寧東紅,賈志娟,董明明,杜海平

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究院,安徽 合肥 230000;2.伍倫貢大學(xué) 電子計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程通訊工程學(xué)院,澳大利亞 伍倫貢 2522;3.鄭州師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450000;4.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081)

一直以來(lái),車輛振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響受到廣泛關(guān)注.雖然引起肩部痛疼、腰部及脊柱損傷和其它肌肉骨骼疾病的確切原因并不清楚,但是這些身體疼痛經(jīng)常發(fā)生于駕駛員身上,特別是需要長(zhǎng)時(shí)間和長(zhǎng)距離駕駛,或者在惡劣的環(huán)境中操作機(jī)械時(shí)的狀況.比如說(shuō)重型工程車輛、農(nóng)用車輛、礦山車輛以及軍用車輛等,由于其所行駛的路面不平而引起劇烈振動(dòng),使得其駕駛員長(zhǎng)期處于高強(qiáng)度的振動(dòng)中.這種劇烈振動(dòng)嚴(yán)重影響了駕駛和乘坐人員的乘坐舒適度、安全性及操縱性,對(duì)其身體健康也造成嚴(yán)重影響.輪胎、車輛懸架和座椅懸架都能起到減振作用.但是輪胎一旦裝配完成便不能再調(diào)整參數(shù).車輛懸架是車輛最主要的減振機(jī)構(gòu),但其調(diào)整或控制成本較高.而座椅懸架直接與駕駛員接觸,能以較低成本有效減少傳遞到駕駛員的振動(dòng).

本文主要綜述了車輛振動(dòng)對(duì)駕駛員影響、座椅懸架以及座椅懸架控制三個(gè)方面的研究,其中座椅懸架分為單自由度與多自由度座椅懸架.

1　全身振動(dòng)

圖1　人體坐姿與坐標(biāo)系定義Figure 1　Definition of the seated position and coordinate systems

全身振動(dòng)即影響身體所有部分的振動(dòng).圖1定義了全身振動(dòng)的方向與坐標(biāo)系[1].振動(dòng)通過(guò)坐墊、艙板和座椅靠背傳遞到人體,使人體產(chǎn)生沿xyz三軸的平移振動(dòng)和繞xyz三軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng).車輛駕駛員經(jīng)常處于劇烈的全身振動(dòng)之中,這些振動(dòng)主要來(lái)源于起伏的路面.重型車輛進(jìn)行鏟、挖、鉆等作業(yè)時(shí),也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng),其產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度比普通乘用車輛高好幾倍,特別是農(nóng)業(yè)和工程車輛,需要在長(zhǎng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境,對(duì)駕駛員影響極大.

重型車輛駕駛員承受全身振動(dòng)的問(wèn)題已經(jīng)吸引了廣泛的注意[2-4].Paddan等[5]對(duì)100輛工作車輛的減振效果進(jìn)行了評(píng)估.得出結(jié)論是,通過(guò)改善座椅動(dòng)態(tài)性能可大幅度降低全身振動(dòng)程度.Kumar[6]研究了用于覆蓋層采礦重載卡車座板的三軸振動(dòng)和駕駛員第三腰椎與第七頸椎的振動(dòng),確認(rèn)了振動(dòng)對(duì)健康的危害,并發(fā)現(xiàn)全身振動(dòng)在x與y軸上的振動(dòng)量超出ISO標(biāo)準(zhǔn)許多倍.Dewangan等[7]研究了身體對(duì)垂直振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng).他們根據(jù)性別和十一個(gè)不同的人體測(cè)量參數(shù),研究了垂直和前后方向的座椅到頭部的振動(dòng)傳遞率響應(yīng).Jack等[8]量化常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)操作任務(wù)中林業(yè)集材機(jī)的六自由度全身振動(dòng)水平.這些振動(dòng)對(duì)集材機(jī)駕駛員的健康產(chǎn)生不利影響.在這項(xiàng)研究中,值得注意的是,那些報(bào)告腰痛和頸部疼痛的駕駛員并不是那些暴露在最高水平加速度中的人,而是那些處于側(cè)向軀干彎曲和向前彎曲的時(shí)間比例最大的人.Cation等[9]全面分析了林業(yè)車輛六自由度振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù).與底盤加速度相比,集材機(jī)座椅放大了座椅與駕駛員接觸面的全身振動(dòng)加速度.Conrad等[10]量化五種常用車輛在煉鋼和金屬冶煉行業(yè)的六自由度振動(dòng).在日常操作任務(wù)中,這些車輛基于ISO 2631-1[11]的舒適性被預(yù)測(cè)為從不舒適到非常不舒服.Salmoni等[12]發(fā)表了運(yùn)輸業(yè)中全身振動(dòng)評(píng)估的三個(gè)案例研究,著重強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的困難,如有限的時(shí)間去了解工作環(huán)境和測(cè)試環(huán)境的難以控制.所有的研究都確認(rèn)了全身振動(dòng)對(duì)駕駛員的危害.就重型車輛來(lái)說(shuō),全身振動(dòng)的強(qiáng)度很高,但在過(guò)去的20多年中并未得到大的改善,這主要是對(duì)多自由度全身振動(dòng)控制的關(guān)注有限.

