汽車磁流變半主動座椅懸架動態(tài)特性的試驗研究*

寇發(fā)榮

(西安科技大學(xué)車輛工程系，西安 710054)

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2015227

汽車磁流變半主動座椅懸架動態(tài)特性的試驗研究*

寇發(fā)榮

(西安科技大學(xué)車輛工程系，西安 710054)

為進(jìn)一步提高汽車的乘坐舒適性，研發(fā)了一種汽車座椅半主動懸架用磁流變減振器，并對其進(jìn)行阻尼特性試驗，通過分析其受力情況，建立了汽車半主動座椅懸架動力學(xué)模型，設(shè)計了用于座椅磁流變半主動懸架的天棚控制策略，并在隨機(jī)和正弦激勵輸入下進(jìn)行了座椅天棚控制仿真計算，試制了磁流變半主動座椅物理樣機(jī)及試驗臺架系統(tǒng)，開展了磁流變半主動座椅懸架的臺架試驗研究。結(jié)果表明，理論仿真和試驗結(jié)果基本吻合，磁流變減振器阻尼可控性好；相對于被動座椅懸架，采用磁流變半主動座椅懸架后，座椅動態(tài)性能改善了30% 左右，磁流變半主動座椅懸架減振效果顯著。

磁流變減振器；半主動控制；座椅懸架；天棚控制；動力學(xué)特性；臺架試驗

前言

汽車駕駛員長時間暴露于一定強(qiáng)度的振動中，會增加他們的疲勞感，從而降低駕駛員的操作準(zhǔn)確性和工作效率，嚴(yán)重的還將影響到駕駛員的呼吸、視覺靈敏度、語言理解力和心臟功能，從而影響汽車駕駛的安全性。

通過被動式座椅的改進(jìn)，來提高乘坐舒適性方面的研究主要體現(xiàn)在：對座椅結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和軟墊的改進(jìn)[1-3]。但這些都未能很好地解決座椅受到低頻率、大幅值的振動時隔振效果較差的問題。采用可控的座椅懸架進(jìn)行減振控制是解決這一問題的有效方法[4-6]。

可控座椅懸架根據(jù)是否提供動力源和調(diào)節(jié)對象的不同，又可分為主動座椅懸架和半主動座椅懸架。半主動座椅懸架介于主動座椅懸架和被動座椅懸架之間，懸架參數(shù)可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，從而獲得最佳的座椅懸架綜合性能。目前，磁流變減振器是一種性能較好的半主動控制裝置，其能量消耗小、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、動態(tài)范圍大、可靠性好、適應(yīng)性強(qiáng)[7-9]，特別適合在座椅中使用。

本文中設(shè)計制作了一種座椅用單出桿式磁流變減振器，進(jìn)而開發(fā)了基于磁流變減振器的汽車座椅懸架系統(tǒng)，并開展了座椅臺架試驗研究。

1 磁流變減振器的力學(xué)模型

本研究采用簡化的Bouc-Wen微分模型[10-11]。該模型具有涉及參數(shù)少、數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單、參數(shù)識別容易的優(yōu)點。圖1為該磁流變減振器的Bouc-Wen微分模型示意圖，其中滯回裝置輸出力F由3部分組成，分別由系統(tǒng)滯回系數(shù)、剛度系數(shù)和黏性系數(shù)產(chǎn)生。

假設(shè)滯回系統(tǒng)為一阻尼器裝置，那么由該裝置所產(chǎn)生的簡化阻尼力可表示為

(1)

(2)

在Bouc-Wen微分模型中，黏性系數(shù)c、 剛度系數(shù)k是描述磁流變阻尼器力學(xué)性能最主要的參數(shù)，滯回環(huán)形狀控制系數(shù)A主要控制滯回環(huán)的形狀。系數(shù)c一般與速度有關(guān)，其值取決于阻尼力-速度曲線的平均斜率。

2 座椅用磁流變減振器的力學(xué)特性試驗

2.1 磁流變減振器的研制

磁流變減振器工作模式采用流動模式和剪切模式共同作用的混合模式，如圖2所示。選用MRF-132-DG 型磁流變液，磁芯采用DT4C型電磁純鐵，活塞桿材料為20號碳素鋼。

