基于MATLAB的半主动悬架可变刚度座椅的研究

郑竹安，熊新，提艳，顾苏菁

(盐城工学院汽车工程学院，江苏盐城 224051)

基于MATLAB的半主动悬架可变刚度座椅的研究

郑竹安，熊新，提艳，顾苏菁

(盐城工学院汽车工程学院，江苏盐城 224051)

为进一步改善汽车的乘坐平顺性，利用MATLAB建立了1/2车动力学微分方程；以半主动悬架天棚阻尼控制为基础，设计一种可以改变刚度的座椅系统；以线性滤波得到的B级路面为输入进行仿真分析,对比了3种情况下的汽车平顺性。结果表明：相比于被动悬架，天棚阻尼控制有效改善了汽车的平顺性，同时附加变刚度座椅的半主动天棚阻尼控制悬架能进一步提高乘坐舒适性。

半主动悬架；天棚阻尼控制；可变刚度；半车模型；MATLAB/Simulink仿真

0 引言

悬架系统是汽车中的重要部件，其性能对汽车的平顺性影响很大。目前对悬架的研究多趋向于主动悬架控制的开发，赵妍等人[1]对二自由度模型进行了天棚阻尼控制的研究, 陈燕虹等[2]对半车悬架模型进行了模糊控制的研究, O DEMIR等[3]研究了一种新型的混合控制方法，有效地改善了汽车的性能。这些研究都有效地提高了平顺性。然而大多数国内学者的研究考虑的因素并不全面，这些研究并未将座椅的成分考虑在内：H P DU等[4-5]对带有座椅的二自由度模型进行了研究，但并未考虑车辆的俯仰因素的影响。文中通过Simulink建立六自由度天棚阻尼控制模型并考虑座椅对舒适度的影响，设计了可变刚度的座椅系统。结果表明：这种新式座椅系统可以有效地降低行驶过程中的俯仰和垂向加速度，提高了乘坐舒适性。

1 模型建立

1.1 可变刚度系统设计

图1 刚度可变的单自由度模型

图2 等效的单自由度模型

1.2 半车模型的建立

这里引入半车模型如图3所示[7]，这里加入了前、后座位的系统，考虑车辆的俯仰在内一共6个自由度。

图3 半车六自由度模型

对图3所示的半车六自由度模型，根据牛顿第二定律，可列运动学方程如下:

(1)

(2)

ys2=ys-θsL4

(3)

ys1=ys+θsL3

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

其中：I为转动惯量；yi为各部位垂向位移；y为各部位垂向加速度；k为各部位刚度；ci为各部位阻尼系数；Fi为作动器产生的力；mui为簧下质量；ms为簧上质量；mci为座椅和人质量之和；Li分别表示质心到各部位的水平距离。

1.3 主动悬架天棚控制方法

文中主动悬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等提出的以抑制车身振动为目的的控制方法，相比于模糊控制等先进控制简单有效，更容易在车上得到实现和应用。作动器产生的力与其上下连接的物体相对速度有关，以实时根据不同的行驶状况改变所需的作动力，其关系如下:

其中：Fi为半主动悬架阻尼力；μ为可控阻尼系数，根据不同的需求可以自定义其数值。

1.4 路面输入的建立

采取时域路面不平度的线性滤波法建立模型[9]。其基本思想是对路面功率谱进行处理得到数值滤波器，再让计算机生成的正太随机数通过此滤波器得到路面形状。其微分方程如下:

式中:f0=0.062 8 Hz,为下线截止频率；y(t)为路面不平度幅值；w(t)为强度为1的白噪声；u为速度。

文中使用的路面激励曲线如图4所示。

图4 路面输入曲线

2 算例仿真分析

2.1 算例参数设置及模型搭建

利用MATLAB/Simulink 工具基于上述微分方程建立模块进行仿真模型建立，各参数值如表1所示。

表1 半车模型各参数取值

2.2 结果比较

对无控制的被动悬架、天棚控制的半主动悬架以及基于天棚控制座椅刚度可变的悬挂系统进行了仿真比较，如图5—8所示。可以看出：天棚控制的半主动悬架能够有效地衰减振动，减少车身位移和加速度以及车身的俯仰程度，提高了车辆的平顺性。同时对比两种天棚控制方法，可以看到：带有可变刚度座椅的系统在几乎不改变车身整体特性的条件下，能有效地衰减座椅处的振动(如图9—10)，改善了乘员的舒适度。

图5 车身垂直位移特性曲线

图6 车身俯仰角度特性曲线

图8 车身垂直加速度特性曲线

图9 座椅垂向位移特性曲线

图10 座椅垂向加速度特性曲线

3 结论

设计了一种刚度可变的座椅系统，通过MATLAB/Simulink 建立了六自由度半车模型，实现了座椅刚度可变的天棚阻尼控制，通过仿真结果比较可以看出天棚阻尼控制相比于传统的被动悬架很大程度上改善了平顺性，同时从座椅加速度角度来看带有可变刚度座椅系统的悬架对乘坐者而言具有更好的平顺性，可以提高乘坐品质。

[1]赵研,寇发荣,方宗德.汽车天棚控制半主动悬架模型仿真与性能分析[J].计算机仿真,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]陈燕虹,刘宏伟,黄治国,等.基于空气悬架客车1/2模型的模糊控制仿真[J].吉林大学学报(工学版),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.

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[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.汽车动力学[M].4版.北京:清华大学出版社,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]陈龙,何草丰.基于Simulink 的路面不平度时域模型仿真研究[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

国家自然科学基金资助项目(51405419)；盐城工学院教育教改研究项目(YC2016011)

郑竹安(1984—)，男，博士，讲师，主要从事新能源汽车技术研究。E-mail:40487939@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.002

TP274

A

1674-1986(2017)08-009-04