2　單自由度座椅懸架

單自由度座椅懸架主要包括三種形式:被動(dòng)、半主動(dòng)和主動(dòng).這三種懸架已被廣泛研究,各有優(yōu)缺點(diǎn).三種形式的單自由度座椅懸架模型如圖2,其中被動(dòng)座椅懸架包括彈簧K和阻尼器c.而半主動(dòng)懸架還包含有可變剛度Δk和可變阻尼Δc.在主動(dòng)懸架中有一個(gè)主動(dòng)作動(dòng)器產(chǎn)生主動(dòng)力.半主動(dòng)與主動(dòng)座椅懸架都需要作動(dòng)器、傳感器與相應(yīng)控制器.

圖2　座椅懸架Figure 2　The seat suspension schematic

1.1　被動(dòng)座椅懸架

圖3　負(fù)剛度座椅懸架Figure 3　Negative set suspension

被動(dòng)座椅懸架成本低,在一些應(yīng)用場(chǎng)合有著不錯(cuò)的性能,并且安全可靠.其彈簧剛度與阻尼系數(shù)優(yōu)化的研究已被廣泛進(jìn)行,但座椅一旦制成,它的剛度與阻尼不能再改變.剛度的選取影響著座椅懸架的共振頻率,阻尼則影響著座椅的舒適性.由于被動(dòng)座椅的被動(dòng)性,它可以有效的減少高頻振動(dòng)強(qiáng)度,而其共振頻率附近的振動(dòng)將會(huì)被放大.座椅懸架的共振頻率一般會(huì)選在2 Hz左右.重型車輛垂直振動(dòng)強(qiáng)度主要集中在2～4 Hz,重型車輛駕駛員經(jīng)常處于3 Hz左右的振動(dòng)會(huì)增加其疲憊與睡意[3].因此,通過(guò)權(quán)衡應(yīng)用場(chǎng)合所選取的座椅剛度與阻尼系數(shù),往往不能完全滿足重型車輛在不同工況的需求.針對(duì)被動(dòng)座椅的這個(gè)問(wèn)題,Wan與Schimmels[13]在座椅懸架設(shè)計(jì)中應(yīng)用非線性機(jī)械性質(zhì)以提高其在共振頻率的減振效果.Le與Ahn[14]設(shè)計(jì)并制作了負(fù)剛度座椅,以提高其在低頻振動(dòng)時(shí)的性能.此座椅懸架應(yīng)用兩個(gè)對(duì)稱的負(fù)剛度結(jié)構(gòu)與一個(gè)正剛度結(jié)構(gòu)平行設(shè)置,如圖3.

1.2　半主動(dòng)座椅懸架

半主動(dòng)振動(dòng)控制通過(guò)改變機(jī)械系統(tǒng)的阻尼或剛度,以相比主動(dòng)系統(tǒng)較少的能量來(lái)減小振動(dòng)強(qiáng)度.同時(shí),它還能保留被動(dòng)系統(tǒng)的故障安全特性.對(duì)于一個(gè)單自由度系統(tǒng),阻尼的變化會(huì)引起振動(dòng)傳遞率強(qiáng)度的變化,而剛度的變化會(huì)引起所控系統(tǒng)的共振頻率移動(dòng)[15-20].磁流變材料已被廣泛應(yīng)用于半主動(dòng)車輛懸架作動(dòng)器[21-24].磁流變液體阻尼器的控制是通過(guò)改變其內(nèi)部線圈電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的.通電線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),當(dāng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化,磁流變液體的粘性將會(huì)發(fā)生變化,從而阻尼器的阻尼系數(shù)會(huì)改變.Choi等[25]提出了一種基于磁流變液體阻尼器的半主動(dòng)座椅懸架.這種直線式磁流變阻尼器可應(yīng)用于商用車輛,如圖4.Hiemenz等[26]應(yīng)用磁流變液體開(kāi)發(fā)了一款針對(duì)直升飛機(jī)座椅的阻尼器.相較于直線式磁流變液體阻尼器,旋轉(zhuǎn)式磁流變液體阻尼器有易制造、用液少(成本低)的特點(diǎn),于是Sun等[27]提出一款使用旋轉(zhuǎn)式磁流變液體阻尼器的半主動(dòng)座椅.自供能式磁流變液體阻尼器使用由振動(dòng)能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化的電能,為磁流變液阻尼器中線圈供電[28,29].磁流變彈性體可通過(guò)鐵粉顆粒、硅膠和硅油制得.Li等[30]利用磁流變彈性體設(shè)計(jì)了一個(gè)用于座椅振動(dòng)控制的減振器,此減振器的控制通過(guò)改變通電線圈的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn).一種基于磁流變彈性體減振器的座椅被用于減少水平方向振動(dòng)[31].

