基于磁流变阻尼器的汽车座椅悬架系统天棚阻尼控制器.doc

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1、基于磁流变阻尼器的汽车座椅悬架系统天棚阻尼控制器_论文 重庆大学本科学生毕业设计(论文)基于磁流变阻尼器的车辆座椅悬架系统天棚阻尼控制器设计 学 生:李章洲 学 号:20083467 指导教师:浮洁 专 业:电子科学与技术 重庆大学光电工程学院二O一二年六月Graduation DesignThesis of Chongqing UniversitySkyhook controller design of vehicle seat suspension system based on magnetorheological damper Undergraduate: Li ZhangzhouSu

2、pervisor: Lec. Fu JieMajor: Electronic science and technologyCollege of Opto-electronic EngineeringChongqing UniversityJune 2012摘要 座椅悬架作为汽车的重要组成部分,其作用是缓和不平路面传传递给乘客或司机的振动,提高乘坐和驾驶的舒适性。现有座椅悬架多采用被动悬架,其参数不能根据路面的状况实时变化,减振效果不理想。磁流变座椅悬架是一种半主动悬架,具有阻尼力可调范围大、响应快等优点。因此,研究基于磁流变减振器的半主动悬架系统对改善座椅悬架的动态性能、提高汽车安全性和舒适性

3、有着重要意义。本文以磁流变座椅悬架系统为对象,在对悬架系统动力模型分析的基础上,设计天棚控制策略,实现振动衰减。主要工作如下: (1)对目前座椅悬架系统的发展进行综述,阐述了研究半主动座椅悬架系统的意义,并分析磁流变阻尼器的常用控制策略,提出本文将要开展的工作,了解磁流变阻尼器和半主动悬架系统的国内外研究现状。 (2)了解磁流变液的特性和相关应用,掌握半主动悬架系统的研究方法,建立磁流变座椅悬架系统的动力学模型。 (3)对天棚控制算法进行研究,利用Matlab对悬架模型的传递函数进行幅频特性分析,求解出满足要求的天棚阻尼系数。 (4)利用Matlab/Simulink软件平台,搭建系统仿真模型

4、,将所设计的天棚控制器加入到系统模型中进行仿真分析,验证基于天棚阻尼控制器的半主动悬架系统的有效性。 关键词:半主动悬架系统,磁流变阻尼器,天棚控制,人-椅2自由度模型,Matlab/SimulinkABSTRACT The seat suspension as an important part of the car, its role is to ease the uneven road pass is passed to the passengers or the drivers vibration and improve ride and driving comfort. Existi

5、ng seat suspension to use more passive suspension parameters cant be based on real-time changes of the status of road, the damping effect is not ideal. Magnetorheological seat suspension is a semi-active suspension, with adjustable damping force range, fast response. As a result, the study based on

6、MR damper semi-active suspension system to improve the dynamic performance of the seat suspension, improve vehicle safety and comfort is of great significance. In the paper, Magnetorheological seat suspension system on the basis of the analysis of the dynamic model of the suspension system, design s

7、ky-hook control strategy of vibration attenuation. The main tasks are as follows: 1. This paper summarizes the development of all kinds of seat suspension, and expounds the significance of the seat suspension research, analyses the control strategies of MR damper and proposes the main content, under

8、stands the domestic and foreign present situation of MR dampers and MR semi-active suspension. 2. According to the relevant literature, the characteristics and application of MR fluids are understood, the research method of semi-active suspension system is grasped, and the Magnetorheological seat su

9、spension system is built up. 3. Based on the skyhook control algorithm, the amplitude frequency characteristics of the transfer function of the suspension model is built by using Matlab software, the suitable skyhook damping coefficient is tested out. 4. By using Matlab/Simulink, the model of Magnet

10、orheological seat suspension system is built. The skyhook damping coefficient is brought into the system model, and the effective damping performance of semi-active suspension system with skyhook damper has been verified. Key words: Semi-active suspension system, MR damper, skyhook control, two-degr

