淺談拖拉機(jī)座椅懸架對(duì)動(dòng)態(tài)舒適性影響的研究論文
0 引言
目前，很多研究結(jié)果表明，駕駛員座椅是否舒適對(duì)駕駛安全、駕駛員身體健康以及工作效率都具有至關(guān)重要的作用。目前，雖然我國(guó)在車(chē)輛動(dòng)態(tài)舒適性方面比較重視，但其研究實(shí)用性不強(qiáng)，國(guó)內(nèi)廠商在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)對(duì)座椅動(dòng)態(tài)舒適性也不做過(guò)多關(guān)注。考慮到拖拉機(jī)田間作業(yè)比較特殊而座椅結(jié)構(gòu)又相對(duì)簡(jiǎn)陋的現(xiàn)狀，對(duì)其座椅進(jìn)行研究和改革成為科研工作者的研究重點(diǎn)之一。磁流變液作為新型的智能材料，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于拖拉機(jī)座椅懸架是改善其動(dòng)態(tài)舒適性的可行方案。本文將在傳統(tǒng)拖拉機(jī)被動(dòng)座椅懸架的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)磁流變阻尼器，構(gòu)建出基于磁流變技術(shù)的半主動(dòng)座椅懸架模型。同時(shí)，結(jié)合修正Bou - Wen 模型的磁流變阻尼器，在模糊控制作用下進(jìn)行Simulink 仿真，分別在時(shí)域和頻域中與被動(dòng)座椅進(jìn)行對(duì)比分析。
1 動(dòng)力學(xué)模型
1. 1 磁流變阻尼器模型
為提高曲線(xiàn)擬合能力，更準(zhǔn)確地模擬阻尼器低速作業(yè)時(shí)的非線(xiàn)性特性，本文磁流變阻尼器選取模型參數(shù)相對(duì)復(fù)雜的修正Bou - Wen 模型。模型公式見(jiàn)式(1)，相應(yīng)的Simulink 仿真框圖，阻尼器模型參數(shù)及下文建立的拖拉機(jī)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)所示。f = c1y· + k1 ( x - x )0y·= [ αz + k0 ( x - y) + c0·x] / ( c0 + c )1z·= - γ x· -y· z n-1 z - μ x· - y ( ) · c z n + N x· ( - ·y)α = αa + αbuc1 = c1a + c1buc0 = c0a + c0buu·= - η( u - v)(1)其中，v、x 分別為輸入到系統(tǒng)的電壓和位移變化;f為輸出的阻尼力;α 為進(jìn)化系數(shù);c0、c1分別為高速阻尼和低速阻尼;u 為一階濾波器輸出電壓。
1. 2 拖拉機(jī)五自由度模型
在動(dòng)力學(xué)建模理論基礎(chǔ)上，根據(jù)前人建模經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合東方紅某型號(hào)拖拉機(jī)的相關(guān)參數(shù)，建立了1 /2 車(chē)型的“車(chē)- 椅”五自由度振動(dòng)模型。基于上述模型，在座椅處加入磁流變阻尼器，構(gòu)建出阻尼可調(diào)的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)。其中，5 個(gè)自由度分別是車(chē)架、駕駛室和座椅的垂直振動(dòng)，以及車(chē)架和駕駛室的俯仰振動(dòng)。
1. 3 路面輸入模型
拖拉機(jī)在執(zhí)行不同的田間作業(yè)項(xiàng)目時(shí)，其車(chē)速和路況不完全相同，如深耕和旋耕。為了準(zhǔn)確地說(shuō)明問(wèn)題，使本文的研究更具有代表性，本文分別選用兩種不同等級(jí)白噪聲路面、正弦激勵(lì)路面，以及兩種路面和2km/ h、5km/ h 兩種作業(yè)速度。其中，白噪聲激勵(lì)路面的不平度時(shí)域表達(dá)式為q·( t) = - 2πf0q( t) + 2π 槡G0uw( t) (4)其中，f0為下截止頻率( Hz); q ( t) 為路面位移(m);G0為D 或E 級(jí)路面不平度系數(shù)(m3 /cycle);u 為拖拉機(jī)作業(yè)速度(m/s);w 為均值為零的.高斯白噪聲。
2 控制