圖4　直線式磁流變阻尼器座椅[32]Figure 4　MR seat suspension with linear damper [32]

除了磁流變材料,電流變材料也被應(yīng)用于半主動(dòng)座椅懸架.一種使用電流變液體的半主動(dòng)座椅懸架已應(yīng)于商用車輛.它的原型與所設(shè)計(jì)的滑?？刂破鞯挠行酝ㄟ^(guò)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證[33].電磁式半主動(dòng)座椅懸架[34,35]的原理與磁流變和電流變液體阻尼器懸架有很大的不同.它可將座椅振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,通過(guò)控制回路中電阻大小,改變電磁阻尼器的阻尼值,如圖5.

圖5　變阻尼電磁座椅懸架Figure 5　Electromagnetic seat suspension with variable damper

1.3　主動(dòng)座椅懸架

近些年,主動(dòng)座椅懸架吸引了越來(lái)越多的注意力,因?yàn)樗翘嵘{駛員舒適性的最有效的方法.可用于主動(dòng)作動(dòng)器的方案有多種,如電機(jī)、液壓和氣壓.Gan等[36]提出一種有兩個(gè)直線電動(dòng)缸的主動(dòng)座椅,主要用于減少傳遞到駕駛員身上的低頻振動(dòng).Maciejewski等[37]提出的主動(dòng)座椅裝有一個(gè)液壓式吸振器和一個(gè)可控空氣彈簧.此主動(dòng)控制系統(tǒng)可在0.5到4 Hz頻率內(nèi)獲得很高的系統(tǒng)魯棒性,并且在高頻振動(dòng)中有著和被動(dòng)座椅相當(dāng)?shù)臏p振性能.Kawana和Shimogo[38]所提出座椅的驅(qū)動(dòng)器由伺服電機(jī)和滾珠絲桿組成.此系統(tǒng)通過(guò)對(duì)所測(cè)臀部與座椅接觸處、座椅框架和駕駛艙地面的加速度進(jìn)行積分,獲得座椅振動(dòng)狀態(tài),從而進(jìn)行控制.Le等[39]針對(duì)低頻振動(dòng)提出一種使用負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)減振系統(tǒng).為了解決系統(tǒng)的時(shí)變和非線性特性,提出了自適應(yīng)智能反推控制器.Perisse和Jezequel[40,41]設(shè)計(jì)的座椅懸架使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和齒輪齒條機(jī)構(gòu),以把旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)換為垂直方向作用力.旋轉(zhuǎn)電機(jī)也可直接安裝在傳統(tǒng)座椅懸架的剪式結(jié)構(gòu)中心,通過(guò)座椅本身結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)換為垂直方向作用力[42],如圖6.為降低純主動(dòng)控制座椅的能耗,一種主動(dòng)與半主動(dòng)混合的座椅懸架被提出,其中小功率主動(dòng)作動(dòng)器與磁流變液體半主動(dòng)作動(dòng)器配合工作[43].

