拖拉機座椅懸架對動態舒適性影響的研究

徐銳良，李三妞，郭志軍,劉美洲，倪　倩，羅躍輝

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽　471003；2.中國一拖集團有限公司 第三裝配廠，河南 洛陽　471004)

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拖拉機座椅懸架對動態舒適性影響的研究

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 車輛與交通工程學院，河南 洛陽471003；2.中國一拖集團有限公司 第三裝配廠，河南 洛陽471004)

摘要：為探討基于磁流變阻尼器(MRD)的拖拉機半主動座椅懸架在動態舒適性方面的優越性，在正弦激勵和白噪聲激勵環境下，構建了拖拉機動力學模型和磁流變阻尼器(MRD)力學模型，并給出了模糊控制器的設計方法。在MatLab/Simulink仿真環境中分別對被動和半主動座椅懸架進行時域和頻域仿真，得出兩種懸架的加速度動態特性曲線及相應的頻譜特性曲線。仿真結果表明:所構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段的垂直振動，改善了拖拉機的動態舒適性。

關鍵詞：拖拉機；座椅懸架；磁流變液；仿真

0引言

目前，很多研究結果表明，駕駛員座椅是否舒適對駕駛安全、駕駛員身體健康以及工作效率都具有至關重要的作用[1]。目前，雖然我國在車輛動態舒適性方面比較重視，但其研究實用性不強，國內廠商在開發新產品時對座椅動態舒適性也不做過多關注[2]。

考慮到拖拉機田間作業比較特殊而座椅結構又相對簡陋的現狀，對其座椅進行研究和改革成為科研工作者的研究重點之一。磁流變液作為新型的智能材料，具有經濟實用、響應迅速等優點，將其應用于拖拉機座椅懸架是改善其動態舒適性的可行方案[3]。

本文將在傳統拖拉機被動座椅懸架的基礎上，附加一個磁流變阻尼器，構建出基于磁流變技術的半主動座椅懸架模型。同時，結合修正Bou-Wen模型的磁流變阻尼器，在模糊控制作用下進行Simulink仿真，分別在時域和頻域中與被動座椅進行對比分析。

1動力學模型

1.1磁流變阻尼器模型

為提高曲線擬合能力，更準確地模擬阻尼器低速作業時的非線性特性，本文磁流變阻尼器選取模型參數相對復雜的修正Bou-Wen模型，如圖1所示。模型公式見式(1)，相應的Simulink仿真框圖如圖2所示，阻尼器模型參數及下文建立的拖拉機動力學模型參數如表1[4]所示。

圖1　修正Bou-Wen模型

(1)

其中，v、x分別為輸入到系統的電壓和位移變化；f為輸出的阻尼力；α為進化系數；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

參數單位數值參數單位數值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拖拉機五自由度模型

在動力學建模理論基礎上，根據前人建模經驗，結合東方紅某型號拖拉機的相關參數，建立了1/2車型的“車-椅”五自由度振動模型。基于上述模型，在座椅處加入磁流變阻尼器，構建出阻尼可調的拖拉機半主動座椅懸架系統，如圖3所示。其中，5個自由度分別是車架、駕駛室和座椅的垂直振動，以及車架和駕駛室的俯仰振動[5]。

兩種懸架動力學方程分別為

(2)

(3)

圖3　半主動座椅懸架模型

1.3路面輸入模型

拖拉機在執行不同的田間作業項目時，其車速和路況不完全相同，如深耕和旋耕。為了準確地說明問題，使本文的研究更具有代表性，本文分別選用兩種不同等級白噪聲路面、正弦激勵路面，以及兩種路面和2km/h、5km/h兩種作業速度[6]。其中，白噪聲激勵路面的不平度時域表達式為

(4)

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

2控制

對于振動及動態舒適性的評價，一般采用垂直振動的加權加速度均方根值(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。根據采用的阻尼器模型的需要，選取輸入到阻尼器驅動器中的電壓作為控制目標，通過調整模糊控制規則使電壓達到最適值，同時加速度均方根值達到最小。

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

表2　控制規則表

3仿真研究

3.1MatLab/Simulink仿真

通過MatLab程序代碼繪制頻率特性曲線，分析拖拉機被動系統的固有特性,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，并對比分析兩種控制的效果。

3.2頻域分析

圖5為0～100Hz范圍內拖拉機被動座椅懸架的頻譜特性曲線。由幅頻特性曲線可知：座椅系統的固有頻率ws/(2π)既低于3Hz，同時又避開了拖拉機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建的拖拉機振動模型的正確性及所采用參數的合理性。

圖5　頻譜特性密度曲線

圖6為拖拉機座椅在D級白噪聲路面、2km/h作業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半主動座椅懸架垂直振動的加速度在所有頻率區段均低于相應的被動座椅懸架，且在低頻區即人體敏感頻段(4～12.5Hz)內控制效果最為顯著；同時，半主動座椅的垂直振動在兩個共振峰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的加速度時域仿真曲線，仿真時間均為600s。為便于明顯觀察和對比分析，本文僅截取仿真結果其中一段進行展示。表3為圖7(a)、(b)、(c)分別對應的加速度均方根值及其變化范圍列表。結合圖7和表3可知：模糊控制作用下的半主動懸架的加速度變化范圍明顯小于被動懸架，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論，基于MRD的拖拉機半主動座椅懸架較傳統的被動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

隨機路面被動RMS值半主動RMS值改善幅度/%變化范圍被動半主動D級路面2m/s213.7900010.1600026.3[40.02,-42.86][19.86-18.08]E級路面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結論

本文建立了拖拉機振動模型、磁流變阻尼器模型和路面輸入模型，在MatLab/Simulink環境下進行仿真，繪制了頻譜特性曲線和垂直振動的時域仿真曲線，從時域和頻域兩個方面對比兩種懸架的在減振方面的效果。試驗證明：相較于被動懸架，半主動懸架在低頻區人體敏感頻段內減振效果明顯。又因為磁流變液阻尼器具有價格便宜、響應迅速、維修方便等多方面優勢，因此將磁流變技術應用于座椅懸架近已迅速成為改善拖拉機動態舒適性研究的重點。

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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：1003-188X(2016)02-0240-04

中圖分類號：S219.032.9

文獻標識碼：A

作者簡介：徐銳良(1966-)，男，河南洛陽人，副教授，碩士生導師,(E-mail )lyxrl@163.com。通訊作者：李三妞(1989-)，女，河南新鄉人，碩士研究生，(E-mail )1054945965@qq.com。

基金項目：國家高技術研究發展計劃項目(2012AA111204)

收稿日期：2015-01-29