11、ee-of-freedom human-seat model, Matlab/Simulink目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1座椅悬架的研究意义11.2座椅悬架的种类11.3座椅半主动座椅悬架的国内外研究现状21.4磁流变阻尼器的控制方法研究41.5课题主要研究内容51.5.1课题任务51.5.2课题重点研究内容5第二章 磁流变阻尼器座椅悬架系统动力学建模62.1磁流变液的介绍62.1.1磁流变液的特点62.1.2磁流变阻尼器的工作模式72.2磁流变半主动阻尼控制器的动力学分析82.2.1被动悬架的动力学模型92.2.2半主动控制阻尼器动力学模型92.2.3座椅悬架系统的性

12、能评价标准112.3本章小结11第三章 天棚控制器的设计123.1天棚控制器原理123.1.1人-椅悬架系统的被动悬架模型123.1.2人-椅模型的半主动天棚控制器模型143.2天棚控制器参数的确定153.3天棚阻尼系数的确定153.4本章小结18第四章 仿真分析194.1Matlab/Simulink仿真介绍194.2磁流变阻尼器座椅悬架控制系统Simulink模块搭建194.3仿真结果与分析224.3.1被动悬架仿真结果与分析224.3.2天棚阻尼控制悬架仿真结果与分析234.4仿真结果分析254.5本章小结25第五章 工作总结和展望265.1本文的主要工作和结论265.2研究工作不足和展

13、望26参考文献27第一章 绪论 座椅悬架的研究意义 近年来,随着我国国民经济的飞速增长,高速公路网大量建设,人们对交通的需求越来越高,迅速发展的公路网拉动了人们对汽车的消费需求,同时对汽车的总体性能也提出了更高的要求。由于汽车在高速行驶时地面会传递给座椅随机振动,当这种振动达到一定程度时可能对汽车本身造成损害,同时过大的振动也会给乘坐人员带来身体上的损害。悬架在传递这些力和力矩保证车辆正常行驶的同时,还要缓和不平路面传给车架或车身的冲击载荷,抑制车轮的不规则振动,提高汽车的安全性(操纵稳定性)和乘坐舒适性(平顺性),减少动载荷引起的零部件和货物损坏2324。汽车座椅悬架是汽车上的关键部件,直接

14、影响到汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性以及操纵稳定性等多种使用性能。因此,研究并改善座椅悬架系统的动态性能对改善车辆驾驶舒适性具有重要意义。 座椅悬架的种类 悬架是汽车中实现行驶平顺性和行驶安全性的基本机械结构,常见的车辆座椅悬架大体可分为三种:被动座椅悬架、主动悬架和半主动悬架。 被动座椅悬架是传统的机械结构,如图1.1(a)所示,主要由刚性悬架结构和弹性悬架结构组成,这种悬架结构的刚度与阻尼的参数选择通常由经验设计或优化设计方确定的,其优点是悬架的结构简单,成本较低,性能可靠且不需额外能量,因此被动座椅悬架应用最为广泛。目前主要的吸能装置主要有调谐质量阻尼器 TMD(Tuned Mass Da

15、mper)、调谐液体阻尼器 TLD21。但是被动悬架的参数不能实时改变或控制,难以适应随机改变的路面状况,同时被动悬架不能同时满足车辆的平顺性和乘坐舒适性的要求,性能得不到提高。因此被动座椅悬架只能局限于特定路面状况和行驶速度下使用。 为了克服被动座椅悬架的不足,通用公司提出了主动座椅悬架的概念17。主动悬架系统是采用有源、可控的元件组成一个闭环控制系统,如图1.1(c)所示,通过外加的动力源为悬架系统提供一个适当的阻尼力,由于这个动力源可根据车辆的行驶状态和路面输入激励的大小主动作出反应,调整悬架的阻尼特性和弹簧刚度,以便抑制座椅的振动,使悬架始终处于最佳减振状态,能同时满足车体平顺性和乘坐

16、舒适性的双重要求。然而要适应复杂多变的路况和车况,主动作动器要提供连续变化的控制力,功率消耗很大,一般可达10Kw左右16,本身硬件价格昂贵且技术含量极高,整个系统中使用的传感器数量多,结构复杂,消耗能量多,这使得主动座椅悬架在实际应用中得不到推广。 Crosby 和 Karnopp 在1974 年提出了基于“天棚”(skyhook)阻尼的半主动悬架的概念1。半主动座椅悬架包含一个可变参数的阻尼器,如图1.1(b)所示,通过输入地面振动来调节悬架阻尼系数,阻尼器产生一个相应的作用力来抑制座椅的振动。座椅悬架弹性元件需要承担人体的静载荷,因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难得多,目前半主

