鄭竹安，熊新，提艷，顧蘇菁

(鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

基于MATLAB的半主動(dòng)懸架可變剛度座椅的研究

鄭竹安，熊新，提艷，顧蘇菁

(鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

為進(jìn)一步改善汽車的乘坐平順性，利用MATLAB建立了1/2車動(dòng)力學(xué)微分方程；以半主動(dòng)懸架天棚阻尼控制為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種可以改變剛度的座椅系統(tǒng)；以線性濾波得到的B級(jí)路面為輸入進(jìn)行仿真分析,對(duì)比了3種情況下的汽車平順性。結(jié)果表明：相比于被動(dòng)懸架，天棚阻尼控制有效改善了汽車的平順性，同時(shí)附加變剛度座椅的半主動(dòng)天棚阻尼控制懸架能進(jìn)一步提高乘坐舒適性。

半主動(dòng)懸架；天棚阻尼控制；可變剛度；半車模型；MATLAB/Simulink仿真

0 引言

懸架系統(tǒng)是汽車中的重要部件，其性能對(duì)汽車的平順性影響很大。目前對(duì)懸架的研究多趨向于主動(dòng)懸架控制的開發(fā)，趙妍等人[1]對(duì)二自由度模型進(jìn)行了天棚阻尼控制的研究, 陳燕虹等[2]對(duì)半車懸架模型進(jìn)行了模糊控制的研究, O DEMIR等[3]研究了一種新型的混合控制方法，有效地改善了汽車的性能。這些研究都有效地提高了平順性。然而大多數(shù)國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究考慮的因素并不全面，這些研究并未將座椅的成分考慮在內(nèi)：H P DU等[4-5]對(duì)帶有座椅的二自由度模型進(jìn)行了研究，但并未考慮車輛的俯仰因素的影響。文中通過Simulink建立六自由度天棚阻尼控制模型并考慮座椅對(duì)舒適度的影響，設(shè)計(jì)了可變剛度的座椅系統(tǒng)。結(jié)果表明：這種新式座椅系統(tǒng)可以有效地降低行駛過程中的俯仰和垂向加速度，提高了乘坐舒適性。

1 模型建立

1.1 可變剛度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 剛度可變的單自由度模型

圖2 等效的單自由度模型

1.2 半車模型的建立

這里引入半車模型如圖3所示[7]，這里加入了前、后座位的系統(tǒng)，考慮車輛的俯仰在內(nèi)一共6個(gè)自由度。

圖3 半車六自由度模型

對(duì)圖3所示的半車六自由度模型，根據(jù)牛頓第二定律，可列運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下:

(1)

(2)

ys2=ys-θsL4

(3)

ys1=ys+θsL3

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；yi為各部位垂向位移；y為各部位垂向加速度；k為各部位剛度；ci為各部位阻尼系數(shù)；Fi為作動(dòng)器產(chǎn)生的力；mui為簧下質(zhì)量；ms為簧上質(zhì)量；mci為座椅和人質(zhì)量之和；Li分別表示質(zhì)心到各部位的水平距離。

1.3 主動(dòng)懸架天棚控制方法

文中主動(dòng)懸架的控制策略采取的是天棚控制策略[8]，天棚阻尼控制策略是由D KARNOPP等提出的以抑制車身振動(dòng)為目的的控制方法，相比于模糊控制等先進(jìn)控制簡(jiǎn)單有效，更容易在車上得到實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。作動(dòng)器產(chǎn)生的力與其上下連接的物體相對(duì)速度有關(guān)，以實(shí)時(shí)根據(jù)不同的行駛狀況改變所需的作動(dòng)力，其關(guān)系如下:

其中：Fi為半主動(dòng)懸架阻尼力；μ為可控阻尼系數(shù)，根據(jù)不同的需求可以自定義其數(shù)值。

1.4 路面輸入的建立

采取時(shí)域路面不平度的線性濾波法建立模型[9]。其基本思想是對(duì)路面功率譜進(jìn)行處理得到數(shù)值濾波器，再讓計(jì)算機(jī)生成的正太隨機(jī)數(shù)通過此濾波器得到路面形狀。其微分方程如下:

