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358第12章汽车舒适性控制系统12.1汽车电控悬架系统12.1.1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）和测相反力，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。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。例如，为提高汽车的行驶平顺性，要求弹簧的刚度比较小，以满足汽车行驶在不平路面上时车轮有较大的运动空间，其结果必将导致汽车在行驶过程中，由于路面的颠簸而使车身位移增大，使汽车的操纵稳定性变得很差；反之，为提高汽车的操纵稳定性，要求较大的弹簧刚度和较大的减震器阻尼力，以限制车身过大的运动（如汽车转弯行驶时的车身侧倾，汽车紧急制动时的点头和加速行驶时的后蹲现象），但这时即使汽车行驶在最光滑、最平坦的良好道路上，也会使汽车车身产生颠簸，从而影响汽车的行驶平顺性。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。但是，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，359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。根据悬架的控制方式，电子控制悬架分为半主动悬架和主动悬架两大类。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。另外，根据悬架介质的不同，又可分为油气式主动悬架和空气式主动悬架两种。在汽车工程领域里，人们往往把具有自动调节的可控阻尼减振器的半主动悬架也称作主动悬架。因此，根据系统的完全和先进程度，主动悬架系统可以广义地包括以下一些形式：（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。概括起来，主动悬架系统具有以下几个主要的功能和特点：1）增强汽车的行驶平顺性和乘坐舒适性主动悬架能够有效地抵抗地面的不平造成对汽车车身产生的垂直振动，因此它能够极大限度地改善汽车在不平路面上行驶平顺性和舒适性。在汽车拐弯时，主动悬架也能自动提供车身抗侧倾的功能。2）改进轮胎和路面的接触和轮胎的动态载荷通过对主动悬架控制的优化设计，轮胎和路面的接触(附着)条件可以得到优化，减少作用在轮胎上的动态载荷。3）改善汽车的操纵稳定性操纵稳定性的改善主要是通过两个方面得到实现：一方面，悬架的设计可以在不牺牲乘坐舒适性的同时，充分满足汽车操纵稳定性的要求。另一方面，在不平路面上，轮胎和路面的附着条件也得到改善，从而使汽车的动态特性得到改善。4）改进汽车的安全性汽车安全性的改进主要通过三个方面得到实现：汽车操纵稳定性的改善显然大大地增强了汽车的安全性；轮胎和路面附着条件的改善也使汽车不容易失控；通过对主动悬架的控制可以控制各个轮胎的动态载荷分布和侧偏角，直接控制影响汽车操纵稳定性的过度转向和不足转向。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存在的矛盾通过对主动悬架控制，悬架的等效刚度和阻尼系数可以实时连续变化，同时满足在不同工况下操纵稳定性要求和平顺舒适性的不同要求。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360化较大的SUV和轻卡，传统的悬架设计无法同时满足在不同载荷条件下稳定性或舒适性的要求。（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。人们往往把装有可控阻尼减振器的悬架系统称为主动悬架系统，但更确切地，而且是更多人把它叫作半主动悬架，因为该悬架系统中只有减振器的阻尼是可以被控制的。系统根据不同的路面条件和汽车行驶工况，通过实时控制，连续不断地自动调节减震器的阻尼使之始终工作在最佳值附近。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。根据工作原理，可控阻尼减振器主要有两大类：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，例如Delphi的BSRTD。与二级式可变阻尼减振器相对应，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，例如Delphi的CVRTD。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。最近出现的可控减振器技术应用特殊的硅质流体减振液作为阻尼器的介质，称为MR流体(磁流体)。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。这种流体使得阻尼器不再需要机械式阀门—无阀式可控减振器，减振器的阻尼可以连续调节，也比较容易控制，这种系统用很少的电能，且反应很快，阻尼调节速度可达每秒1000次，无阀式可控减振器技术使之很容易与其它底盘控制系统进行一体化。DelphiAutomotive的MagneRide悬架的减振器控制用的就是这种技术，它是目前世界上最先进的可控阻尼系统，用于GM的Cadillac汽车，如2002的CadillacSevilleSTS的减振器--标准配置、2004的CadillacXLR和SRX。（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。主动抗侧倾系统可以说是主动悬架的一个分支。该系统是通过控制侧倾扭杆(横向稳定杆)上的抗侧倾扭矩来实现的。在传统的侧倾扭杆(横向稳定杆)上装上了抗侧倾驱动装置，而驱动装置又由电子控制器来控制。控制系统根据转弯的强度提供适当的作361用在车身上抗侧倾所需要的力矩。驱动装置一般是液压式的，按其工作原理又分旋转式和线性式两种。按其在整车上的布置，抗侧倾功能又可以通过单信道或双信道控制系统来实现。主动抗侧倾控制系统所具有的功能特点可以概括如下：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。不像设计传统的悬架系统时那样，往往为了保证操纵性而不得不牺牲舒适性；侧向加速度在0.5g以下时，控制系统可以基本消除车身的侧倾角；当侧向加速度超过0.5g时，控制系统允许车身的侧倾角明显增加，以给驾驶员适度的感觉，以提醒驾驶员汽车已接近物理极限。（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。概括起来，车身高度调节系统具有以下主要功能特性：补偿载荷变化，使车身高度在各种载荷下保持恒定；补偿汽车上载荷的变化产生对悬架系统设计要求的变化，使汽车在满载和空载时的动力学特性不致相差太远；在一定程度上帮助缓解各种性能提出的对设计要求的矛盾(车身高度、舒适性和操纵稳定性)；使悬架的设计在最大限度上保证舒适性和操纵稳定性；能补偿前后左右的不均匀载荷分布；使车身和车灯保持水平——增强安全性。12.1.2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。图12-1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2m，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yI，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1m。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。图12-1四轮汽车简化的三维模型图362图12-2双轴汽车简化的平面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IyIx，此时车身只有垂直振动z和俯仰振动，