17、动悬架的研究基本上局限于阻尼控制的研究2。半主动座椅悬架的控制效果比较接近主动座椅悬架,而且悬架系统的结构简单可靠,易于实现,耗能少,造价也比主动悬架便宜,很适合应用在各类座椅悬架中。 (a)被动悬架 (b)半主动悬架 (c)主动悬架 簧载质量;非簧载质量;悬架弹簧刚度;轮胎刚度;C悬架阻尼系数;库伦阻尼力;f作动器作用力 图1.1 被动悬架、半主动悬架和主动悬架模型 半主动控制系统主要包括半主动变刚度系统、半主动变阻尼系统。 半主动变刚性系统是由日本的振动专家小崛Kobori提出10,结构变刚度控制通过适时调整结构层间刚度的方法来减小结构的振动。1990年时建成了一栋地上三层的钢结构建筑,在

18、两侧各层的倒V型支撑顶点,与梁连接处设置可变刚度装置,其上及地面设置反应传感器,在首层地面放置了地震传感器,在二层楼面处,布置了地震观测装置、量测装置及计算机控制装置,并在地下室备有紧急备用发电机。地震发生该系统立即运转,通过时断时续地控制支撑作用,避免与输入地震动发生共振。分析记录结果表明,该装置可产生较好的控震效果。 磁流变阻尼器是常见的半主动变阻尼系统,目前对这种阻尼器的研究也是较多,在实际中得到广泛推广,在车辆悬挂系统、斜拉桥拉索振动控制、海洋平台结构的减振及高层建筑的隔振等方面展示出了良好的应用前景。 半主动座椅悬架的国内外研究现状 从1948年Rabinow.J发明了磁流变液,到2

19、0世纪八十年代末期人们开始关注磁流变材料,再到1996年磁流变液在工程应用方面有所突破,这当中经历了很长一段时间。P .Barak 和 D.Hrovat 用计算机模拟激励的方法对座椅采用主动和半主动悬架结构的加速度的方均根值、横振加速度方均根值和纵振加速度方均根值进行了评估1,验证了半主动控制座椅悬架的减振效果。 美国Ford、GM、Lord、Delphi等公司及加州州立大学都对磁流变材料或智能减振技术进行过研究18。Lord公司研究研发了一种磁流变阻尼器,并在此基础上开发了汽车磁流变半主动座椅悬架系统-MotionMaster3。 在磁流变阻尼器的理论设计中,美国的马里兰大学的研究代表着世界

20、的先进水平,他们开发了具有充气补偿结构的汽车磁流变减振器。该阻尼器采用流动工作模式,单筒结构,工作缸采用低碳钢来制作以便提高磁路的导磁率,活塞采用软磁材料,线圈位于活塞内部,在工作缸内部采用浮动活塞来隔离补偿气体,阻尼力变化范围是3501500N。至此美国德尔福和福特公司等等也已经研制并开发出了相应的商业产品4。 德国的汽车公司开发出一种磁流变半主动悬架系统,能够根据车身的起伏、俯仰、侧倾等运动状态,采用天棚阻尼控制策略对四个车轮处的四只磁流变阻尼器进行单独控制,有效隔离路面不平坦而导致的车身振动,以及减轻汽车制5。 2002 年德国的采埃孚?萨克斯公司开发出了一种能自动识别道路状况的磁流变半

21、主动悬架系统?自动连续调节阻尼控制系统(CDC)6。这种悬架系统采用了天棚阻尼控制策略,可以根据车身起伏、俯仰、侧倾等运动状态,对每个车轮进行独立控制。 在国内,对座椅悬架磁流变半主动悬架统的研究中,许多研究单位、企业单位和高校都作了很多研究工作。上海交通大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨建筑大学对磁流变减振系统在建筑结构方面的应用进行了研究。 我国有数座斜拉大桥安装了磁流变阻尼器以控制斜拉索的风雨振动激励响应。Erkus等率先基于简化的两自由度线性模型,使用LQR-Clipped最优控制算法实现了隔震高架桥的MR半主动控制。在此基础上,陈水生研究了采用模糊控制策略进行MR阻尼器的半主动控制,并与L