式中:f0=0.062 8 Hz,為下線截止頻率；y(t)為路面不平度幅值；w(t)為強(qiáng)度為1的白噪聲；u為速度。

文中使用的路面激勵(lì)曲線如圖4所示。

圖4 路面輸入曲線

2 算例仿真分析

2.1 算例參數(shù)設(shè)置及模型搭建

利用MATLAB/Simulink 工具基于上述微分方程建立模塊進(jìn)行仿真模型建立，各參數(shù)值如表1所示。

表1 半車模型各參數(shù)取值

2.2 結(jié)果比較

對(duì)無控制的被動(dòng)懸架、天棚控制的半主動(dòng)懸架以及基于天棚控制座椅剛度可變的懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了仿真比較，如圖5—8所示?？梢钥闯觯禾炫锟刂频陌胫鲃?dòng)懸架能夠有效地衰減振動(dòng)，減少車身位移和加速度以及車身的俯仰程度，提高了車輛的平順性。同時(shí)對(duì)比兩種天棚控制方法，可以看到：帶有可變剛度座椅的系統(tǒng)在幾乎不改變車身整體特性的條件下，能有效地衰減座椅處的振動(dòng)(如圖9—10)，改善了乘員的舒適度。

圖5 車身垂直位移特性曲線

圖6 車身俯仰角度特性曲線

圖8 車身垂直加速度特性曲線

圖9 座椅垂向位移特性曲線

圖10 座椅垂向加速度特性曲線

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種剛度可變的座椅系統(tǒng)，通過MATLAB/Simulink 建立了六自由度半車模型，實(shí)現(xiàn)了座椅剛度可變的天棚阻尼控制，通過仿真結(jié)果比較可以看出天棚阻尼控制相比于傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架很大程度上改善了平順性，同時(shí)從座椅加速度角度來看帶有可變剛度座椅系統(tǒng)的懸架對(duì)乘坐者而言具有更好的平順性，可以提高乘坐品質(zhì)。

[1]趙研,寇發(fā)榮,方宗德.汽車天棚控制半主動(dòng)懸架模型仿真與性能分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2006,23(11):233-236.

ZHAO Y,KOU F R,FANG Z D.Simulation and Performance Analysis of Semi-active Vehicle Suspension Using Sky-hook Control[J].Computer Simulation,2006,23(11):233-236.

[2]陳燕虹,劉宏偉,黃治國(guó),等.基于空氣懸架客車1/2模型的模糊控制仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2005,35(3):254-257.

CHEN Y H,LIU H W,HUANG Z G,et al.Simulation of Fuzzy Control Based on Half Model of Air Suspension Vehicle[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2005,35(3):254-257.

[3]DEMIR O,KESKIN I,CETIN S.Modeling and Control of a Nonlinear Half-vehicle Suspension System:A Hybrid Fuzzy Logic Approach[J].Nonlinear Dynamics,2011,67(3):2139-2151.

[4]DU H P,LI W H,ZHANG N.Integrated Seat and Suspension Control for a Quarter Car with Driver Model[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2012,61(9):3893-3908.

[5]DU H P,LI W H,ZHANG N.Vibration Control of Vehicle Seat Integrating with Chassis Suspension and Driver Body Model[J].Advances in Structural Engineering,2013,16(1):1-10.

[6]LIU Y Q,MATSUHISA H,UTSUNOH.Semi-active Vibration Isolation System with Variable Stiffness and Damping Control[J].Journal of Sound and Vibration,2008,313(1-2):16-28.

[7]米奇克.汽車動(dòng)力學(xué)[M].4版.北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[8]SINGAL K,RAJAMANI R.Zero-energy Active Suspension System for Automobiles with Adaptive Sky-hook Damping[J].Journal of Vibration and Acoustics,2013,135(1):011011.

[9]陳龍,何草豐.基于Simulink 的路面不平度時(shí)域模型仿真研究[J].科技信息,2012(7):367-368.

CHEN L,HE C F.Simulation Study of Time-domain Road Roughness Modeling Based on Simulink[J].Science & Technology Information,2012(7):367-368.

ResearchofVariableStiffnessSeatsUsedonSemi-activeSuspensionBasedonMATLAB

ZHENG Zhu’an, XIONG Xin, TI Yan, GU Sujing

(College of Automotive Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng Jiangsu 224051,China)

Half car model with 6 DOF was researched for the sake of further improving riding comfort. A new type of seat system with the ability of changing stiffness was proposed based on the skyhook control. Half-car dynamic differential equations were established. Choosing grade B road as the excitation from the ground, riding comforts in three different cases were compared. The simulation results show that skyhook control is effective to improve the car’s ride comfort compared with passive suspension systems, while semi-active suspension in which skyhook control is used with variable stiffness seats can improve riding comfort further.

Semi-active suspension; Skyhook control; Variable stiffness; Half car model;MATLAB/Simulink simulation

2017-02-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405419)；鹽城工學(xué)院教育教改研究項(xiàng)目(YC2016011)

鄭竹安(1984—)，男，博士，講師，主要從事新能源汽車技術(shù)研究。E-mail:40487939@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.002

TP274

A

1674-1986(2017)08-009-04