該磁流變減振器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：最大工作行程為30mm，工作缸外徑為45mm，內(nèi)徑為39mm，活塞直徑為36mm，活塞桿直徑為13mm，活塞有效長度為134mm，最大壓力為5MPa，功率為4W，最大電流為2A。線圈的引線經(jīng)活塞桿上的內(nèi)孔引出，減振器的外觀如圖3所示。

2.2 磁流變減振器試驗

為了研究所研制的磁流變減振器的示功特性和速度特性，依據(jù)我國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T545—1999《汽車筒式減振器臺架試驗方法》，對該磁流變減振器進(jìn)行臺架測試，如圖4所示。試驗中設(shè)定激振液壓缸運動的目標(biāo)位移幅值分別為5，10和15mm，頻率分別為1，2，3和4Hz的正弦信號。由磁流變阻尼器對輸入電流的要求確定實驗的控制電流分別為0，0.5，1，1.5，1.9和2.0A 6種情況。

本試驗利用MTS結(jié)構(gòu)拉壓力性能測試系統(tǒng)，進(jìn)行了磁流變減振器的阻尼特性試驗[12]。測試系統(tǒng)由磁流變減振器、電液伺服激振器、力傳感器、位移傳感器和夾具等組成。測試中磁流變減振器沿鉛垂方向安裝；初始位置大致在阻尼器行程的中間部位。

2.3 試驗結(jié)果與分析

通過改變振動臺的激勵振幅、激勵頻率和磁流變減振器的控制電流，可組成多組減振器拉伸/壓縮試驗，并基于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄阻尼力和減振器位移數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見：該磁流變減振器的阻尼力-活塞位移曲線比較飽滿，磁流變阻尼器衰減振動與耗能效果良好；在一定的激振振幅和激振頻率的正弦輸入下，阻尼力隨著控制電流的增大而增大。

不同激勵頻率和控制電流下的阻尼力-速度曲線如圖6所示。

由圖6可見：阻尼力隨著減振器速度的增加而增加，在速度正負(fù)區(qū)分別呈分段線性分布，隨速度變化而變化的部分即為黏滯阻尼力，而在某一工況下保持不變的部分為可控阻尼力，且控制電流越大,對應(yīng)的阻尼力也越大；磁流變阻尼器的阻尼力-速度曲線具有明顯的滯回特性；其阻尼力隨控制電流的增加而增大，但是當(dāng)電流高于1.5A以后, 阻尼力的增加幅度減小，磁流變液已漸趨飽和。

3 汽車座椅懸架動力學(xué)仿真分析

3.1 汽車座椅懸架動力學(xué)模型

忽略汽車底盤懸架等的影響，建立了“人-椅”2自由度座椅懸架動力學(xué)模型，如圖7所示。

根據(jù)圖7模型，利用牛頓運動定律，得到：

(3)

取狀態(tài)向量和輸出向量分別為

(4)

(5)

由此，可得到懸架的狀態(tài)方程如下：

(6)

式中：A，B，C和D分別表示狀態(tài)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣和傳遞矩陣。

3.2 天棚控制策略

天棚(sky-hook)控制方法由于其控制算法簡單，所需測試儀器少，因而在主動、半主動懸架控制中被廣泛應(yīng)用[13-15]。理想天棚控制不可能在實際車輛控制中實現(xiàn)。通常，可以采用等效的方法利用懸架中的執(zhí)行器來實現(xiàn)，如圖8(b)所示。

理想的天棚阻尼力為

(7)

3.3 天棚控制仿真分析

針對不同行駛工況，對天棚控制下的半主動座椅懸架系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，并與被動座椅懸架進(jìn)行比較。圖9給出了當(dāng)汽車以40和60km/h行駛在C級路面上的座椅加速度響應(yīng)特性曲線。

圖10給出了當(dāng)汽車在振幅為0.005m、頻率為2Hz的正弦模擬路面上座椅加速度響應(yīng)特性曲線。

4 磁流變座椅懸架的臺架試驗

通過前期在MTS試驗機(jī)上獲得的有關(guān)磁流變減振器樣機(jī)的示功特性、速度特性，驗證了該磁流變減振器的可控性和有效性。將該磁流變減振器安裝于座椅懸架中，在一定模擬振動激勵輸入下，測試座椅懸架的響應(yīng)，驗證在一定的控制策略作用下，磁流變減振器的減振效果。

4.1 座椅懸架樣機(jī)與試驗裝置

4.1.1 座椅懸架樣機(jī)

