基于MATLAB的半主動懸架可變剛度座椅的研究

鄭竹安，熊新，提艷，顧蘇菁

(鹽城工學院汽車工程學院，江蘇鹽城 224051)

基于MATLAB的半主動懸架可變剛度座椅的研究

鄭竹安，熊新，提艷，顧蘇菁

(鹽城工學院汽車工程學院，江蘇鹽城 224051)

為進一步改善汽車的乘坐平順性，利用MATLAB建立了1/2車動力學微分方程；以半主動懸架天棚阻尼控制為基礎，設計一種可以改變剛度的座椅系統；以線性濾波得到的B級路面為輸入進行仿真分析,對比了3種情況下的汽車平順性。結果表明：相比于被動懸架，天棚阻尼控制有效改善了汽車的平順性，同時附加變剛度座椅的半主動天棚阻尼控制懸架能進一步提高乘坐舒適性。

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

0 引言

懸架系統是汽車中的重要部件，其性能對汽車的平順性影響很大。目前對懸架的研究多趨向于主動懸架控制的開發，趙妍等人[1]對二自由度模型進行了天棚阻尼控制的研究, 陳燕虹等[2]對半車懸架模型進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。然而大多數國內學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：H P DU等[4-5]對帶有座椅的二自由度模型進行了研究，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舒適度的影響，設計了可變剛度的座椅系統。結果表明：這種新式座椅系統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 可變剛度系統設計

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，考慮車輛的俯仰在內一共6個自由度。

圖3 半車六自由度模型

對圖3所示的半車六自由度模型，根據牛頓第二定律，可列運動學方程如下:

(1)

(2)

ys2=ys-θsL4

(3)

ys1=ys+θsL3

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：I為轉動慣量；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；Fi為作動器產生的力；mui為簧下質量；ms為簧上質量；mci為座椅和人質量之和；Li分別表示質心到各部位的水平距離。

1.3 主動懸架天棚控制方法

文中主動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為目的的控制方法，相比于模糊控制等先進控制簡單有效，更容易在車上得到實現和應用。作動器產生的力與其上下連接的物體相對速度有關，以實時根據不同的行駛狀況改變所需的作動力，其關系如下:

其中：Fi為半主動懸架阻尼力；μ為可控阻尼系數，根據不同的需求可以自定義其數值。

1.4 路面輸入的建立

采取時域路面不平度的線性濾波法建立模型[9]。其基本思想是對路面功率譜進行處理得到數值濾波器，再讓計算機生成的正太隨機數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)為強度為1的白噪聲；u為速度。

文中使用的路面激勵曲線如圖4所示。

圖4 路面輸入曲線

2 算例仿真分析

2.1 算例參數設置及模型搭建

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

表1 半車模型各參數取值

2.2 結果比較

對無控制的被動懸架、天棚控制的半主動懸架以及基于天棚控制座椅剛度可變的懸掛系統進行了仿真比較，如圖5—8所示。可以看出：天棚控制的半主動懸架能夠有效地衰減振動，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。同時對比兩種天棚控制方法，可以看到：帶有可變剛度座椅的系統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(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 結論

設計了一種剛度可變的座椅系統，通過MATLAB/Simulink 建立了六自由度半車模型，實現了座椅剛度可變的天棚阻尼控制，通過仿真結果比較可以看出天棚阻尼控制相比于傳統的被動懸架很大程度上改善了平順性，同時從座椅加速度角度來看帶有可變剛度座椅系統的懸架對乘坐者而言具有更好的平順性，可以提高乘坐品質。

[1]趙研,寇發榮,方宗德.汽車天棚控制半主動懸架模型仿真與性能分析[J].計算機仿真,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,等.基于空氣懸架客車1/2模型的模糊控制仿真[J].吉林大學學報(工學版),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.汽車動力學[M].4版.北京:清華大學出版社,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

國家自然科學基金資助項目(51405419)；鹽城工學院教育教改研究項目(YC2016011)

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

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.002

TP274

A

1674-1986(2017)08-009-04