车辆座椅变刚度变阻尼减振的研究

摘 要: 基于双磁流变阻尼器构建了变刚度变阻尼的座椅半主动减振系统，建立了人体-座椅的2 自由度动力学模型；对该半主动变刚度变阻尼系统的座椅减振方式采取了开关控制算法。将系统模型在 MATLAB—SIMUlink 中进行相应的建模仿真，并与被动减振模型进行对比分析。仿真结果表明，人体加速度均方根值要减小72.8% ，人体垂直位移均方根值要减小18.4%，大幅度降低了人体所受的振动强度，能有效地改善座椅的减振效果。

关键词: 车辆; 座椅; 减振; 变刚度; 变阻尼; 磁流变阻尼器; 开关控制

目前，工程车辆的驾驶员长时间承受低频高强度振动，严重损害司机的身心健康，降低了工作效率．开展车辆座椅减振系统的研究，对提高施工效率、保障人员和机械安全以及提高汽车乘坐舒适性有着十分重要的意义。

刚度和阻尼可变的半主动减振系统已经被证实有很好的使用性能，可以使车辆在不同的行驶环境中保持平稳舒适． 许多研究者都提出过用可变阻尼系统提供有效的振动控制这种基本想法，但是，他们提出的可变刚度控制装置结构都很复杂，在很多应用中实施难度都很大［1-2］，需要进一步改进。

磁 流 变 阻 尼 器 ( magneto-rheological fluid damper，简称 MRFD) 在汽车稳定性控制方面具有广阔的应用前景，通过对磁流变阻尼器组成的半主动变刚度变阻尼系统［1］座 椅的研究， 在MATLAB—SIMUlink 中进行相应的仿真分析，实现改善座椅的振动特性， 提高乘坐的舒适性的目的。

1.  数学模型

人体座椅模型采用 2 自由度模型． 座椅的半主动减振系统与传统的半主动减振系统在结构上的不同之处在于: 该系统是在原有的减振系统中多加了Vogit 单元与弹簧串联。 见图 1。



图中: m1为座椅质量; m2为人体质量; c1、cm是两个可调阻尼器的阻力系数; k1

、km是系统的弹簧刚度; k2 、c2 为人体与座椅接触部位的等效刚度系数和阻力系数; z0悬架传递给人体座椅系统的垂直位移; zm 为悬架与座椅间的位移; z1 、z2 分别为座椅和人体在路面激励下产生的垂直位移。

系统模型有 2 个可控阻尼器( 阻尼器 1 和阻尼器 m 分别对应阻尼系数 c1 和 cm ) 和两个弹簧( 弹簧1 和弹簧 m 的对应刚度为 k1 和 km ) ，如图 1 所示。阻尼器 m 和弹簧 m 组成一个 Vogit 单元， 这个Vogit 单元和弹簧 1 串联。两个弹簧的刚度值是固定的。但是，系统的有效刚度可以通过可控阻尼器m 来改变。如果阻尼器 m 的阻尼系数特别小，整个系统的刚度 k 就会接近弹簧1 和弹簧m 串联时的总刚度 k =k1 km/( k1 + km ); 如果阻尼器 m 的阻尼系数足够大，整个系统的刚度 k 就相当于弹簧 1 的刚度k = k1。阻尼器 1 为整个系统提供可变阻尼。

根据牛顿第二运动定律建立 2 自由度的人椅模型的运动微分方程：





2.  控制算法的研究与选取

2. 1  开关算法

由于文中的变阻尼变刚度系统的两个阻力系数都是可变的，并且目前在半主动控制算法中，开关 控制是比较常用的算法，因此，考虑采用开关控制。1974年， Crosby 和 Karnop 提出了 “天棚” ( Skyhook) 阻尼控制算法［3］，天棚阻尼控制算法是开关控制中的一种，可以表示为


2. 2  控制方法

采用的控制方法是通过 c1on 、cmon 、c1off 、cmoff 的组合产生的，见表 1．

表 1控制方法表


第1 种、第2 种方法均为被动减振系统，虽然结构简单，但是不能达到很好的减振效果。第 3、4种方法为变阻尼系统，第 5、6种方法为变刚度系统， 这4 种控制系统技术已经成熟，是目前应用较广泛的半主动减振系统，但他们只能单一的实现系统阻尼或者刚度的可变． 第7 种系统就是文中研究的重点———变刚度变阻尼的半主动减振系统． 在该系统中，系统的2 个阻尼器的阻尼系数随着不同的外界激励而改变，而不需要主动减振系统那样的外置附加动力装置提供动力来调节系统阻尼或刚度，就可以轻易实现对系统刚度和阻尼的同时调节，既可以达到较好的减振效果，又能节约成本和布置空间。

3.  仿真分析

3.1  仿真数据

人体座椅减振系统的参数见表 2．




3. 2  MATLAB—SIMUlink 仿真

将各参数及值写入 MATLAB 的 m 文件中保存， 在 MATLAB—SIMUlink 中建立汽车座椅变阻尼变刚度的半主动减振系统模型如图 2 所示．

在路面白噪声激励作用下，变刚度变阻尼的半主动车辆座椅减振模型使得人体在垂直方向上的加 速度与垂直位移如图 3、图 4 所示． 被动减振系统的人体的垂直方向上的加速度与垂直位移如图 5、图 6 所示．

由仿真结果可知，变刚度变阻尼的半主动座椅减振系统与被动的座椅减振相比，人体加速度均方根值要减小 72. 8 % ，人体垂直位移均方根值要减小 18. 4 % 。




对比上面的计算结果，可以确定在转速为3 600 r/min时与最大扭矩 64. 167 2 N·m 所对应的空燃比为 13. 6，即该转速的最优空燃比． 运用同样的方法，对输入初始参数的发动机模型进行运算，得出 2 800 ～ 3 600 r/min( 步长为 200) 转速范围内各转速对应的优化前发动机扭矩值，然后，调整空燃比，得出该转速范围内，各转速的优化后，发动机扭矩值，与优化扭矩值所对应的空燃比，即为与该转速对应的最佳空燃比，结果见表 3．



结 论

在单纯考虑发动机的动力输出为优化目标的前提下，通过仿真分析对使用乙醇汽油混合燃料( E10) 发动机空燃比的有效优化方法进行了探讨，得到了不同工况下的空燃比的最优值，为改善发动机的动力性提供了理论依据． 同时取代了单靠台架试验的优化方法，缩短了研发周期，降低了研究成本． 但是，空燃比对发动机的性能的影响，还包括了经济性、排放性等多个方面，如何在全面考虑各个性能指标的情况下，求得空燃比的最优值，以及对空燃比影响因素的确定和改进等问题，将成为我们进一步的研究方向

参考文献:

［1］谈 建，滕 勤，钱叶剑． 汽油机燃用乙醇汽油和无铅汽油的试验比较［J］． 研究与实验，2006 ( 5) : 42 － 45．
［2］ 金英爱，高 青，玄哲浩． 点燃式发动机燃烧过程模拟分析及临界爆震预测［J］． 燃烧科学与技术，2003，9( 6) : 521 － 524．
Diplom-Ingenieur Gert Schreiber。Untersuchung von Verbesserungspotentialen hinsichtlich Verbrauch und Drehmoment bei Ottomotoren mit Hilfe 1-dimensionaler Simulationsrechnung ［C］． Kaiserslautern: Technical
University of Kaiserslautern，2006: 30 － 32．
［4］刘永长． 内燃机热力过程模拟［M］． 北京: 机械工业出版社，2001．