第十二章-汽车舒适性控制系统

第十二章汽车舒适性控制系统主要内容12.1汽车电控悬架系统电控悬架系统的作用和分类汽车悬架振动的基本模型电控悬架系统结构和工作原理电控悬架系统的控制方法车身高度调节系统12.2汽车环境控制系统汽车空调系统车内噪声控制系统车内照明系统一、电控悬架系统的作用和分类悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的所有传力连接装置的总称。作用：除了缓冲和吸收来自车轮的振动之外，还把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和测向反力，以及这些反力所造成的力矩都传递到车架（或承载式车身）上，从而改变了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，以保证车辆正常行驶。12.1汽车电控悬架系统控制器实时采集悬架速度信号判断电磁阀通断电磁阀工作状态动画演示传统的悬架系统主要由等弹簧（如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等）、减震器、导向机构及弹性轮胎组成。弹簧、减振器和轮胎的综合特性确定了汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。但是，机械装置的基本规律指出：良好的行驶性能和良好的操纵性能在使用定刚度弹簧和定阻尼减振器的传统悬架系统中不能同时满足。由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标，所以理想的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减震器阻尼，这样既能满足行驶平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。实际的设计只能是根据某种路面附着情况和车速，兼顾各方面的要求，优化选定一种刚度和阻尼系数。这种刚度和阻尼系数一定的悬架只能被动地承受地面对车身的冲击，而绝对不能主动地控制这些作用力，所以称为被动悬架。汽车在行驶过程中，路面附着情况和行驶车速是变化不定的。因此，这种刚度和阻尼系数都不可调节的被动悬架不可能在改善汽车的乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性方面有大的作为，进而无法达到悬架控制的理想目标。随着高速公路网的发展，汽车车速有了很大程度的提高，而传统的被动悬架系统限制了汽车性能的进一步提高，现代汽车对悬架系统的要求除了能保证其基本性能外，还致力于提高汽车的行驶安全性和乘坐舒适性，同时还向高附加值、高性能和高质量的方向发展。随着电子技术、传感器技术飞速发展，以电子计算机为代表的电子设备，因性能的大幅度改善和可靠性的进一步提高，促使汽车电子装置的高可靠性、低成本和空间节省，使电子控制技术被有效的应用于包括悬架系统在内的汽车的各个部分。现代汽车中采用的电子悬架控制系统，克服了传统的被动悬架系统对其性能改善的限制，该系统可根据不同的路面附着条件、不同的装载质量、不同的行驶车速等来控制悬架系统的刚度，调节减振器阻尼力的大小，甚至可以调整汽车车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下都能达到最佳组合。1.半主动悬架半主动悬架是指悬架组件中的弹簧刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节。因为调解阻尼仅消耗能量，不需要外加能量源，所以为减少执行组件所需的功率，主要采用调节减振器的阻尼系数法，只需提供调节控制阀、控制器和回馈调节器所消耗的较小功率即可。可以根据路面的激励和车身的响应对悬架的阻尼系数进行自适应调整，使车身的振动被控制在某个范围之内。半主动悬架是无源控制，因此，汽车在转向、起动、制动等工况时不能对悬架刚度和阻尼系数进行有效的控制。2.主动悬架主动悬架又称全主动悬架，它是一种有源控制，具有做功能力的悬架，它需要外加能量源。