹 簧刚度的控制主要有“防前倾” 、 “防侧倾”和“前后轮相关”控制等方面的操作。 1.防前倾控制 “前倾”一般是汽车高速行驶时突然制动时发生的现象,防前倾主要是防止紧急制动 时汽车前端的下垂。可以分别用停车灯开关和汽车高度传感器检测制动状况和前倾状况。 如果判断为汽车处于紧急制动时自动地将弹簧刚度增加,使在正常行驶条件下时的弹簧刚 度的“中”设置变为“硬”设置,当不再需要时则恢复到一般状态的设置。 2.防侧倾控制 当紧急转向时,应由正常行驶的“中”刚度转换为“硬”刚度,以防止产生侧倾。 3.前后轮相关控制 当汽车行驶在弯曲道路或凸起路上时,通过前后轮弹簧刚度相关控制并结合协调阻尼 力大小控制,使在正常行驶时刚度从“中”的设置转换到“软”的设置以改善平顺性。但 在高速运行时“软”的状态工作会导致汽车出现行驶不稳定的状态,因而仅限于车速低于 80km/h。ECU 通过来自前左侧的高度传感器信号来判断凸起路,若前轮检测到凸起路后, 控制后轮悬架由“中”变“软” 。

3.2 减振器阻尼控制
ECU 根据车速传感器、转向传感器、停车灯开关、自动变速箱空档开关和油门位置传 感器等不同信号控制减振器的阻力,实现“软、中、硬”三种速度特性的有级转换,主要 完成防止加速和换档时后倾、高速制动时前倾、急转弯时侧倾和保证高速时具有良好的附 着力等控制功能,从而提高汽车行驶的舒适性相安全性。 若汽车低速行驶时突然加速会出现后倾现象,防后倾控制的结果依赖于油门被踩下的 速度和大小。例如,为了改善舒适性,在车速低于 20km/h 时减振器的阻尼设置成“软” 的状态,当突然踩下油门使之超过油门全开的 80%时,将阻尼设置为“硬” ,而当车速超 过 30km/h 时,返回到一般情况下的阻尼力设置。

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3.3 车高控制
ECU 根据汽车高度传感器信号来判断汽车的高度状况,当判定“车高低了” ,则控制空 气压缩机电机和高度控制阀向空气弹簧主气室内充气,使车高增加;反之,若打开高度控 制阀向外排气时则使汽车高度降低。系统根据车速、车高和车门开关传感器信号来监视汽 车的状态,控制执行机构来调整车高,实现如下功能: 1.自动水平控制。控制车高不随乘员数量和载荷大小的变化而变化,由此抑制空气阻 力和升力(迫使汽车漂浮)的增加,减小颠簸并保证平稳行驶。 2.高速行驶时的车高控制。汽车高速行驶时操纵稳定性一般要受到破坏,此时降低车 高有助于抑制空气阻力和升力的增加,提高汽车直线行驶的稳定性。 3.驻车时车高控制,乘员下车后自动降低车高有利于改善汽车的外观,另外通过调整 车高也利于在车库中的存放。

