拖拉機(jī)座椅懸架對(duì)動(dòng)態(tài)舒適性影響的研究

徐銳良，李三妞，郭志軍,劉美洲，倪　倩，羅躍輝

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)　471003；2.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司 第三裝配廠，河南 洛陽(yáng)　471004)

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拖拉機(jī)座椅懸架對(duì)動(dòng)態(tài)舒適性影響的研究

徐銳良1，李三妞1，郭志軍1,劉美洲1，倪倩1，羅躍輝2

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003；2.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司 第三裝配廠，河南 洛陽(yáng)471004)

摘要：為探討基于磁流變阻尼器(MRD)的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架在動(dòng)態(tài)舒適性方面的優(yōu)越性，在正弦激勵(lì)和白噪聲激勵(lì)環(huán)境下，構(gòu)建了拖拉機(jī)動(dòng)力學(xué)模型和磁流變阻尼器(MRD)力學(xué)模型，并給出了模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。在MatLab/Simulink仿真環(huán)境中分別對(duì)被動(dòng)和半主動(dòng)座椅懸架進(jìn)行時(shí)域和頻域仿真，得出兩種懸架的加速度動(dòng)態(tài)特性曲線及相應(yīng)的頻譜特性曲線。仿真結(jié)果表明:所構(gòu)建的阻尼器模型及控制策略可以有效衰減座椅懸架在低頻區(qū)段的垂直振動(dòng)，改善了拖拉機(jī)的動(dòng)態(tài)舒適性。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；座椅懸架；磁流變液；仿真

0引言

目前，很多研究結(jié)果表明，駕駛員座椅是否舒適對(duì)駕駛安全、駕駛員身體健康以及工作效率都具有至關(guān)重要的作用[1]。目前，雖然我國(guó)在車輛動(dòng)態(tài)舒適性方面比較重視，但其研究實(shí)用性不強(qiáng)，國(guó)內(nèi)廠商在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)對(duì)座椅動(dòng)態(tài)舒適性也不做過(guò)多關(guān)注[2]。

考慮到拖拉機(jī)田間作業(yè)比較特殊而座椅結(jié)構(gòu)又相對(duì)簡(jiǎn)陋的現(xiàn)狀，對(duì)其座椅進(jìn)行研究和改革成為科研工作者的研究重點(diǎn)之一。磁流變液作為新型的智能材料，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于拖拉機(jī)座椅懸架是改善其動(dòng)態(tài)舒適性的可行方案[3]。

本文將在傳統(tǒng)拖拉機(jī)被動(dòng)座椅懸架的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)磁流變阻尼器，構(gòu)建出基于磁流變技術(shù)的半主動(dòng)座椅懸架模型。同時(shí)，結(jié)合修正Bou-Wen模型的磁流變阻尼器，在模糊控制作用下進(jìn)行Simulink仿真，分別在時(shí)域和頻域中與被動(dòng)座椅進(jìn)行對(duì)比分析。

1動(dòng)力學(xué)模型

1.1磁流變阻尼器模型

為提高曲線擬合能力，更準(zhǔn)確地模擬阻尼器低速作業(yè)時(shí)的非線性特性，本文磁流變阻尼器選取模型參數(shù)相對(duì)復(fù)雜的修正Bou-Wen模型，如圖1所示。模型公式見式(1)，相應(yīng)的Simulink仿真框圖如圖2所示，阻尼器模型參數(shù)及下文建立的拖拉機(jī)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)如表1[4]所示。

圖1　修正Bou-Wen模型

(1)

其中，v、x分別為輸入到系統(tǒng)的電壓和位移變化；f為輸出的阻尼力；α為進(jìn)化系數(shù)；c0、c1分別為高速阻尼和低速阻尼；u為一階濾波器輸出電壓。