圖6　主動(dòng)座椅懸架Figure 6　Active seat suspension

3　多自由度座椅懸架

盡管全身振動(dòng)已經(jīng)吸引了研究者的注意力,但是座椅懸架的多自由度減振系統(tǒng)較少有報(bào)道.一個(gè)Stewart平臺(tái)形式的有六個(gè)作動(dòng)器的六自由度主動(dòng)座椅懸架專利已被申請(qǐng)[44],然而它的實(shí)用性還有待驗(yàn)證.Kieneke等[45]提出一種用于軍用車輛的兩自由度主動(dòng)座椅懸架,可控制垂向和側(cè)向振動(dòng).經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),此懸架的有效性得到驗(yàn)證.Frechin等[46]設(shè)計(jì)了一個(gè)四自由度座椅懸架,如圖7所示.此懸架可對(duì)垂直方向進(jìn)行隔振,并補(bǔ)償車輛運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的傾斜和平移加速度.它有滾動(dòng)、俯仰、偏航和升降四個(gè)自由度.Klooster[47]設(shè)計(jì)了一個(gè)有3個(gè)并聯(lián)液壓作動(dòng)器的多自由度座椅懸架,可對(duì)垂直、水平和俯仰方向獨(dú)立控制.為了解此座椅懸架在減少有害振動(dòng)的潛能,文章對(duì)每個(gè)方向的性能作了單獨(dú)評(píng)估.根據(jù)ISO2631-1的頻率權(quán)重曲線,人體對(duì)不同自由度振動(dòng)的敏感頻率不同,如對(duì)于垂直方向,5～8 Hz的振動(dòng)對(duì)駕駛員影響最大,對(duì)于沿x與y軸的平移方向,1～1.25 Hz的振動(dòng)對(duì)駕駛員影響最大,對(duì)于沿三軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的振動(dòng),則是0.8 Hz.通過(guò)分析人體對(duì)不同自由度振動(dòng)的敏感頻率,Ning等[48]提出一種兩層、多自由度主動(dòng)座椅,這種兩層結(jié)構(gòu)可減少垂直方向振動(dòng)與其它四個(gè)方向振動(dòng)(沿x與y軸的平移和繞x與y軸的旋轉(zhuǎn))的耦合,從而可以分別設(shè)計(jì)控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)五個(gè)自由度的減振控制.

圖7　四自由度球面運(yùn)動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)Figure 7　Seat suspension with 4-DOF spherical motion system

4　控制算法

關(guān)于懸架減振控制的策略有很多,如H∞控制[49-55],線性二次高斯(LQG)[56,57],自適應(yīng)控制[58]和模糊控制[59,60]等.由于H∞控制器求解和執(zhí)行簡(jiǎn)單,對(duì)于它有不同的研究.文獻(xiàn)[50]提出了一種兩步法可用于懸架靜態(tài)輸出控制器的求解.針對(duì)人體對(duì)不同振動(dòng)頻率敏感度不同,文獻(xiàn)[51,52]提出了有限頻率H∞控制器.Li等[53]針對(duì)有延時(shí)的懸架系統(tǒng)提出了一個(gè)輸出反饋控制器.Du等[61]設(shè)計(jì)了一個(gè)次優(yōu)H∞控制器,以控制基于磁流變彈性體的半主動(dòng)變剛度座椅.近些年,TS模糊算法被應(yīng)用在懸架減振控制[62].Du等[63]使用TS模糊模型設(shè)計(jì)了一個(gè)基于觀測(cè)器的H∞控制器,解決了半主動(dòng)作動(dòng)器的非線性問(wèn)題.車輛或座椅懸架控制很少有使用加速度作為反饋的.盡管加速度測(cè)量信號(hào)中容易引入高頻噪音,但通過(guò)合理設(shè)計(jì)算法,可用來(lái)有效估計(jì)摩擦力等擾動(dòng)[64,65].Choi和Han[66]提出一種基于狀態(tài)估計(jì)器的滑?？刂破饔糜诎胫鲃?dòng)座椅懸架.

5　展　望

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人們對(duì)于駕乘舒適性的要求必然越來(lái)越高,在座椅懸架方面的投入也會(huì)不斷增加.對(duì)于大多數(shù)車輛而言,垂直方向單自由度座椅懸架已能滿足減振要求,而對(duì)于一些重型車輛,需要多自由度減振座椅懸架才能提供舒適性.減少能耗與成本是半主動(dòng)或主動(dòng)座椅懸架一直以來(lái)的發(fā)展趨勢(shì).通過(guò)總結(jié)文獻(xiàn)中未解決的問(wèn)題和分析這一領(lǐng)域中可能的熱點(diǎn)研究方向,我們認(rèn)為,在座椅懸架減振領(lǐng)域有如下問(wèn)題需要更深入的研究:

1)利用全身振動(dòng)研究成果建立三維空間的人體模型,以用于多自由度減振控制器設(shè)計(jì);

2)利用可穿戴設(shè)備,對(duì)駕駛員身體振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,實(shí)現(xiàn)人機(jī)在環(huán)的座椅懸架減振控制;

3)基于實(shí)際應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)三自由度或四自由度等的多自由度減振座椅懸架;

4)利用實(shí)際應(yīng)用中易測(cè)量的相對(duì)位移和加速度,設(shè)計(jì)主動(dòng)或半主動(dòng)座椅懸架控制器.