3.4 电控主动悬架常见的控制方法
3.4.1 天棚阻尼器控制 由天棚阻尼器控制理论 , 假设车身上方有一固定的惯性参考 ,在车身和惯性参考之间 有一阻尼器,执行器模拟此阻尼器的作用力来衰减车身的振动。这种控制算法简单,只要合 理选择参数,可彻底消除系统共振现象。但天棚阻尼器控制只考虑了幅频特性,不包括相频 特性,这就产生了用传递函数评价性能指标的不确定性问题。 3.4.2 最优控制方法 采用最优控制的前提是获得大量的状态信息 ,对硬件系统的要求很高 , 应用现代反馈 控制理论,同时提出控制目标以加权系数,进而找到最优控制方案。应用最优控制方法可 使汽车悬架振动控制具有较强的适应能力。但由于实际的车辆系统往往是变话的非线性系 统,从而使实际系统达不到运用最优控制理论所预期的性能 ,在车辆上运用的最优控制方 法常用的有线性最优控制、最优预先控制等。 3.4.3 预测控制方法 如果由于道路的不规则而引起的路面干扰能在车辆到达之前被测得 ,且这个信息能够 被控制器在决定系统控制力时加以考虑和利用 ,那么控制器即可将前方路面状态作为预测 变量,以更有效的控制方式进行“前馈”控制, 因而主动悬架的潜力将可以得到充分地发 挥,这就是预测控制。预测控制方法最常见的一种是轴距预测控制或轴间预测控制。预测 控制的问题表现在预测距离是一定的 ,因此预测提前时间取决于车速 ,这样必然具有时变
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性,而预测控制仍以线性时不变系统为研究对象,测量、参数的时变性和非线性对系统的影 响还没有得到解决。另外,用预测信息来控制悬架执行机构的动作的核心技术是信号的获 取精度问题, 要求不受干扰地真实反映路面信息 ,对传感器等信号的收集和处理的要求很 高,这往往导致成本、可靠性方面的投人相应增大,应用中要重点考虑。 3.4.4 自适应控制方法 自适应控制是指系统的输入和干扰发生较大范围的变化时 ,所设计的系统能够自动适 应环境,调节系统参数或控制策略,使系统性能指标仍能达到并保持最优。采用自适应控制 的车辆悬架阻尼减振系统可以较好地改善车辆的行驶特性,但在自校正控制过程需要在线 辨识大量的结构参数,所以导致计算量大,实时性不好,当悬架系统参数由于突然的冲击而 在较大的范围变化时,自适应控制的鲁棒性将变坏。 3.4.5 模糊控制和神经网络控制 模糊控制理论自 1965 年提出以来得到了飞速的发展,在控制领域中的应用,尤其在汽 车底盘电子控制系统中的运用更是日渐广泛。模糊控制不需要精确的控制对象模型 ,它是 以大量的经验知识为基础,控制逻辑简洁有效,非常适合于悬架系统的控制。近年来 ,许多 研究人员和工程师用模糊控制的方法对车辆悬架进行大量的研究 ,对提高汽车的平顺性 , 减少车辆的振动起到了一定的效果。神经网络以其强大的非线性映射能力、自学习适应能 力、联想记忆能力、并行处理方式及优良的容错性能,作为一种并行分布式处理系统,它具 有自动知识获取、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推理能力 ,故在汽车悬架控制中 有广泛的应用前景。但神经网络有难以保证解的唯一性 ;局域性差;基函数非正交,收敛速 度慢;难以确定逼近的分辨尺度等不足。模糊控制和神经网络控制是建立在专家知识和经 验的基础上的,人为因素在其中占据着很重要的角色,而不是依赖于控制对象的模型,因此 是一种智能控制。 3.4.6 综合控制方法 车辆悬架控制方法的研究几乎涉及到控制理论的所有分支 ,当前应用于汽车悬架振动 控制的控制策略很多 ,而得到的效果只能说是优越于被动悬架。原因是各种控制策略都有 自身无法弥补的缺陷 ,解决办法就是将两种甚至多种控制策略相结合 ,对悬架进行综合控 制。纵观车辆主动、半主动控制领域,只运用一种控制策略的成功案例并不多见,而采用综 合控制策略的成功应用却很多。采用综合控制方法则往往能得到意想不到的结果 ,如采用 自适应控制与最优的联合控制;滑模、反馈与模糊控制的复合;滑模、自适应与模糊控制的 复合;神经网络控制与模糊控制的复合等。研究表明,利用综合控制方法更适用于汽车、悬
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架这样复杂非线性系统的建模与控制,所以综合控制方法是今后控制策略研究的一个重要 方向。