22、QR-Clipped最优控制进行了对比分析。与此同时,Lou等也开展了隔震高架桥的模糊控制研究。李忠献等联合离线优化与在线自调整相结合进行了模糊控制,体现出较好的控制效果和鲁棒性。此外,阎石等和Kori等还研究了考虑桥墩非线性的高架桥隔震半主动控制11。 西安大学的倪建华、同济大学的赵治国、余卓平等也分别研制了磁流变减振器,并进行了特性试验研究19。南京航空航天大学对磁流变阻尼器进行了试验研究和理论分析,设计和实现了半主动悬架的测控试验系统,在不同的控制策略下对磁流变悬架系统进行了试验室台架测试20。重庆大学解决了磁流变减振器磁路和结构设计里的一些技术问题,开发出微型车辆磁流变减振器,并在国家

23、客车质量监测中心进行了测试,为汽车磁流变阻尼器的开发和应用奠定了理论和技术基础,如图1.2所示2。 相对欧美发达国家而言,我国对磁流变减振器和车辆半主动悬架系统的研究、设计与开发起步较晚,目前大多停留在实验研究阶段,还不能成熟地应用于实车上。 图1.2 用于长安微型汽车的磁流变阻尼器 磁流变阻尼器的控制方法研究 在汽车悬架半主动控制系统中,控制策略决定了悬架的控制效果。国内外对汽车座椅悬架系统的控制算法进行了很多研究,提出了很多种半主动悬架控制策略的方法。 (1)天棚控制:这是Crosby 和 Karnopp 在1974 年提出的,它是主动悬架/半主动悬架的经典控制逻辑,它将簧上质量的垂直振动

24、速度进行反馈对悬架进行控制。天棚控制策略可以很好地解决座椅悬架系统的舒适性问题,但是也伴随着要牺牲车辆的操作平顺性。天棚控制方法可减小簧载质量加速度和悬架动挠度,但是却增大了轮胎动载荷14。天棚控制策略在半主动控制悬架系统中被广泛使用,理论和实际检测结果都表明了采用天棚控制策略的半主动控制悬架系统与被动座椅悬架相比,极大提高了车辆乘坐舒适性。 (2)模糊控制:以系统的某些状态量作为输入,将输入量模糊化后按一定的模糊规则进行模糊推理决策,将得到的控制量作方法结合使用才能发挥更大的效用。模糊控制策略在控制过程中采用语言变量代替数字变量,使控制策略更加智能化,是目前世界上研究较多的控制策略。 现代控

25、制理论的应用都有一个要求:需要建立被控对象的精确数学模型。然而,现实中很多被控对象或过程存在非线性、时变性、多参数间的耦合、随机干扰等等各种各样的不确定性,很难对被控对象或者系统建立精确的数学模型。尤其随着科学技术的发展,各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性以及适应能力的要求越来越高,一些常规的控制方法,如经典控制和现代控制,已经很难满足控制的要求。 (3)神经网络控制:由大量的处理单元组成,具有可学习性和巨量并行性的特点,在车辆悬架系统的振动控制中应用前景良好,是一个高度并行的非线性动力系统。但是它对基于规则的知识需要长时间的训练,因此它需要和其他的控制结合使用才能发挥更大的

26、效用。 (4)自适应控制:主要针对路面激励的随机干扰,传感器测量噪声及系统模型的时变性,利用系统辨识理论对模型进行在线辨识,并在辨识结构的基础上修正控制器参数。Venhevens 在研究了半主动悬架克服“天棚”阻尼对“轮跳”现象抑制效果不理想的缺点时提出了自适应控制,通过综合平衡道路附着力和乘座舒适性之间的关系,由 Kalman 滤波器估计状态变量,根据道路路况和车速反映出的轮胎载荷变化,及时调整阻尼参数。这种控制策略在低频段效果较好,在高频段也有一定效果。 相比于其他几种半主动控制策略,天棚阻尼控制所需的测试仪器少,理论简单且易于实现,可以通过合理选择参数消除系统的共振现象。另外,天棚控制方