對(duì)于振動(dòng)及動(dòng)態(tài)舒適性的評(píng)價(jià)，一般采用垂直振動(dòng)的加權(quán)加速度均方根值(RMS 值) 和加速度功率譜密度曲線(xiàn)。因此，本文擬將加速度均方根值(RMS值)最小作為模糊控制的最終目標(biāo)。根據(jù)采用的阻尼器模型的需要，選取輸入到阻尼器驅(qū)動(dòng)器中的電壓作為控制目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整模糊控制規(guī)則使電壓達(dá)到最適值，同時(shí)加速度均方根值達(dá)到最小。
在模糊控制器設(shè)計(jì)中，將拖拉機(jī)座椅的位移變化設(shè)定為e、位移變化率設(shè)定為ec、阻尼器的控制電壓設(shè)定為u，三者均采用三角隸屬函數(shù)。模糊子集分別為{N(負(fù))，Z(零)，P( 正)}、{N( 負(fù))，Z( 零)，P( 正)}、{Z(零)，S(正小)，M( 正中)，B( 正大)}，模糊規(guī)則語(yǔ)句為“if e and ec，then u”。
3 仿真研究
3. 1 MatLab /Simulink 仿真
通過(guò)MatLab 程序代碼繪制頻率特性曲線(xiàn)，分析拖拉機(jī)被動(dòng)系統(tǒng)的固有特性，并建立Simulink 整體仿真框圖。繪制3 種工況下的加速度時(shí)域仿真曲線(xiàn)及其中一種工況的加速度功率譜密度曲線(xiàn)，輸出各種工況下的RMS 值，并對(duì)比分析兩種控制的效果。
3. 2 頻域分析
0 ～ 100Hz 范圍內(nèi)拖拉機(jī)被動(dòng)座椅懸架的頻譜特性曲線(xiàn)。由幅頻特性曲線(xiàn)可知:座椅系統(tǒng)的固有頻率ws /(2π) 既低于3Hz，同時(shí)又避開(kāi)了拖拉機(jī)車(chē)身部分的固有頻率f0 = w0 /(2π) (1. 2 ～ 1. 5Hz)[10]。以上分析證明了本文所構(gòu)建的拖拉機(jī)振動(dòng)模型的正確性及所采用參數(shù)的合理性。
拖拉機(jī)座椅在D 級(jí)白噪聲路面、2km/h 作業(yè)車(chē)速下的加速度功率譜密度曲線(xiàn)。基于磁流變阻尼器的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架垂直振動(dòng)的加速度在所有頻率區(qū)段均低于相應(yīng)的被動(dòng)座椅懸架，且在低頻區(qū)即人體敏感頻段(4 ～ 12. 5Hz) 內(nèi)控制效果最為顯著;同時(shí)，半主動(dòng)座椅的垂直振動(dòng)在兩個(gè)共振峰10Hz 和12Hz 處均有明顯衰減。
3. 3 時(shí)域分析
為便于明顯觀察和對(duì)比分析，本文僅截取仿真結(jié)果其中一段進(jìn)行展示。模糊控制作用下的半主動(dòng)懸架的加速度變化范圍明顯小于被動(dòng)懸架，且兩者在3 種工況下的均方根值分別是10. 16、9. 886、0. 051 66 和13. 79、14. 26、0. 078 17，分別改善了26. 3%、30. 6%、33. 9%，改善效果明顯。由以上分析可以得出結(jié)論，基于MRD 的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架較傳統(tǒng)的被動(dòng)座椅懸架有明顯的減振效果。
4 結(jié)論
本文建立了拖拉機(jī)振動(dòng)模型、磁流變阻尼器模型和路面輸入模型，在MatLab / Simulink 環(huán)境下進(jìn)行仿真，繪制了頻譜特性曲線(xiàn)和垂直振動(dòng)的時(shí)域仿真曲線(xiàn)，從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面對(duì)比兩種懸架的在減振方面的效果。試驗(yàn)證明:相較于被動(dòng)懸架，半主動(dòng)懸架在低頻區(qū)人體敏感頻段內(nèi)減振效果明顯。又因?yàn)榇帕髯円鹤枘崞骶哂袃r(jià)格便宜、響應(yīng)迅速、維修方便等多方面優(yōu)勢(shì)，因此將磁流變技術(shù)應(yīng)用于座椅懸架近已迅速成為改善拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)舒適性研究的重點(diǎn)。
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