汽车电子电气第12章汽车舒适性系统

1、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。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。实时采集悬架速度信号控制器控制器

2、判断电磁阀通断改变改变减振减振器阻器阻尼系尼系数数电磁阀工作状态电磁阀工作状态动画演示动画演示 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。 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，

3、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

4、、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，

5、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

6、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

7、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。 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

8、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。 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

9、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。 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。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

10、，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。该质量绕通过车身质心的横轴y的转动惯量为， y I 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。m 1 当汽车对称于其纵轴线且左、右车轮经过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

11、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上的三个集中品质路面的不平度函数x(I)= y(I) ，此时车身只有 = + + + 0 ) ( ) ( ) ( 1 2 1 2 1 1 1 q z K z z K z z C z m t & & & & = + + 0 ) ( 1 2 1 1 1 z K z z K z m t & &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：m2z2 +C(z2 z1)+ K(z2 z1) = 0 & & &

12、;m2z2 + K(z2 z1) = 0 &无阻尼自由振动时 C = 0 ，运动方程简化为= (2 (1+ )1)2 + 4 22 121+ 4 22 & z &2q &12 = g FdGq &122 1 =fdq &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

13、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。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。 i，控制器输出增大悬架阻尼控制信，控制器输出减小悬架阻尼控制信 在悬架控制单元中，事先设定了一个目标控制参数，它

14、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i，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号。 （3）如果是号。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

15、车转向时侧向力的大小，从而控制车身的侧倾。 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 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，并将计算结果与内存的数据进行比较后，向执

16、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。 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。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

17、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。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态发生变化时，被动汽车的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型，通过跟踪一个预先定义的参考模型，获得任何非线性时变悬架模型的最优性能，这种性能依赖于包含前馈控制器和辅助控制器参数的自适应控制规则实现。把非线性“滑模”控制规则应用于电液悬架系统，控制器依赖精确的悬架系统模型，采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统改善汽车的行驶

18、性能，这种控制方法在德国大众汽车公司的底盘上已经得到了应用。 2. 最优控制方法 应用于汽车悬架控制系统的最优控制方法可分为线性最优控制、最优控制和最优预见控制三种。 线性最优控制是建立在系统模型较为理想的基础上，采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指针，同时保证受控系统动态稳定性条件下实现最优控制。 控制是设计控制器在保证死循环系统各回路稳定的条件下，使相对于噪声干扰的输出取极小的一种最优控制方法。为了仿真由于车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系数以及车辆结构高频柔度模态等变化不确定的误差，应用控制方法可实现汽车悬架振动控制具有较强的鲁棒性。 最优预见控制是利用汽车车轮的扰动信息

19、预估路面的干扰输入，其策略就是把所测量的状态变量回馈给前、后控制器实施最优控制。这种预见控制的方法，可以弥补因系统响应速度不足所带来的缺陷而提高控制性能，降低系统控制能量峰值和控制能量消耗量。 3. 模糊控制 模糊控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法，其最大特点是允许控制对象没有精确的数学模型，使用语言变量代替数字变量，在控制过程中包含有大量人的控制经验和知识，与人的智能行为相似。 自90年代以来，模糊控制方法被应用在汽车悬架系统中。日本德岛大学芳衬敏夫教授把模糊理论应用于汽车悬架半主动和主动控制系统，采用模糊推理分别构成半主动和主动控制规则，进行计算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动

20、，其结果证实了采用模糊控制方法的有效性。汽车电控悬架要实现的功能 车速路面感应控制 车身姿势控制 车身高度控制车速路面感应控制 这种控制方式主要是随着车速和路面的变化改变悬架的刚度和阻尼，使之处于“软”或“硬”状态，“硬”状态有时又称为“运动（SPORT）”状态，每一种状态中又按刚度和阻尼的大小依次有低、中、高三种状态。“软”模式中，悬架经常处于低刚度和低阻尼状态，而在硬模式中，悬架经常保持在“中”状态，按照不同的控制模式，悬架由微机控制在三中状态之间根据车速和路面的变化情况自动的调节悬架刚度和阻尼，使车身振动保持在最佳状态。车身姿势控制 在车速和转向急剧变化时，会造成车身姿势的急剧变化，既破

21、坏了汽车的乘坐舒适性，又容易使汽车失去稳定性。所以随着车速和转向的急剧变化，应对车身姿势实施控制，实现三种控制功能：转向时车身侧倾控制，制动时车身点头控制，起步时车身俯仰控制。车身高度控制 车身高度控制分为正常（NORMAL）和高（HIGH）两种控制模式，按车身的高度从低到高的顺序，每种控制中又分为低、中、高三种状态。在正常模式中，车身高度经常处于中状态，而在高模式中,车身高度经常处于高状态。在通常情况下，车身的高度不受乘员人数和装载重量变化的影响，由控制装置将汽车车身保持在所选模式的经常行驶高度。在高速行驶或在特别的环境路面行驶时，车身高度根据所选择的模式不同，使汽车高度在控制装置的控制下自