本試驗中所使用的座椅是在原有汽車駕駛員座椅基礎(chǔ)上，經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計的磁流變懸架式座椅樣機(jī)，如圖11所示。其主要技術(shù)參數(shù)為：外形尺寸(長×寬×高)550mm×500mm×967mm，坐墊高245mm，坐墊寬480mm，靠背高530mm，靠背寬470mm。

4.1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制器通過加速度傳感器采集座椅垂向加速度信號，根據(jù)一定的控制策略，給出控制量，并通過電流驅(qū)動器來控制磁流變減振器所需的阻尼力，從而減小不平順路面經(jīng)車體傳遞給人體的振動，提高乘座的舒適性，其控制系統(tǒng)組成框圖如圖12所示。

座椅控制系統(tǒng)以STM32F103VCT6增強(qiáng)型單片機(jī)為核心，由加速度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、控制器和電流驅(qū)動器等組成。為增強(qiáng)程序的可讀性和可移植性，采用C語言進(jìn)行程序編寫。該控制系統(tǒng)軟件部分主要由主函數(shù)和主循環(huán)組成，如圖13所示。

4.1.3 座椅試驗系統(tǒng)

本試驗是在汽車懸架座椅振動試驗臺上進(jìn)行，如圖14所示。

試驗選用PA-LAMI-005型單軸低噪聲加速度傳感器和DEWE3010-REC-SPEC型16通道數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4.2 座椅試驗及結(jié)果分析

將帶有磁流變減振器的座椅安裝在振動臺上，裝上加速度傳感器，并將一定質(zhì)量沙袋置于座椅上，如圖15所示。振動激勵采用正弦輸入，在未加控制的情況下，進(jìn)行相應(yīng)的試驗，并采集加速度信號；在施加控制的情況下，進(jìn)行相應(yīng)實驗，采集加速度信號；比較未加控制和施加控制的加速度響應(yīng)效果。

圖16、圖17分別為在不同振幅、不同激勵頻率下磁流變座椅懸架的天棚控制試驗結(jié)果。

表1和表2分別為振幅為0.005m和0.01m的正弦模擬路面輸入下天棚控制響應(yīng)結(jié)果。

表1 振幅0.005m正弦激勵下天棚控制響應(yīng)

表2 振幅0.01m正弦激勵下天棚控制響應(yīng)

5 結(jié)論

將磁流變減振器應(yīng)用于車輛座椅懸架控制中，建立了汽車半主動座椅懸架的動力學(xué)模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析，研發(fā)了汽車磁流變半主動座椅懸架物理樣機(jī)和試驗臺架系統(tǒng)，深入開展了基于磁流變減振器的汽車半主動座椅懸架試驗研究。

從磁流變減振器的示功特性和速度特性曲線看出，該磁流變減振器性能可控性好，能最大限度地發(fā)揮其衰減振動功能。經(jīng)仿真得出的天棚控制方法對座椅懸架系統(tǒng)的振動控制具有較好的效果。以正弦信號作為振源， 進(jìn)行了半主動座椅懸架樣機(jī)的試驗驗證，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步證明該算法和所建樣機(jī)的有效性。

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An Experimental Study on the Dynamic Characteristics of Vehicle Semi-active Seat Suspension with Magneto-rheological Damper

Kou Farong

DepartmentofVehicleEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054

For further improving vehicle ride comfort，a magneto-rheological damper for vehicle semi-active seat suspension is developed with its damping characteristic test conducted. After analyzing its force bearing condition, a dynamics model for vehicle semi-active seat suspension is built, a corresponding skyhook control strategy is devised, and a simulation is performed on the skyhook control of seat under both random and sinusoidal excitation inputs. Meanwhile a physical prototype of semi-active seat suspension with magneto-rheological damper and its test bench system are developed with corresponding bench test carried out. The results indicate that the results of simulation basically well agree with test data and the magneto-rheological damper developed has a good damping controllability. Compared to original passive seat suspension, the dynamic performances of vehicle semi-active seat with magneto-rheological damper are improved by some 30% with a significant effect of vibration attenuation.

magneto-rheological damper；semi-active control；seat suspension； skyhook control；dynamics characteristics；bench test

*國家自然科學(xué)基金(51275403)、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20126121120003)、 中國博士后科學(xué)基金(2014M552553XB)和陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2014JM7271)資助。

原稿收到日期為2015年3月5日，修改稿收到日期為2015年6月9日。