汽車座椅減振系統的研究綜述

提艷*，熊新，吳紀軍，李高戰，鄭竹安，周洋

（鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051）

汽車座椅減振系統的研究綜述

提艷*，熊新，吳紀軍，李高戰，鄭竹安，周洋

（鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051）

汽車座椅減振系統對駕駛員的工作舒適性和安全性十分重要。文章介紹了汽車減振系統的研究現狀，結合國、內外研究，綜述了汽車座椅減振系統的模型及衰減座椅振動的各種控制方法，并對今后的研究工作進行了探討。

汽車座椅；減振系統；控制方法；優化設計

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-11-03

引言

隨著社會的發展，汽車已經越來越普及，汽車的安全性和舒適性也越來越受到關注和重視。除了汽車懸架系統能夠衰減路面帶給駕駛者的振動以外，座椅的減振系統也尤為重要。特別是工程車輛，由于工作環境比較惡劣，長時間工作，會增加駕駛員的疲勞程度，影響健康。所以，座椅減振系統對駕駛員的安全性和舒適性具有極其重要的作用。浙江農林大學工程學院章麗萍[1]等研究汽車座椅減振系統的振動頻率為3-5Hz時，座椅的軟墊是不能有效衰減振動的；振動頻率為1-2Hz時，座椅的軟墊不僅不能衰減振動，而且會加劇振動。張志勇[2]試驗研究座椅被動懸架系統的參數固定，取值范圍小，在多變的行駛環境中，對駕駛員的安全性和舒適性有影響。萬偉[3]對座椅主動減振系統進行了研究，表明座椅主動減振系統可以有效的衰減振動，但是結構復雜、成本高，需要消耗能量，抗干擾能力差。目前，國內、外文獻主要集中在對座椅系統的控制策略上，如神經網絡、滑膜控制等，該類控制策略并沒有使座椅系統乘坐舒適性達到最佳。但是，現在主動、半主動座椅減振系統因在車輛上的運用還是有限制的。本文針對以上問題著重對座椅減振系統進行探討，分析車輛座椅減振系統物理模型、數學模型，車輛減振系統系統控制方法等。

1、座椅減振系統模型

1.1 座椅減振系統物理模型

三自由度車輛座椅減振系統模型如圖1所示[4]，m1單輪對應的簧下質量；m2為單輪上對應的車身質量，即簧上質量；ms為單輪對應的座椅和人體質量；Kt為輪胎剛度，Z1簧下質量的垂向位移；K為懸架剛度，C為懸架系統的阻尼系數，Z2為簧上質量的垂向位移；Ks為座椅剛度，Cs為座椅系統的阻尼系數，p為座椅的垂向位移；q為路面輸入。

圖1 三自由度車輛座椅減振系統

1.2 座椅減振系統數學模型

根據牛頓法(或拉格朗日法)建立座椅系統的振動微分方程如下：

化簡，可得：

根據三自由度座椅減振系統的數學模型，得到座椅減振系統的幅頻特性。

2、三自由度減振系統控制方法

由于座椅減振系統通過數學模型得到參數設計的解析解很難，國內外大多是利用計算機軟件進行仿真控制，根據結果進行優化。國內外提出的控制方法很多，如：

（1）天棚阻尼控制方法。最早題出的是天棚阻尼控制方法，原理是在座椅上施加一個與座椅絕對速度成正比的阻尼力，然后合理選擇參數，能夠衰減甚至消除共振[5]。但是天棚阻尼控制方法實際上實現是非常困難的，僅僅是在理論上實現了。所以，在此基礎上提出了如開關控制策略的改進型的天棚阻尼控制方法。

（2）最優控制方法。與天棚阻尼方法比較，最優控制法能夠更多的考慮多變量的影響，是一種現代控制理論，有較好的控制效果。通過最優控制法解出反饋增益矩陣，能夠利用得到的阻尼力與減振系統中減振器產生的阻尼力進行對比，進行優化。目前，線性最優控制、H*最優控制[6]和最優預報控制已經廣泛應用到車輛懸架的控制系統，在座椅減振系統上的應用較少。