27、法可以减小簧载质量加速度和悬架动挠度,同时还可以极大的抑制它们在车身共振区的作用。课题主要研究内容课题任务 磁流变阻尼器在汽车悬架系统上得到越来越广泛地应用,其所用的控制方法也多种多样。本次课题重点是设计出一种天棚控制器,通过查找相关的文献,理解和熟悉天棚控制的研究方法,求解适当的天棚阻尼系数,通过Matlab/Simulink对所设计的半主动悬架系统进行仿真分析,并与被动悬架系统作比较,验证半主动悬架系统的性能。课题重点研究内容 (1)通过阅读相关文献资料,研究磁流变阻尼器座椅悬架系统的结构组成和各单元的功能以及磁流变阻尼器在座椅悬架系统减振中的工作原理,说明研究磁流变阻尼器座椅悬架系统的意

28、义,并对目前座椅悬架系统的发展及磁流变阻尼器的国内外研究和应用现状作综述; (2)结合相关文献对磁流变阻尼器座椅悬架系统的工作过程进行分析,了解天棚阻尼控制算法,完成磁流变阻尼器座椅悬架系统的建模和天棚阻尼控制算法的设计; 第二章 磁流变阻尼器座椅悬架系统动力学建模 本章节对磁流变液的特点、磁流变半主动阻尼控制器的动力学分析以及磁流变半主动控制器的建模和控制算法做相应的阐述,并根据磁流变半主动阻尼控制器的天棚控制模型推导出相关的动力学方程。 磁流变液的介绍磁流变液的特点 智能材料是一类具有特殊功能的新型材料,如电流变液体、磁流变液体、光纤材料、压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金

29、等22,采用智能材料可以制作电、磁或温度等调节的振动半主动控制装置,其中,电流变液和磁流变液是目前应用比较广泛的两种智能材料。 磁流变液是一种悬浮液,由分散溶在绝缘载液中的非胶体细小颗粒形成,它能够随着磁场强度的变化而变化,实现控制其流变行为的目的4。在未加磁场时,磁流变液表现为牛顿(Newton)流体的特性,其剪切应力等于粘度与剪切率的乘积;在外加磁场的作用下,磁流变液表现为宾汉(Bingham)流体的特性,其剪切应力由液体的粘滞力(粘滞力等于粘度与剪切率的乘积)和屈服应力两部分组成,其流变特性的改变表现为屈服应力随磁场强度的增加而单调增加,而液体的粘度不变。当外加磁场达到某一临界值时,磁流

30、变液停止流动达到固化,当去掉外加磁场时,它又恢复到原来的状态12。 目前大多数的汽车座椅都采用半主动悬架结构,由于在悬架中弹簧的自身特性是固定的,不易于改变,半主动座椅悬架结构都采用改变悬架系统阻尼力的形式来达到控制目的。磁流变阻尼器的作用原理是磁流变液中随机分布的磁极化粒子在外加磁场的作用下沿磁场方向运动,这种运动使粒子形成链状或网状结构,从而使磁流变液的流动特性发生变化,进而使阻尼器阻尼通道两端的压力差发生变化,达到改变阻尼力的目的2。 磁流变液在外加磁场和剪切负载下最明显的变化是其流变性质,磁流变流体在外加磁场作用下的屈服过程由屈服前区、屈服区和屈服后区三个阶段组成,而磁流变液的工作状态

31、基本都处在屈服后区。大量实验表明,磁流变液的优点10: 1、没有外加磁场时,剪应变率为零时所对应的剪切应力并不为零,说明要使磁流变液发生流动,其剪切应力必须大于某一值; 2、随外加磁场强度的增加,同一剪应变率所对应的剪切应力也随之增加;在相同的磁场强度下,磁流变液的剪切应力随剪应率变化不很明显; 3、液体的粘度值不仅受磁场强度的影响,而且受到剪应变率的影响。 随着剪应变率的增加,磁流变体的剪切本构关系粘度减小,材料表现出剪切稀化效应。同时,在相同剪应变率下,粘度随磁场强度的增加而增大,但当剪应变率达到某一值时,随着磁场强度的增加,粘度无明显变化; 4、当磁感应强度大于某一值时,表现出剪切应力随

