汽車座椅減振系統(tǒng)的研究綜述

提艷*，熊新，吳紀(jì)軍，李高戰(zhàn)，鄭竹安，周洋

（鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

汽車座椅減振系統(tǒng)的研究綜述

提艷*，熊新，吳紀(jì)軍，李高戰(zhàn)，鄭竹安，周洋

（鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

汽車座椅減振系統(tǒng)對(duì)駕駛員的工作舒適性和安全性十分重要。文章介紹了汽車減振系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)、內(nèi)外研究，綜述了汽車座椅減振系統(tǒng)的模型及衰減座椅振動(dòng)的各種控制方法，并對(duì)今后的研究工作進(jìn)行了探討。

汽車座椅；減振系統(tǒng)；控制方法；優(yōu)化設(shè)計(jì)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-11-03

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)越來(lái)越普及，汽車的安全性和舒適性也越來(lái)越受到關(guān)注和重視。除了汽車懸架系統(tǒng)能夠衰減路面帶給駕駛者的振動(dòng)以外，座椅的減振系統(tǒng)也尤為重要。特別是工程車輛，由于工作環(huán)境比較惡劣，長(zhǎng)時(shí)間工作，會(huì)增加駕駛員的疲勞程度，影響健康。所以，座椅減振系統(tǒng)對(duì)駕駛員的安全性和舒適性具有極其重要的作用。浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院章麗萍[1]等研究汽車座椅減振系統(tǒng)的振動(dòng)頻率為3-5Hz時(shí)，座椅的軟墊是不能有效衰減振動(dòng)的；振動(dòng)頻率為1-2Hz時(shí)，座椅的軟墊不僅不能衰減振動(dòng)，而且會(huì)加劇振動(dòng)。張志勇[2]試驗(yàn)研究座椅被動(dòng)懸架系統(tǒng)的參數(shù)固定，取值范圍小，在多變的行駛環(huán)境中，對(duì)駕駛員的安全性和舒適性有影響。萬(wàn)偉[3]對(duì)座椅主動(dòng)減振系統(tǒng)進(jìn)行了研究，表明座椅主動(dòng)減振系統(tǒng)可以有效的衰減振動(dòng)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，需要消耗能量，抗干擾能力差。目前，國(guó)內(nèi)、外文獻(xiàn)主要集中在對(duì)座椅系統(tǒng)的控制策略上，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滑膜控制等，該類控制策略并沒(méi)有使座椅系統(tǒng)乘坐舒適性達(dá)到最佳。但是，現(xiàn)在主動(dòng)、半主動(dòng)座椅減振系統(tǒng)因在車輛上的運(yùn)用還是有限制的。本文針對(duì)以上問(wèn)題著重對(duì)座椅減振系統(tǒng)進(jìn)行探討，分析車輛座椅減振系統(tǒng)物理模型、數(shù)學(xué)模型，車輛減振系統(tǒng)系統(tǒng)控制方法等。

1、座椅減振系統(tǒng)模型

1.1 座椅減振系統(tǒng)物理模型

三自由度車輛座椅減振系統(tǒng)模型如圖1所示[4]，m1單輪對(duì)應(yīng)的簧下質(zhì)量；m2為單輪上對(duì)應(yīng)的車身質(zhì)量，即簧上質(zhì)量；ms為單輪對(duì)應(yīng)的座椅和人體質(zhì)量；Kt為輪胎剛度，Z1簧下質(zhì)量的垂向位移；K為懸架剛度，C為懸架系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，Z2為簧上質(zhì)量的垂向位移；Ks為座椅剛度，Cs為座椅系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，p為座椅的垂向位移；q為路面輸入。

圖1 三自由度車輛座椅減振系統(tǒng)

1.2 座椅減振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)牛頓法(或拉格朗日法)建立座椅系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程如下：

化簡(jiǎn)，可得：

根據(jù)三自由度座椅減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得到座椅減振系統(tǒng)的幅頻特性。

2、三自由度減振系統(tǒng)控制方法

由于座椅減振系統(tǒng)通過(guò)數(shù)學(xué)模型得到參數(shù)設(shè)計(jì)的解析解很難，國(guó)內(nèi)外大多是利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真控制，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。國(guó)內(nèi)外提出的控制方法很多，如：

（1）天棚阻尼控制方法。最早題出的是天棚阻尼控制方法，原理是在座椅上施加一個(gè)與座椅絕對(duì)速度成正比的阻尼力，然后合理選擇參數(shù)，能夠衰減甚至消除共振[5]。但是天棚阻尼控制方法實(shí)際上實(shí)現(xiàn)是非常困難的，僅僅是在理論上實(shí)現(xiàn)了。所以，在此基礎(chǔ)上提出了如開(kāi)關(guān)控制策略的改進(jìn)型的天棚阻尼控制方法。