通常包括产生力和转矩的主动作用器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等）、测量组件（加速度、位移和力传感器等）和反馈控制器等。当汽车载荷、行驶速度、路面附着状况等行驶条件发生变化时，主动悬架系统能自动调整悬架系统的刚度和阻尼系数（包括整体调整和单轮调整），从而能够同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性等各方面的性能要求。此外，主动悬架还可根据车速的变化控制车身的高度。根据系统的完全和先进程度：(1)完全主动悬架系统传统的悬架弹簧和减振器都被电控的主动悬架驱动器所取代，所以悬架中已不存在传统的弹簧和减振器。功能和特点：1)增强汽车的行驶平顺性和乘坐舒适性。2)改进轮胎和路面的接触和轮胎的动态载荷。3)改善汽车的操纵稳定性。4)改进汽车的安全性。5)有助于解决在悬架设计中操纵稳定性要求和平顺舒适性要求之间6)有助于解决在悬架设计中重载和轻载要求之间存在的矛盾，尤其是对于载荷变化较大的SUV和轻型货车，传统的悬架设计无法同时满足在不同载荷条件下稳定性和舒适性的要求。存在的矛盾。(2)半主动悬架系统传统的减振器被电控的可控阻尼减振器所取代，系统还保留传统的悬架弹簧。在控制系统中，车身和车轮的振动是通过装在四个悬架上的位移传感器测得的。有的系统也在每个车轮位置装有加速度传感器，测量非簧载质量的垂直振动。系统中附加的传感器包括方向盘转角。系统也可与ABS系统或VSC系统进行一体化。1）机械式可变阻尼减振器传统的可变阻尼减振器悬架系统应用机械式的可控阀门来实现的，它是通过电子控制器控制减振器中的电磁阀来调节阻尼机械式可变阻尼减振器又有二级式可变阻尼减振器悬架系统和连续可变阻尼减振器悬架系统两种。在二级式可变阻尼减振器悬架系统中，减振器的阻尼值只有高低两檔，而不是连续可变的。阻尼的高低是控制器根据路面条件和汽车行驶状况自动实时调节的。这种减振器现在应用于多功能SUV车和高档轿车。连续可变阻尼减振器悬架系统中的减振器的阻尼值是连续可变的。控制器根据路面条件和汽车行驶状况连续自动调节减振器的阻尼值，使之始终工作在最佳状态。因此，这种减振器性能更好，控制更平顺。2）磁流体可控阻尼减振器这种减振器应用MR流体(磁流体)作为阻尼器的介质。这种可控阻尼减振器是通过控制阻尼介质中的磁场来达到调节阻尼介质的流体特性，从而达到控制阻尼的目的。在这种减振液中掺了一些微小的铁质，因此，在磁场的作用下，减振液的物理特性能够发生变化，会变稀或变厚，从而阻尼系数随之而变。磁场是由减振器中的线圈产生的，通过控制电流实现控制磁场强度，最终达到控制阻尼的目的。（3）主动抗侧倾控制系统悬架系统还是以传统的形式存在，不过，在此基础上增加了由电子控制的主动抗车身侧倾控制系统。悬架系统的刚度和阻尼设计可以重新优化，加强汽车的舒适性和其它动态性能。功能特点：在转弯时降低车身的侧倾，改进汽车的操纵稳定性；降低汽车在拐弯时的车身侧倾和由侧倾引起的翻车事故；降低车身侧倾从而增强乘坐舒适性；即使在正常直线行驶时，使得路面对轮胎的垂直干扰得到隔离，不传到车身和对面的轮子上去，在不平路面上进一步提高了舒适性和路面附着性；有助于汽车动力学工程师解决汽车乘坐舒适性和操纵性之间的矛盾：既可得到较好的舒适性，也可同时保障操纵稳定性。（4）车身高度自动调节系统车身高度自动调节系统可以看作为主动悬架的一个部分，它对汽车悬架系统的设计和汽车的动态特性具有较好的加强作用。该系统必须与悬架中的液压或空气囊组件一起工作，所以系统通常有液压和气压式两种。它通过悬架中的液压装置或气囊来调节汽车的静态高度，使之不随载荷变化，从而可以使优化悬架系统的设计具有更大的空间，达到保证舒适性、操纵稳定性和其它动态性能。有的汽车前后悬架都装有车身高度调节系统，而有的汽车只在后轴装备。二、汽车悬架振动的基本模型汽车是一个非常复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行适当的简化。下图是一个把车身品质看作刚体的三维模型。汽车的簧载质量即车身质量为，它由车身、车架及其上的总成所组成。该质量绕通过车身质心的横轴y的转动惯量为，簧载质量通过减振器和悬架与车轴、车轮相连接。车轮和车轴构成的非簧载质量即车轮质量为。