32、磁感应强度的增大而趋于饱和; 5、介质百分率不同的磁流变液,体积百分率增大,相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大。当介质百分率大于某一值约30 % 时,磁流变液易出现沉淀,将影响材料的磁流变效应; 6、随着介质微粒直径的增加,相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大。 图2.1 磁流变阻尼器结构示意图 磁流变阻尼器的工作模式 磁流变效应是磁流变技术的基础,自从1948年美国学者Rabin0W发现磁流变现象以来,人们一直在探索磁流变效应的机理,其目的在于弄清为什么在磁场的作用下,以两相悬浮液为主的磁流变液能产生强烈的磁流变效应以及影响磁流变效应的因素,最终为磁流变技术在工程上

33、的应用提供物质基础和科学依据15。 磁流变阻尼器的工作模式有三种: 流动模式:如图2.2(a)所示,这种工作模式的磁流变阻尼器的极板是固定不动的,当通过磁流变液的磁场发生变化时,磁流变液的流动性能发生变化,使活塞产生一个可控的变化的阻尼力,从而达到通过磁场控制阻尼力的目的。这种类型的磁流变阻尼器通常适用于开发流体控制阀、减振器等磁流变器件。 剪切模式:如图2.2(b)所示,这种工作模式的磁流变阻尼器的特点是利用极板之间的相对运动来改变磁流变液的流动,在垂直于极板的方向上添加磁场,当磁场发生变化时,磁流变液的流动性能发生变化,使活塞产生一个可控的变化的阻尼力,从而达到通过磁场控制阻尼力的目的。这

34、种工作形式的磁流变阻尼器多用于设计机床夹具、阻尼器、离合器等器件。 挤压模式:如图2.2(c)所示,其特点是两极板间的磁流变液受到挤压向四周流动,通过外加磁场使极板运动方向与磁场方向平行,磁场垂直于极板作用于磁流变液,在外加磁场的作用下磁流变液的流动性发生变化,使活塞所受阻尼力发生变化,达到控制阻尼力的目的。 由于汽车悬架阻尼器较大的行程以及严格的结构尺寸和结构强度要求,汽车磁流变阻尼器设计不能采用挤压模式,而通常采用剪切模式和流动模式共同作用,即混合工作模式。 (a)流动模式(b)剪切模式(c)挤压模式图2.2 磁流变阻尼器的工作模式 液压单筒减振器的主要组成部分有:活塞杆、油封导向总成、复

35、原腔、工作缸、复原阀总成、压缩腔、充气腔和浮动活塞,其中,充气腔中装有高压氮气。 磁流变减振器的工作机理:当遇到不平路面激励,车辆车身和车桥间出现了相对运动,导致磁流变减振器两端的位移发生变化,从而减振器产生拉伸或压缩运动,推动磁流变液不断地通过一些极小的孔隙从一个内腔流到另一个内腔。在这个过程中,磁流变液与孔隙壁的摩擦以及液体分子之间的相互内摩擦即是减振器阻尼力产生的原因,使整个悬架系统的振动机械能转化为热能消耗掉。 当减振器处于拉伸运动时,其活塞杆向上移动。复原腔体积减小,液压升高,腔内油液通过复原阀总成流到压缩腔,因活塞杆在复原腔占有一部分体积,复原腔内减小的体积小于压缩腔内增加的体积,

36、压缩腔内短暂地产生了一部分真空,此时充气腔内高压氮气推动浮动活塞向上运动。当减振器处于压缩运动时,其活塞杆向下运动。压缩腔体积减小,腔内液压升高,油液通过复原阀总成流到复原腔,同样因活塞杆在复原腔占有一部分体积,复原腔内增加的体积小于压缩腔内减少的容积,此时压缩腔的油压只能推动浮动活塞下移而达到压力平衡 磁流变半主动阻尼控制器的动力学分析 磁流变阻尼器是应用磁流变液在磁场作用下的快速可逆流变特性而制造的一种新型半主动控制装置。利用磁流变液设计制作阻尼耗能器件在近些年得到了广泛重视,这种新型智能材料可控性较好,在系统减振控制中有良好的应用前景。被动悬架的动力学模型 被动座椅悬架是传统的机械结构,

