摘 要: 基于雙磁流變阻尼器構(gòu)建了變剛度變阻尼的座椅半主動(dòng)減振系統(tǒng)，建立了人體-座椅的2 自由度動(dòng)力學(xué)模型；對該半主動(dòng)變剛度變阻尼系統(tǒng)的座椅減振方式采取了開關(guān)控制算法。將系統(tǒng)模型在 MATLAB—SIMUlink 中進(jìn)行相應(yīng)的建模仿真，并與被動(dòng)減振模型進(jìn)行對比分析。仿真結(jié)果表明，人體加速度均方根值要減小72.8% ，人體垂直位移均方根值要減小18.4%，大幅度降低了人體所受的振動(dòng)強(qiáng)度，能有效地改善座椅的減振效果。

關(guān)鍵詞: 車輛; 座椅; 減振; 變剛度; 變阻尼; 磁流變阻尼器; 開關(guān)控制

目前，工程車輛的駕駛員長時(shí)間承受低頻高強(qiáng)度振動(dòng)，嚴(yán)重?fù)p害司機(jī)的身心健康，降低了工作效率．開展車輛座椅減振系統(tǒng)的研究，對提高施工效率、保障人員和機(jī)械安全以及提高汽車乘坐舒適性有著十分重要的意義。

剛度和阻尼可變的半主動(dòng)減振系統(tǒng)已經(jīng)被證實(shí)有很好的使用性能，可以使車輛在不同的行駛環(huán)境中保持平穩(wěn)舒適． 許多研究者都提出過用可變阻尼系統(tǒng)提供有效的振動(dòng)控制這種基本想法，但是，他們提出的可變剛度控制裝置結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，在很多應(yīng)用中實(shí)施難度都很大［1-2］，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

磁 流 變 阻 尼 器 ( magneto-rheological fluid damper，簡稱 MRFD) 在汽車穩(wěn)定性控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景，通過對磁流變阻尼器組成的半主動(dòng)變剛度變阻尼系統(tǒng)［1］座 椅的研究， 在MATLAB—SIMUlink 中進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析，實(shí)現(xiàn)改善座椅的振動(dòng)特性， 提高乘坐的舒適性的目的。

1.  數(shù)學(xué)模型

人體座椅模型采用 2 自由度模型． 座椅的半主動(dòng)減振系統(tǒng)與傳統(tǒng)的半主動(dòng)減振系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的不同之處在于: 該系統(tǒng)是在原有的減振系統(tǒng)中多加了Vogit 單元與彈簧串聯(lián)。 見圖 1。



圖中: m1為座椅質(zhì)量; m2為人體質(zhì)量; c1、cm是兩個(gè)可調(diào)阻尼器的阻力系數(shù); k1

、km是系統(tǒng)的彈簧剛度; k2 、c2 為人體與座椅接觸部位的等效剛度系數(shù)和阻力系數(shù); z0懸架傳遞給人體座椅系統(tǒng)的垂直位移; zm 為懸架與座椅間的位移; z1 、z2 分別為座椅和人體在路面激勵(lì)下產(chǎn)生的垂直位移。

系統(tǒng)模型有 2 個(gè)可控阻尼器( 阻尼器 1 和阻尼器 m 分別對應(yīng)阻尼系數(shù) c1 和 cm ) 和兩個(gè)彈簧( 彈簧1 和彈簧 m 的對應(yīng)剛度為 k1 和 km ) ，如圖 1 所示。阻尼器 m 和彈簧 m 組成一個(gè) Vogit 單元， 這個(gè)Vogit 單元和彈簧 1 串聯(lián)。兩個(gè)彈簧的剛度值是固定的。但是，系統(tǒng)的有效剛度可以通過可控阻尼器m 來改變。如果阻尼器 m 的阻尼系數(shù)特別小，整個(gè)系統(tǒng)的剛度 k 就會(huì)接近彈簧1 和彈簧m 串聯(lián)時(shí)的總剛度 k =k1 km/( k1 + km ); 如果阻尼器 m 的阻尼系數(shù)足夠大，整個(gè)系統(tǒng)的剛度 k 就相當(dāng)于彈簧 1 的剛度k = k1。阻尼器 1 為整個(gè)系統(tǒng)提供可變阻尼。