圖2　磁流變阻尼器仿真

參數(shù)單位數(shù)值參數(shù)單位數(shù)值C0aN·s/mm0.21632C0bN·s/V·mm0.1646C1aN·s/mm14.589C1bN·s/V·mm26.657k0N/mm2.2595k1N/mm0.5749x0mm28αaN/mm10.141αbN/V·mm38.928γmm-20.1307μmm-22.6187N———200n———2η1/s166.37cN·s/m653c1N·s/m11901c2N·s/m12303a1m0.290d1m0.685b1m0.680a2m0.325d2m1.160b2m1.688mkg7255m1kg2955m2kg4300J1kg·m275070J2kg·m285070kN/m8189k1N/m301840k2N/m352730k3N/m1900000k4N/m2300000

1.2拖拉機(jī)五自由度模型

在動(dòng)力學(xué)建模理論基礎(chǔ)上，根據(jù)前人建模經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合東方紅某型號(hào)拖拉機(jī)的相關(guān)參數(shù)，建立了1/2車型的“車-椅”五自由度振動(dòng)模型。基于上述模型，在座椅處加入磁流變阻尼器，構(gòu)建出阻尼可調(diào)的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)，如圖3所示。其中，5個(gè)自由度分別是車架、駕駛室和座椅的垂直振動(dòng)，以及車架和駕駛室的俯仰振動(dòng)[5]。

兩種懸架動(dòng)力學(xué)方程分別為

(2)

(3)

圖3　半主動(dòng)座椅懸架模型

1.3路面輸入模型

拖拉機(jī)在執(zhí)行不同的田間作業(yè)項(xiàng)目時(shí)，其車速和路況不完全相同，如深耕和旋耕。為了準(zhǔn)確地說(shuō)明問(wèn)題，使本文的研究更具有代表性，本文分別選用兩種不同等級(jí)白噪聲路面、正弦激勵(lì)路面，以及兩種路面和2km/h、5km/h兩種作業(yè)速度[6]。其中，白噪聲激勵(lì)路面的不平度時(shí)域表達(dá)式為

(4)

其中，f0為下截止頻率(Hz)；q(t)為路面位移(m)；G0為D或E級(jí)路面不平度系數(shù)(m3/cycle)；u為拖拉機(jī)作業(yè)速度(m/s)；w為均值為零的高斯白噪聲[7]。

2控制

對(duì)于振動(dòng)及動(dòng)態(tài)舒適性的評(píng)價(jià)，一般采用垂直振動(dòng)的加權(quán)加速度均方根值(RMS值)和加速度功率譜密度曲線[8]。因此，本文擬將加速度均方根值(RMS值)最小作為模糊控制的最終目標(biāo)。根據(jù)采用的阻尼器模型的需要，選取輸入到阻尼器驅(qū)動(dòng)器中的電壓作為控制目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整模糊控制規(guī)則使電壓達(dá)到最適值，同時(shí)加速度均方根值達(dá)到最小。

在模糊控制器設(shè)計(jì)中，將拖拉機(jī)座椅的位移變化設(shè)定為e、位移變化率設(shè)定為ec、阻尼器的控制電壓設(shè)定為u，三者均采用三角隸屬函數(shù)。模糊子集分別為{N(負(fù))，Z(零)，P(正)}、{N(負(fù))，Z(零)，P(正)}、{Z(零)，S(正小)，M(正中)，B(正大)}，模糊規(guī)則語(yǔ)句為“if e and ec，then u”[9]。模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2　控制規(guī)則表

3仿真研究

3.1MatLab/Simulink仿真

通過(guò)MatLab程序代碼繪制頻率特性曲線，分析拖拉機(jī)被動(dòng)系統(tǒng)的固有特性,并建立Simulink整體仿真框圖，如圖4所示。繪制3種工況下的加速度時(shí)域仿真曲線及其中一種工況的加速度功率譜密度曲線，輸出各種工況下的RMS值，并對(duì)比分析兩種控制的效果。

3.2頻域分析

圖5為0～100Hz范圍內(nèi)拖拉機(jī)被動(dòng)座椅懸架的頻譜特性曲線。由幅頻特性曲線可知：座椅系統(tǒng)的固有頻率ws/(2π)既低于3Hz，同時(shí)又避開了拖拉機(jī)車身部分的固有頻率f0=w0/(2π)(1.2～1.5Hz)[10]。以上分析證明了本文所構(gòu)建的拖拉機(jī)振動(dòng)模型的正確性及所采用參數(shù)的合理性。