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第 4 章 电控悬架系统的检修 4.1 基本检查
随着汽车速度的提高,对汽车的性能也提出了更高的要求。传统的悬架限制了汽车性 能的提高。通过采用电子技术实现汽车悬架的控制,既能提高汽车乘坐的舒适性,又能提 高汽车操纵的稳定性。近年来,人们不断开发适应各种行驶工况的最优悬架控制系统。在 车辆,尤其是高档车中,相继出现了性能更加优越的各种电子控制悬架系统。随之而来的 电控悬架的检测与维修也进入我们日常的检修范围。 1.车身高度调节功能检查 通过操作高度控制开关来检查汽车车身高度的变化。步骤如下: (1)检查轮胎充气压力是否正确,前轮 230kpa 后轮 250kpa。 (2)检查汽车高度。 (3)起动发动机,将高度控制开关从“NORM”位置切换到“HIGH”位置。从操纵开 关到压缩机启动约需 2s,从压缩机启动到完成高度调整所需的时间 20~40s,汽车车身高 度的变化量 10~30mm。 (4)在汽车处于“HIGH”高度时,启动发动机并将高度控制开关从“HIGH”位置切 换至“NORM”位置。从操作控制开关到排气约需 2s,从开始排气到完成高度调整所需的时 间 20~40s,汽车车身高度的变化量 10~30mm。 2.减压阀检查 迫使压缩机工作以检查减压阀的动作,步骤如下: (1)将点火开关转到 ON 位置,连接高度控制连接器的端子 3 和 6,使压缩机工作, 注意:连接时间不能超过 15s。 (2)压缩机工作一段时间后,检查减压阀应有空气逸出。 (3)将点火开关转至 OFF 位置。 (4)清除故障代码。 3.漏气检查 检查空气悬架系统的软管、硬管及其连接处是否漏气。步骤如下: (1)将高度控制开关切换至“HIGH”位置,升高车身。 (2)发动机熄灭。
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(3)在软、硬管连接处涂抹肥皂水检查是否有漏气。 4.车身高度初始调整 此项调整是使车身初始高度处于标准范围内。调整时,高度控制开关必须在“NORM” 位置,汽车要停在平坦的路面上。步骤如下: (1)检查车身高度。 (2)测量高度传感器控制杆的长度标准值为:(前)59.3mm﹑(后)35.0mm。若测量 值不符,则按下述(3)进行调整。 (3)调整车身高度。 拧松高度传感器控制杆上的 2 个锁紧螺母;转动高度传感器控制杆螺栓以调节长度, 螺栓每转一圈,车身高度的改变量约为 5mm﹔检查长度,应小于 10mm(前)﹑14mm(后); 暂时拧紧 2 个锁紧螺母,再次检查车身高度﹔车身高度合格后,拧紧锁紧螺母。在拧紧锁 紧螺母时应确保球节与托架平行。

4.2 电路检测
1.高度传感器电路检测(如图 4.1 所示)。

图 4.1 高度传感器检查

(1)检查悬架 ECU 插接器端子 SRS、SBL 与车身接地之间的电压。拆出仪表台下的杂 物箱,将点火开关拧到“ON”位置,测量悬架 ECU 插接器端子 SRS、SBL 与车身接地之间 的电压,若测得的实际电压为 0V,说明悬架 ECU 插接器端子 SRS、SBL 与车身接地之间存 在断路(两端子的正常的电压约为 5V) 。 (2)检查高度传感器。拆卸前轮,拆出前翼子板衬里,脱开高度传感器连接器,拆 下高度传感器。将 3 只 1.5V 的干电池串联起来,将端子 2 与干电池正极连接、端子 3 与 干电池负极连接,在端子 2 与 3 之间施加约 4.5V 的电压,使控制杆缓慢地上、下移动,
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检查端子 1、3 之间的电压。正常位置时,电压为 2.3V,低位置时为 0.5~2.3V,高位置 时为 2.3~4.1V。检查后高度传感器时,将端子 3 与干电池正极相连,端子 1 与干电池负 极连接,在端子 3 与 1 之间施加约为 4.5V 的电压;使控制杆缓慢的上、下移动,同时检 查端子 2、1 之间的电压。测得当控制杆处于低位置时的电压为 0.5~2.0V。当控制杆处于 高位置时电压约为 2.3~4.1V。 2. 转向传感器电路检测 (1)检查悬架 ECU 连接器端子 SS1 和 SS2 与车身接地之间的电压。 拆出仪表台下的手套箱,接通点火开关。慢慢转动方向盘,测量悬架 ECU 连接器端子 SS1 和 SS2 与车身接地之间的电压。正常值在 0~5 V 之间变化。 (2)检测转向传感器连接端子电压。 拆下转向盘,脱开转向传感器连接器,接通点火开关,测量转向传感器连接器端子 1、 2 之间的电压。正常值在 9~14V。在转向传感器旋转部分慢慢转动的同时,测量转向传感 器连接器端子 7、8 与 2 之间的电压。正常值在 0~∞V 之间变化。 3.制动灯开关电路检测 (1)踩下制动踏板时,制动灯开关接通,蓄电池正极电压施加在 ECU 连接器端子 STP 上。拆出仪表台下的手套箱,接通点火开关。 (2)在踩下和松开制动踏板的同时,分别测量悬架 ECU 连接器端子 STP 与车身接地 之间的电压。正常值松开时 0~1.2V;踩下时 9~14V。若不正常,则需要进一步检查配线 连接器以及悬架 ECU。