（2）最優(yōu)控制方法。與天棚阻尼方法比較，最優(yōu)控制法能夠更多的考慮多變量的影響，是一種現(xiàn)代控制理論，有較好的控制效果。通過(guò)最優(yōu)控制法解出反饋增益矩陣，能夠利用得到的阻尼力與減振系統(tǒng)中減振器產(chǎn)生的阻尼力進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行優(yōu)化。目前，線性最優(yōu)控制、H*最優(yōu)控制[6]和最優(yōu)預(yù)報(bào)控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用到車輛懸架的控制系統(tǒng)，在座椅減振系統(tǒng)上的應(yīng)用較少。

（3）模糊半主動(dòng)控制。由于一些座椅減振系統(tǒng)中用到磁流變減振器，其非線性和建模較困難，所以需要大量的試驗(yàn)和建模工作才能獲得精確的模型[7]。對(duì)于座椅減振系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，探索磁流變減振系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有學(xué)習(xí)性和并行性，是近幾年新興起的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的一個(gè)分支，為非線性系統(tǒng)帶來(lái)了新思路，具有更強(qiáng)的自適應(yīng)能力[8]。與傳統(tǒng)的控制方法比較，自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制在受控制過(guò)程的模型和環(huán)境未知的情況下，仍然可以得到高質(zhì)量控制品質(zhì)。此控制方法抗干擾能力強(qiáng)，控制效果好，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在減振系統(tǒng)領(lǐng)域中得到很大重視。

除此之外，還有符合控制方法，李以農(nóng)、鄭玲[9]將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，論述了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性控制方法。

3、總結(jié)

座椅減振系統(tǒng)對(duì)駕駛員的舒適性和安全性具有十分重要的意義。

由于汽車座椅減振系統(tǒng)大多是集中在控制上或者改變彈簧剛度[10]上，這些并沒(méi)有使駕駛員座椅到達(dá)最佳舒適性。針對(duì)以上存在的問(wèn)題，在以后的研究中將進(jìn)一步探索座椅減振問(wèn)題。

（1）進(jìn)一步優(yōu)化座椅減振系統(tǒng)的物理模型，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)座椅減振系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步的分析；

（2）優(yōu)化座椅減振系統(tǒng)的剛度，由線性向非線性進(jìn)行優(yōu)化，充分考慮駕駛員座椅的舒適性和安全性。

（3）利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行仿真驗(yàn)證，多變量進(jìn)行仿真優(yōu)化，達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，更進(jìn)一步提高座椅的乘坐舒適性和安全性，減輕駕駛員的工作疲勞強(qiáng)度。

[1] 章麗萍, 張培培, 孟曉麗, 等. 一種新型農(nóng)用車輛減震座椅的設(shè)計(jì)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2014 (12): 61-64.

[2] 張志勇. 半主動(dòng)座椅懸架控制理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 湖南大學(xué), 2008.

[3] 萬(wàn)偉. 農(nóng)用車輛磁流變半主動(dòng)減振座椅的建模與仿真研究[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

[4] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[5] 黃斌，蔣祖華等. 汽車座椅系統(tǒng)動(dòng)態(tài)舒適性的研究綜述［J］.汽車科技，2001.6.

[6] 劉少軍，曹君，朱潔，黃運(yùn)明. 車輛座椅懸架系統(tǒng)的建模與魯棒控制研究［J］.信息與控制，2007.12.

[7] 朱華.基于磁流變技術(shù)的車用減震器［J］.汽車零部件，2009.4.

[8] 劉會(huì)英, 蓋玉先, 鄭超. 汽車座椅主動(dòng)振動(dòng)控制與仿真分析. 中國(guó)機(jī)械工程, 2006, 06, 12(17)：1227-1230.

[9] 李以農(nóng), 鄭玲. 汽車非線性半主動(dòng)懸架的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[J].汽車工程, 2004, 26(5)：600-628.

[10] 高麗杰. 基于正負(fù)剛度彈簧并聯(lián)的車輛座椅隔振技術(shù)研究[D].東北林業(yè)大學(xué), 2009.

The Research Summarization of the Car Seat Vibration System

Ti Yan*, Xiong Xin, Wu Jijun, Li Gaozhan, Zheng Zhuan, Zhou Yang
( YanCheng Insitute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051 )

The vibration system of car seat for the driver's comfort and safety is very important. This paper introduced the research situation of the automobile vibration system, Combining the domestic and foreign study, summarized the research model of car seat vibration system and a variety control methods reducing the seat vibration, and probed research work in the future.

car seat; vibration system; control methods; optimal design

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-11-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.005

提艷，女，鹽城工學(xué)院，助教，主要研究方向汽車零部件設(shè)計(jì)，汽車平順性研究等。

熊新，男，鹽城工學(xué)院，副教授，主要研究方向汽車電器與電子技術(shù)、汽車液壓與控制及汽車振動(dòng)分析等。