22、动在低、中、高三种状态间进行切换，使汽车经常处于稳定的行驶状态。这种控制方式包括两种控制功能：高度感应控制和连续坏路面行驶控制。汽车环境控制系统 汽车空调系统 随着汽车工业的发展，汽车越来越成为人们生活中不可缺少的交通运输工具，而且随着生活水平的提高，人们已开始追求乘坐 的 舒 适 性 。 汽 车 空 调 系 统 （ AirCondition，略称AC）是指能对车内空气进行调节的系统。车内空气质量很大程度上影响乘坐的舒适性。汽车空调系统的工作原理 根据热力学定律，温度不同的两个相邻物体之间恒有热的流动，热将从较热的物体流向较冷的物体。要想冷却车的内部，就得逆转热的自然流动，尽可能使车内和车外互

23、相隔离。车身金属和玻璃从车外吸收的热，应不停地排出去。只有这样，我们才能达到预期的目的。 （1）压缩使蒸发器吸收热量后的低压低温制冷剂气体，经压缩机吸入并压缩后，变为高温高压气体，然后送入冷凝器。（2）冷凝高温高压的制冷剂气体进入冷凝器后，与环境空气进行热交换，放出热量。使得制冷剂在蒸发器中所吸收的热量和压缩机做功所产生的热量同时吸收传入大气中。 （3）节流 高压的制冷剂液体由冷凝器中排出，经膨胀阀流向低压一侧，这里是制冷系统中高、低压的分界线，膨胀阀有节流作用，它使制冷剂液体减压节流后变为低压液体和气体的混合物进入蒸发器。 （4）蒸发经节流后的低压制冷剂进入蒸发器中就进行汽化，变成低压低温蒸

24、汽，吸收车内空气的热量而使车内温度降低。由于压缩机不停地工作，上述过程就连续不断地进行循环，汽车空调系统就能创造出适宜的空气来以满足人们的需要。汽车自动空调 汽车自动空调系统是指当驾驶员设定汽车内的温度后，能根据车内、外条件的变化，自动变换制冷或供暖状态，调节制冷或供暖强度，使汽车室内温度保持在设定范围的空调系统。电控式自动空调系统 为方便统一控制，空调模式选择也可利用电力控制的方式，称为电控自动控制。它与带真空回路自动空调系统不同处在于：（1）模式选择和风门调节控制不是通过真空回路，而是电机控制方式；（2）全电控自动空调便于利用微处理机对空调进行更灵活调节控制，便于故障诊断，为进一步整车统一

25、控制准备条件。 车内噪声控制系统 随着人民生活水平的提高，对汽车乘座舒适性的要求越来越高，汽车车内噪声控制日益受到人们的重视。几乎汽车所有声源都会在汽车内产生噪声，加之其本身对外部噪声可能有放大作用，且本身也会产生噪声。车内噪声控制系统1. 减弱噪声源以降低其噪声级（1）发动机噪声的屏蔽与隔振（2）车内其它设备噪声的处理2. 隔绝噪声和振动的传入途径（1）车室内的隔振与隔声（2）提高车内密封性以减少噪声的空气传播3. 对车室进行吸声处理4. 车室共鸣与风振现象的消除与防止发动机噪声的屏蔽与隔振 发动机噪声对车内噪声有重要的影响，特别是对于前置发动机的大客车更是如此。降低发动机对车内噪声影响的有

26、效手段之一是对发动机进行屏蔽和隔振传入车身。下图所示为发动机屏蔽的降噪效果。对于大型客车，采用封闭发动机室的方法，降噪效果可达78dB(A)，对车外噪声的降低也十分有利。 决定车身与发动机隔振质量好坏的关键是隔振装置的特性。目前，隔振装置种类很多，如普通橡胶隔振器、液压隔振器、空气隔振器和金属丝网的非线性隔振器等，其中应用最多的是普通橡胶隔振器。由于它们的特性参数如刚度值、阻尼值等有一定的差别，致使车身振动噪声值不同。下图所示为两种隔振器条件下，车内噪声值的差别。由图可知，装用液压隔振器的车内噪声较装用普通橡胶隔振器的要低。车内其它设备噪声的处理 汽车空调噪声的主要来源有动力源噪声，冷热风流动时的摩擦声和冲击声等等。空调制冷机的动力源，对于大客车为独立的辅助发动机，考虑到燃料的统一性，其也多为柴油机。为降低车内噪声，可以将这种辅助发动机改型为噪声相对较低的汽