汽车电子电气第12章汽车舒适性系统

• 传感器信号放大 用接口电路将输入信号（如传 感器信号、开关信号）中的干扰信号除去，然后 放大、变换极值、比较极值，变换为适合输入控 制装置的信号。
• 输入信号的计算 电子控制装置根据预先写入只 读存储器ROM中的程序对各输入信号进行计算， 将计算结果与内存的数据进行比较后，向执行机 构（电机、电磁阀、继电器等）发出控制信号。 输入控制装置的信号除了开/关信号外还有电压值 时，还应进行A/D变换。
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：
m2z&2 +&C(z2 z1&)+ K(z&2 z1) = 0 =+++
无阻尼自由振动时 C = 0 ，运动方程简化为
m2z&2 +&K(z2 z1) = 0 =+ +
1
& q
&z=& 2
1+ 4 2 2 2
Fd Gq
第十二章 汽车舒适性控制系统
• 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
• 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
• 电控悬架系统的作用和分类
• 悬架是车Hale Waihona Puke Baidu（或承载式车身）与车桥（或车轮）
较好的舒适性，也可同时保障操纵稳定性。
• 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。
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。
• 驱动执行机构 控制装置用输出驱动电路将输出
驱动信号放大，然后输送到各执行机构，以实现 对汽车悬架参数的控制。
• 故障检测 电子控制装置用故障检测电路来检测 传感器、执行器、线路等的故障。当发生故障 时，将信号送入控制装置，目的在于即使发生故 障，也应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。
• 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
• 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。
• 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 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。
电控悬架系统的控制方法
• 1. 自适应控制 • 这种控制算法的原理是当外界激励条件和汽车自身参数状
• 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。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
• 磁流体可控阻尼减振器 这种减振器应用M 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。
• 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x(I)= y(I) ，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、转动惯量等效分解为前轴上、后轴上
及质心C上的三个集中品质
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m ， 2 它由车身、车架及其上的总成所组成。
质量绕通过车身质心的横轴y的转动惯量为， y I
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m。1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。
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。
• 由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架
性能好坏的主要指针，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。
• 3. 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，必须在汽车悬架上装置加速度 传感器。
• 4. 车身高度传感器
• 高度传感器的作用是感测车身高度（汽车悬架装 置的位移量），并将它转换成电子信号输入系统 控制装置。
控制器及其实现功能
&=
g
1
( ) 2 (1+ ) 1 2 + 42 2 2
1
fd q
&=
2
12
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。
之间的所有传力连接装置的总称。它的作用除了 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）和侧向反力，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。
动画演示
实时采集悬 架速度信号
• 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。
• 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 =i ，控制器不输出调整悬架阻尼控制信
号。
• （2）如果是 <i ，控制器输出增大悬架阻尼控制信
号。
>i
• （3）如果是
，控制器输出减小悬架阻尼控制信
号。
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。
• 2. 转角传感器
• 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。
控制器
判
断
电
磁
阀
改变
通
减振
断
器阻
尼系数
电磁阀工作状态
• 传统的悬架系统主要由弹簧（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等组成。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。
阻尼可调减振器
• 减振器工作的基本原理是利用阻尼消耗振动过程 中产生的能量．汽车减振器是利用小孔节流的流 体阻尼技术来实现悬架系统的减振特性，称为液 力减振。阻尼可调减震器一般用于半主动悬架 中。下图为一阻尼可调减震器结构图。阻尼力的 变换通过转子阀转动来实现，转子阀由装在减振 器内的电机驱动，转子阀可按三个阶段变换减振 器内节流口的面积，从而控制减振器阻尼力为三 种不同状态：软、中、硬。