（3）模糊半主動控制。由于一些座椅減振系統中用到磁流變減振器，其非線性和建模較困難，所以需要大量的試驗和建模工作才能獲得精確的模型[7]。對于座椅減振系統來說，探索磁流變減振系統具有現實意義。

（4）神經網絡自適應控制。神經網絡控制具有學習性和并行性，是近幾年新興起的人工神經網絡控制的一個分支，為非線性系統帶來了新思路，具有更強的自適應能力[8]。與傳統的控制方法比較，自適應網絡控制在受控制過程的模型和環境未知的情況下，仍然可以得到高質量控制品質。此控制方法抗干擾能力強，控制效果好，使得神經網絡控制在減振系統領域中得到很大重視。

除此之外，還有符合控制方法，李以農、鄭玲[9]將模糊控制和神經網絡相結合，論述了模糊神經網絡非線性控制方法。

3、總結

座椅減振系統對駕駛員的舒適性和安全性具有十分重要的意義。

由于汽車座椅減振系統大多是集中在控制上或者改變彈簧剛度[10]上，這些并沒有使駕駛員座椅到達最佳舒適性。針對以上存在的問題，在以后的研究中將進一步探索座椅減振問題。

（1）進一步優化座椅減振系統的物理模型，建立數學模型，對座椅減振系統的評價指標進一步的分析；

（2）優化座椅減振系統的剛度，由線性向非線性進行優化，充分考慮駕駛員座椅的舒適性和安全性。

（3）利用計算機軟件對研究內容進行仿真驗證，多變量進行仿真優化，達到最佳設計，更進一步提高座椅的乘坐舒適性和安全性，減輕駕駛員的工作疲勞強度。

[1] 章麗萍, 張培培, 孟曉麗, 等. 一種新型農用車輛減震座椅的設計[J]. 汽車實用技術, 2014 (12): 61-64.

[2] 張志勇. 半主動座椅懸架控制理論與實驗研究[D]. 湖南大學, 2008.

[3] 萬偉. 農用車輛磁流變半主動減振座椅的建模與仿真研究[D].華中農業大學, 2012.

[4] 余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社, 2009.

[5] 黃斌，蔣祖華等. 汽車座椅系統動態舒適性的研究綜述［J］.汽車科技，2001.6.

[6] 劉少軍，曹君，朱潔，黃運明. 車輛座椅懸架系統的建模與魯棒控制研究［J］.信息與控制，2007.12.

[7] 朱華.基于磁流變技術的車用減震器［J］.汽車零部件，2009.4.

[8] 劉會英, 蓋玉先, 鄭超. 汽車座椅主動振動控制與仿真分析. 中國機械工程, 2006, 06, 12(17)：1227-1230.

[9] 李以農, 鄭玲. 汽車非線性半主動懸架的模糊神經網絡控制[J].汽車工程, 2004, 26(5)：600-628.

[10] 高麗杰. 基于正負剛度彈簧并聯的車輛座椅隔振技術研究[D].東北林業大學, 2009.

The Research Summarization of the Car Seat Vibration System

Ti Yan*, Xiong Xin, Wu Jijun, Li Gaozhan, Zheng Zhuan, Zhou Yang
( YanCheng Insitute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051 )

The vibration system of car seat for the driver's comfort and safety is very important. This paper introduced the research situation of the automobile vibration system, Combining the domestic and foreign study, summarized the research model of car seat vibration system and a variety control methods reducing the seat vibration, and probed research work in the future.

car seat; vibration system; control methods; optimal design

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-11-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.005

提艷，女，鹽城工學院，助教，主要研究方向汽車零部件設計，汽車平順性研究等。

熊新，男，鹽城工學院，副教授，主要研究方向汽車電器與電子技術、汽車液壓與控制及汽車振動分析等。