37、如图2.3所示,主要由由刚性悬架结构和弹性悬架结构组成,这种悬架结构的刚度与阻尼的参数选择通常由经验设计或优化设计方确定的,是一种独立的悬架结构。由于被动悬架是利用连接车体的零部件的相对运动产生阻尼力,从而减少座椅悬架的相对速度。这种悬架的各参数一旦设计好,弹簧系数和阻尼系数皆无法外部条件的改变而改变,特别是汽车在不同路况下行驶时,很难做到很好的减震效果。 图2.3 被动座椅悬架半主动控制阻尼器动力学模型Bingham模型 半主动控制阻尼器使用较早的模型是Bingham模型,如图2.4所示,一部分是库仑阻尼力,另一部分是粘性阻尼。该模型假定磁流变液屈服前为不可流动的刚体;当剪切应力达到屈服应力

38、时开始流动,且屈服后磁流变液是非零屈服力的牛顿流体3。 图2.4 Bingham模型 当作用在活塞上的力大于磁流变材料屈服力时,磁流变液体开始流动,液体表现的是具有非零屈服点的牛顿流体特性其数学模型表示为: (2.1) 式(2.1)中,为磁流变阻尼粘滞阻尼系数,与磁流变液屈服力有关,为此流变阻尼器活塞相对运动速度。理想天棚阻尼控制器 天棚阻尼控制理想模型如图2.5所示,它设想将阻尼器装在虚拟的惯性空间Sky和簧载质量(ms )与之间,理想的天棚阻尼力为 (2.2) 即天棚阻尼的控制力Fs的大小正比于车身绝对速度。(2.2)式中:是天棚阻尼力;是簧载质量的垂直振动速度; 是天棚阻尼系数,其值根据

39、悬架系统参数来优化。与被动悬架只控制簧载质量和非簧载质量的相对运动不同,天棚阻尼器直接控制簧载质量的绝对运动速度而与车轮的运动无关,这是它能使簧载质量取得良好减振特性的原因。 但天棚阻尼是一个理想的模型,不可能在实际车辆控制中实现。实际应用中,一般是在系统中增加一个产生主动作用力的元件来模拟“天棚”阻尼作用,可得类似的减振效果,如图2.6所示。 图2.5 理想的天棚阻尼控制器模型 图2.6 等效的天棚阻尼控制器模型 模型控制器选用较为简单的二维控制器,在参数选择时,首先选定一种路面和几组天棚阻尼控制系数,计算簧载质量加速度响应的均方根值,通过统计、比较,选择较优的天棚阻尼控制系数作为不同路面等

40、级下的天棚阻尼控制系数;然后以一定的采样频率和采样点数对簧载质量加速度信号进行采样和离散傅立叶变换处理,求得在低、高频段的功率谱图表;结合功率图表以及天棚控制阻尼系数,估计簧载质量的垂向速度和簧载与非簧载质量间的相对速度求得所需的阻尼力,通过相关函数对阻尼力进行修正。最后将所得到的结果与被动悬架系统进行比较,验证天棚控制下系统的性能。 座椅悬架系统的性能评价标准 悬架是汽车的重要组成部分,常用的最典型的评价标准是车身振动加速度、悬架动挠度。加速度反映人体乘坐的舒适性,位移可以反映出悬架的振动变化。 座椅悬架加速度变化可以反映行驶过程中座椅的平顺性。常用的座椅悬架平顺性的评价标准是悬架的加速度均

41、方根值,根据国际标准化协会提出 ISO2631“人体全身承受振动的评价指南”,该标准用加速度的加权均方根值给出了1-80Hz 振动频率范围内人体对振动反应的三种不同的感觉界限,即暴露极限,疲劳-降低工作效率界限和舒适降低界限,由此标准可知,人体对 4-8Hz 的垂直振动和 2Hz 以下的水平振动最敏感2。本章小结 本章主要介绍了磁流变液的特性和磁流变阻尼器的工作原理,阐述了半主动悬架的建模方法,为天棚控制系统的研究奠定了基础。 第三章 天棚控制器的设计 本次课题使用的模型为人-椅2自由度悬架模型,如图3.2所示,重点是半主动座椅悬架天棚控制阻尼器的设计,其中核心是天棚控制器的天棚阻尼系数的确定