4.3 故障检修案例
1.故障现象:一辆奔驰S350汽车,行驶中右前轮处突然一声巨响,随后车身高度立即 下降至最低位置,致使车辆无法行驶。 故障分析与检修:接通点火开关,仪表板上显示“ AIR MATIC VISITWORK SHOP”(空 气悬架系需要维修)。起动发动机并挂入档位后,仪表板上显示“AIR MATIC STOP CARTOO LOW”(空气悬架系统故障,停车!车身太低)。按下仪表板上的车身高度控制按钮,车身不 升高。 根据以上检查结果,可以断定该车的空气悬架系统有故障。将车升起,拆下发动机下 护板,发现空气悬架系统空气泵已经损坏,其中的干燥剂也掉下来了;检查该系统其它部 件,发现2个前减振器顶端已经损坏开裂,不能继续使用。 更换损坏的部件后,起动发动机,可听到空气泵工作的声音,同时感觉到车身在升高。
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车身升高后,空气泵仍然继续工作,此时仪表板上显示“AIR MATIC VEHICLE RISING” (空 气悬架系统故障,车身正在升高),说明空气悬架系统还是有问题。初步判断问题应在电 路上,连接DAS诊断仪进行检测,但没有显示故障码,只显示实际值为空气泵一直在工作。 该车的空气悬架系统由空气泵、储压罐、空气分配器、水平位置感测器、控制单元和 前、后减振器等组成,空气泵不受控制持续工作,可能是由于控制单元持续接收到车身升 高信号引起的。 根据故障现象分析,可能的原因有三点,一是空气泵控制元件或其线路有故障:二是 控制单元有故障;三是水平传感器位置不对,导致测量不准确,使空气泵一直工作。 如果控制单元或线路有故障, 一般DAS可以检查出来, 根据用DAS诊断无故障码的情况, 基本可以排除控制单元有故障的可能性。经测量,水平位置传感器的信号电压为2.5V,在 正常范围(2.3~2.7V)内。最后,检查空气泵控制元件及其线路,在发动机室保险丝盒内 找到空气泵控制继电器,用手拍了几下,空气泵停止工作。拆开该继电器检查,发现其触 点已严重烧蚀。更换空气泵控制继电器后,故障排除。 2.故障现象:一辆奥迪 A6L 汽车,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。 故障分析与检修: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。

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结 论
悬架系统是汽车实现操纵稳定性和乘坐舒适性的重要机械结构。车辆悬架系统性能的 优劣直接影响车辆的乘坐舒适性和操纵安全性。传统的被动悬架系统设计参数一旦优化确 定后就无法动态改变,难以使汽车具有良好的平顺性。电子控制悬挂系统可以根据车身高 度、车速、转向角和制动等传感器信号以及不同的路面条件,不同的载重质量,由电子控 制单元(ECU)控制悬架执行机构,从而改变悬系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度 等参数,从而使汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性达到最佳。电子控制主动悬架代表了目前 汽车悬架的发展方向。 本论文首先介绍汽车悬架的发展历程、对汽车悬架系统的要求、汽车悬架的分类,说 明了汽车悬架的重要性。同时着重分析了电子控制主动悬架的结构组成和工作原理及刚度 控制、阻尼控制、车高控制的过程。最后简单介绍电子悬架的检修。电控主动悬架性能优 越,由于成本原因还只能成为高级轿车和豪华客车的装备。我认为它的研究重点在于高性 能的减震器和执行器。采用新型电控技术,研究和开发一类控制有效、能耗低、造价合理 的无级可调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略将是主动悬架走向大众的必经之路。由 于每种车型的电子悬系统具体结构不尽相同,特别是采用不同的动力源系统时,其机理不 同,因此具体的检修方法和步骤会有所不同。无论其结构怎样变化,都是从基础的结构上 发展过来的,因此主要掌握其基本原理和基本的维修技术,对于进一步熟练掌握其维修技 术并不困难。

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致 谢
在本论文完成之际,首先向 XXX 工程师致以诚挚的谢意。在论文写作过程中 X 老师给 了我许许多多的帮助和关怀。他学识渊博,治学严谨,带人平易近人,在郝老师的悉心教 导中,我不仅学到了扎实的专业知识,也在怎样处人处事方面收益很多,同时他对工作的 积极热情,认真负责,有条不紊,实事求是的态度,给我留下深刻的印象,使我受益非浅。 在此我谨向 X 老师表示忠心感谢和深深的敬意。 同时,我要感谢我们学院给我们授课的各位老师,正是由于他们的传道受业,也让我 们学到专业知识,并从他们学到如何求知治学,如何为人处世。 我也要感谢我们的母校安阳工学院,是她提供了良好的学习环境和生活环境,让我的 大学生活丰富多彩,为我的人生留下精彩的一笔。 另外衷心感谢我的同窗同学们和师兄姐们,在我毕业论文中写作中,与他们的探讨交 流使我受益,同时他们也给了我很多无私的帮助和支持。

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参考文献
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