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律建立 2 自由度的人椅模型的運(yùn)動(dòng)微分方程：





2.  控制算法的研究與選取

2. 1  開關(guān)算法

由于文中的變阻尼變剛度系統(tǒng)的兩個(gè)阻力系數(shù)都是可變的，并且目前在半主動(dòng)控制算法中，開關(guān) 控制是比較常用的算法，因此，考慮采用開關(guān)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開關(guān)控制中的一種，可以表示為


2. 2  控制方法

采用的控制方法是通過 c1on 、cmon 、c1off 、cmoff 的組合產(chǎn)生的，見表 1．

表 1控制方法表


第1 種、第2 種方法均為被動(dòng)減振系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是不能達(dá)到很好的減振效果。第 3、4種方法為變阻尼系統(tǒng)，第 5、6種方法為變剛度系統(tǒng)， 這4 種控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟，是目前應(yīng)用較廣泛的半主動(dòng)減振系統(tǒng)，但他們只能單一的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)阻尼或者剛度的可變． 第7 種系統(tǒng)就是文中研究的重點(diǎn)———變剛度變阻尼的半主動(dòng)減振系統(tǒng)． 在該系統(tǒng)中，系統(tǒng)的2 個(gè)阻尼器的阻尼系數(shù)隨著不同的外界激勵(lì)而改變，而不需要主動(dòng)減振系統(tǒng)那樣的外置附加動(dòng)力裝置提供動(dòng)力來調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼或剛度，就可以輕易實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)剛度和阻尼的同時(shí)調(diào)節(jié)，既可以達(dá)到較好的減振效果，又能節(jié)約成本和布置空間。

3.  仿真分析

3.1  仿真數(shù)據(jù)

人體座椅減振系統(tǒng)的參數(shù)見表 2．




3. 2  MATLAB—SIMUlink 仿真

將各參數(shù)及值寫入 MATLAB 的 m 文件中保存， 在 MATLAB—SIMUlink 中建立汽車座椅變阻尼變剛度的半主動(dòng)減振系統(tǒng)模型如圖 2 所示．

在路面白噪聲激勵(lì)作用下，變剛度變阻尼的半主動(dòng)車輛座椅減振模型使得人體在垂直方向上的加 速度與垂直位移如圖 3、圖 4 所示． 被動(dòng)減振系統(tǒng)的人體的垂直方向上的加速度與垂直位移如圖 5、圖 6 所示．

由仿真結(jié)果可知，變剛度變阻尼的半主動(dòng)座椅減振系統(tǒng)與被動(dòng)的座椅減振相比，人體加速度均方根值要減小 72. 8 % ，人體垂直位移均方根值要減小 18. 4 % 。




對比上面的計(jì)算結(jié)果，可以確定在轉(zhuǎn)速為3 600 r/min時(shí)與最大扭矩 64. 167 2 N·m 所對應(yīng)的空燃比為 13. 6，即該轉(zhuǎn)速的最優(yōu)空燃比． 運(yùn)用同樣的方法，對輸入初始參數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)算，得出 2 800 ～ 3 600 r/min( 步長為 200) 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的優(yōu)化前發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值，然后，調(diào)整空燃比，得出該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，各轉(zhuǎn)速的優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值，與優(yōu)化扭矩值所對應(yīng)的空燃比，即為與該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最佳空燃比，結(jié)果見表 3．



結(jié) 論

在單純考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出為優(yōu)化目標(biāo)的前提下，通過仿真分析對使用乙醇汽油混合燃料( E10) 發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的有效優(yōu)化方法進(jìn)行了探討，得到了不同工況下的空燃比的最優(yōu)值，為改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性提供了理論依據(jù)． 同時(shí)取代了單靠臺(tái)架試驗(yàn)的優(yōu)化方法，縮短了研發(fā)周期，降低了研究成本． 但是，空燃比對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的影響，還包括了經(jīng)濟(jì)性、排放性等多個(gè)方面，如何在全面考慮各個(gè)性能指標(biāo)的情況下，求得空燃比的最優(yōu)值，以及對空燃比影響因素的確定和改進(jìn)等問題，將成為我們進(jìn)一步的研究方向

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