车轮再通过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承在不平的路面上。在讨论汽车平顺性时，这一三维模型的车身质量主要考虑垂直、俯仰、侧倾3个自由度，4个车轮质量主要考虑4个垂直自由度，一共7个自由度。2myI1m图12-1四轮汽车简化的三维模型当汽车对称于其纵轴线且左、右车轮经过路面的不平度函数，此时车身只有垂直振动和俯仰振动，这两个自由度的振动对舒适性影响最大。下图所示汽车简化成4个自由度的平面模型。在这个模型中，又因为轮胎阻尼较小而被忽略，同时把质量m2、转动惯量Iy等效分解为前轴上、后轴上及质心C上的三个集中质量m2f、m2r、m2c。这三个质量有无质量的刚性杆连接。IyIx图12-2双轴汽车简化的平面模型(1)总质量保持不变(2)质心位置不变(3)转动惯量Iy的值保持不变图12-3车身与车轮二自由度振动系统1、汽车悬架的双质量模型汽车悬架的双质量振动模型如上图所示，运动方程如下：0)()()(0)()(1212111121222qzKzzKzzCzmzzKzzCzmt0)(0)(121111222zKzzKzmzzKzmt无阻尼自由振动时，运动方程简化为0C（12-5）（12-6）（12-5）Z1=0时固有频率Z2=0时解为全部代入整理得系统的特征方程图12-4车身部分单质量系统2122241qz212222411gqGFd2121qfd2、主动与半主动悬架的车身车轮二自由度模型主动悬架一般用液压缸作为主动力发生器，代替悬架的弹簧和减振器，由外部高压液体提供能源，用传感器测量系统运动的状态信号，回馈到电控单元，然后由电控单元发出指令控制力发生器，产生主动控制力作用于振动系统，构成死循环控制。半主动悬架的核心部分是采用可调阻尼减振器，其控制逻辑有的和主动悬架类似的死循环，也有根据车速等参数进行开环控制的，它消耗的全部能量只用来驱动控制阀，故耗能很低。图12-6车身与车轮二自由度主动与半主动悬架模型图12-7主动悬架与被动悬架各环节传递特性图12-8主动与被动悬架幅频特性三、电控悬架系统结构和工作原理从行驶平顺性和舒适性出发，弹簧刚度及减振器的阻尼系数应能随汽车运行状态而变化，使悬架系统性能总是处于最优状态附近。但是，弹簧刚度选定后，又很难改变，因此从改变减振器阻尼入手，将阻尼分为两级或三级，由驾驶员选择或根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级。半主动悬架系统通常以车身振动加速度的均方根值作为控制目标参数，以悬架减振器的阻尼为控制对象。半主动悬架的控制模型如下图所示。图12-9半主动悬架控制模型1—控制器2—整形放大电路3—加速度传感器4—簧载质量5—阻尼可调减振器6—悬架弹簧7—非簧载质量8—轮胎当量弹簧在悬架控制单元中，事先设定了一个目标控制参数σ，它是以汽车行驶平顺性最优控制为目的设计的。汽车行驶时，安装在车身上的加速度传感器产生的车身振动加速度信号经整形放大后输入计算机，计算机随即计算出当前车身振动加速度的均方根值σi，并与设定的目标参数比较，根据比较结果输出控制信号：（1）如果是，控制器不输出调整悬架阻尼控制信号。（2）如果是，控制器输出增大悬架阻尼控制信号。（3）如果是，控制器输出减小悬架阻尼控制信号。iii图12-10控制器的悬架阻尼控制过程1、电控悬架用传感器（1）车速传感器车速传感器用来测定车速，一般常用的有舌簧开关式车速传感器，磁阻组件式车速传感器等。图12-11舌簧开关式车速传感器1—舌簧开关2—车速表指针3—弹簧4—转子5—磁铁6—信号线图12-13舌簧开关状态a)开关闭合b)开关打开图12-14磁阻组件式车速传感器的工作原理1—多级磁环2—磁阻组件3—输入轴图12-15转向盘转角传感器的安装位置和结构a)安装位置b)结构1—转角传感器2—传感器圆盘3—遮光器4—窄缝5—转向轴转角传感器用于检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度。在电子控制悬架中，电子控制装置根据车速传感器信号和转角传感器信号，判断汽车转向时侧向力的大小，从而控制车身的侧倾。（2）转角传感器图12-16差动变压器式加速度传感器工作原理1，2—二次线圈3，6—一次线圈4—电源5—芯杆（3）加速度传感器在车轮打滑