42、。为确定的值,本文利用Matlab软件对座椅系统的平顺性传递函数的幅频特性进行分析,确定适当的值,用Simulink搭建模型,将半主动悬架天棚控制阻尼器与被动悬架作比较,验证半主动悬架的性能。天棚控制器原理人-椅悬架系统的被动悬架模型 研究表明,座椅动态性能受坐在座椅上的人体模型的动态性能影响,因此,建立乘坐时的人体模型是十分重要的,并且己有很多这方面的研究。人体模型主要有3种:第1种是把人体看成是放置在座垫上的刚体;第2种是把人体作为单自由度人体模型;第3种是的二自由度人体动态模型13。 本文研究侧重于座椅悬架系统振动对于人体的影响,建立2自由度的“人体-座椅”系统模型根据车辆悬架模型,人-

43、椅结构的被动悬架模型如图3.1所示,该模型按照人体与座椅的结构组成模拟而成。图3.1 人-椅模型的被动悬架结构 图中参量含义: 、分别表示座椅悬架质量和人体质量; 、分别为路面的振动激励、座椅的垂直绝对位移和人体对地面的垂直绝对位移; 、分别表示座椅悬架的刚度系数和人体内部的刚度系数; 、分别为人体内部的阻尼系数和座椅阻尼系数。 由图7中所示的被动悬架模型可得到以下动力学方程: (3.1) (3.2) 对(3.1)(3.2)式进行拉氏变换可得: (3.3) (3.4) 其中 (3.5) 解(3.3)(3.4)方程组可得:(3.6) 由(3.6)式可得, 被动悬架的座椅平顺性传递函数为: (3.

44、7) 人体相对于地面输入的传递函数为: (3.8) 上述式中所取参数数值如表3.1所示。 参量数值50264410017085142010005026表3.1 各参量数值人-椅模型的半主动天棚控制器模型 在理想天棚控制阻尼器模型的基础上,本文使用的模型是人-椅2自由度模型,如图3.2所示,地面的激励输入为,地面激励通过座椅与车体之间的阻尼器作用之后使座椅产生位移,然后传递到人体,产生振动(位移)。 图3.2 人-椅的2自由度运动模型 图中参量含义: 、分别表示座椅悬架质量和人体质量; 、分别为路面的振动激励、座椅的垂直绝对位移和人体对地面的垂直绝对位移; 、分别表示座椅悬架的刚度系数和人体内部

45、的刚度系数; 、分别为人体内部的阻尼系数和座椅阻尼系数; 为库仑阻尼力。 天棚阻尼控制理想模型将阻尼器装在虚拟的惯性空间Sky和簧载质量(ms )与之间,理想的天棚阻尼力为 (3.9) 即天棚阻尼的控制力的大小正比于车身绝对速度。上式中:是天棚阻尼力;是座椅的垂直振动速度; 是天棚阻尼系数,其值根据悬架系统参数来优化。由于磁流变阻尼器的粘滞阻尼系数是磁流变液的特有属性,不随输入的激励信号的变化而变化,因此在考虑磁流变阻尼器的阻尼力时可以看作座椅悬架阻尼系数。 由图3.2可推导出以下力学公式:(3.10) (3.11) 令状态方程 (3.12) 其中状态量,;系统输出变量,为人体加速度,为座椅悬

46、架动挠度。 状态矩阵,输入矩阵, ,输出矩阵,直接传递矩阵。天棚控制器参数的确定 天棚控制阻尼器的控制策略是由理想的阻尼力推导出磁流变阻尼器上所需的励磁电流,在所需电流的变化范围内选择适当的值来控制加载在磁流变阻尼器上的可控阻尼力,达到控制的目的。根据天棚阻尼等效的原则,由图2.5和图2.6得到减振器的库仑阻尼力应该尽量满足。以座椅与车体的相对速度在两者分开时为正,速度向上为正: 当与同向时,阻尼器阻尼力与天棚阻尼力同向,因此可以通过改变励磁电流的大小使; 当与反向时,阻尼器阻尼力与天棚阻尼力反向,为了仅可能缩小两者差异,应该让。考虑到,因此的取值可表达为如下(3.13)式形式2: (3.13)天棚阻尼系数的确定 根据图5所示的模型可得到,天棚控制力为: (3.14) 将式(3.14)带入式(3.10)中,对动力学方程(3.10)、(3.11)式进行拉氏变换可得到: (3.15) (3.16) 解方程组可得:(3.17) 其中