圖5　頻譜特性密度曲線

圖6為拖拉機(jī)座椅在D級(jí)白噪聲路面、2km/h作業(yè)車速下的加速度功率譜密度曲線。由圖6可知：基于磁流變阻尼器的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架垂直振動(dòng)的加速度在所有頻率區(qū)段均低于相應(yīng)的被動(dòng)座椅懸架，且在低頻區(qū)即人體敏感頻段(4～12.5Hz)內(nèi)控制效果最為顯著；同時(shí)，半主動(dòng)座椅的垂直振動(dòng)在兩個(gè)共振峰10Hz和12Hz處均有明顯衰減[11-12]。

圖6　加速度功率譜密度曲線

3.3時(shí)域分析

圖7(a)、(b)、(c)分別為不同路況、不同行駛速度下座椅垂直振動(dòng)的加速度時(shí)域仿真曲線，仿真時(shí)間均為600s。為便于明顯觀察和對(duì)比分析，本文僅截取仿真結(jié)果其中一段進(jìn)行展示。表3為圖7(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)的加速度均方根值及其變化范圍列表。結(jié)合圖7和表3可知：模糊控制作用下的半主動(dòng)懸架的加速度變化范圍明顯小于被動(dòng)懸架，且兩者在3種工況下的均方根值分別是10.16、9.886、0.051 66和13.79、14.26、0.078 17，分別改善了26.3%、30.6%、33.9%，改善效果明顯。由以上分析可以得出結(jié)論，基于MRD的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架較傳統(tǒng)的被動(dòng)座椅懸架有明顯的減振效果。

圖7　不同工況下加速度仿真曲線

隨機(jī)路面被動(dòng)RMS值半主動(dòng)RMS值改善幅度/%變化范圍被動(dòng)半主動(dòng)D級(jí)路面2m/s213.7900010.1600026.3[40.02,-42.86][19.86-18.08]E級(jí)路面5m/s214.260009.8860030.6[48.21,-49.01][17.75,-16.03]正弦輸入0.078170.0516633.9[0.491,-0.425][0.430,-0.352]

4結(jié)論

本文建立了拖拉機(jī)振動(dòng)模型、磁流變阻尼器模型和路面輸入模型，在MatLab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，繪制了頻譜特性曲線和垂直振動(dòng)的時(shí)域仿真曲線，從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面對(duì)比兩種懸架的在減振方面的效果。試驗(yàn)證明：相較于被動(dòng)懸架，半主動(dòng)懸架在低頻區(qū)人體敏感頻段內(nèi)減振效果明顯。又因?yàn)榇帕髯円鹤枘崞骶哂袃r(jià)格便宜、響應(yīng)迅速、維修方便等多方面優(yōu)勢(shì)，因此將磁流變技術(shù)應(yīng)用于座椅懸架近已迅速成為改善拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)舒適性研究的重點(diǎn)。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0240-EA

Research for Dynamic Comfort with the Tractor Seat Suspension

Xu Ruiliang1, Li Sanniu1, Guo Zhijun1, Liu Meizhou1, Ni Qian1, Luo Yuehui2

(1.Vehicle & Motive power Engineering College , Henan University of Science and Techonology, Luoyang 471003，China;2. Third Assembly Plant,YTO Group Corporation, Luoyang 471004, China)

Abstract：The dynamics model of tractors,the magnetorheological dampers (MRD) model and the fuzzy controller all be established to research the advantages in terms of comfort with the tractor seat semi-active suspension system based on magnetorheological damper.With the Matlab / Simulink software,the dissertation have a completed simulating analysis both of the time-domain and frequency-domain between passive seat suspension semi-active seat suspension.The results of the simulation show that the damper model can restrain the vertical vibration in the low zone and enhance the dynamic comfort.

Key words：tracbor; seat suspension；magneto-rheological damper； simulation

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0240-04

中圖分類號(hào)：S219.032.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：徐銳良(1966-)，男，河南洛陽(yáng)人，副教授，碩士生導(dǎo)師,(E-mail )lyxrl@163.com。通訊作者：李三妞(1989-)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，(E-mail )1054945965@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111204)

收稿日期：2015-01-29