拖拉机座椅悬架对动态舒适性影响的研究

徐锐良，李三妞，郭志军,刘美洲，倪　倩，罗跃辉

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳　471003；2.中国一拖集团有限公司 第三装配厂，河南 洛阳　471004)



拖拉机座椅悬架对动态舒适性影响的研究

徐锐良1，李三妞1，郭志军1,刘美洲1，倪倩1，罗跃辉2

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳471003；2.中国一拖集团有限公司 第三装配厂，河南 洛阳471004)

摘要：为探讨基于磁流变阻尼器(MRD)的拖拉机半主动座椅悬架在动态舒适性方面的优越性，在正弦激励和白噪声激励环境下，构建了拖拉机动力学模型和磁流变阻尼器(MRD)力学模型，并给出了模糊控制器的设计方法。在MatLab/Simulink仿真环境中分别对被动和半主动座椅悬架进行时域和频域仿真，得出两种悬架的加速度动态特性曲线及相应的频谱特性曲线。仿真结果表明:所构建的阻尼器模型及控制策略可以有效衰减座椅悬架在低频区段的垂直振动，改善了拖拉机的动态舒适性。

关键词：拖拉机；座椅悬架；磁流变液；仿真

0引言

目前，很多研究结果表明，驾驶员座椅是否舒适对驾驶安全、驾驶员身体健康以及工作效率都具有至关重要的作用[1]。目前，虽然我国在车辆动态舒适性方面比较重视，但其研究实用性不强，国内厂商在开发新产品时对座椅动态舒适性也不做过多关注[2]。

考虑到拖拉机田间作业比较特殊而座椅结构又相对简陋的现状，对其座椅进行研究和改革成为科研工作者的研究重点之一。磁流变液作为新型的智能材料，具有经济实用、响应迅速等优点，将其应用于拖拉机座椅悬架是改善其动态舒适性的可行方案[3]。

本文将在传统拖拉机被动座椅悬架的基础上，附加一个磁流变阻尼器，构建出基于磁流变技术的半主动座椅悬架模型。同时，结合修正Bou-Wen模型的磁流变阻尼器，在模糊控制作用下进行Simulink仿真，分别在时域和频域中与被动座椅进行对比分析。

1动力学模型

1.1磁流变阻尼器模型

为提高曲线拟合能力，更准确地模拟阻尼器低速作业时的非线性特性，本文磁流变阻尼器选取模型参数相对复杂的修正Bou-Wen模型，如图1所示。模型公式见式(1)，相应的Simulink仿真框图如图2所示，阻尼器模型参数及下文建立的拖拉机动力学模型参数如表1[4]所示。

图1　修正Bou-Wen模型

(1)

其中，v、x分别为输入到系统的电压和位移变化；f为输出的阻尼力；α为进化系数；c0、c1分别为高速阻尼和低速阻尼；u为一阶滤波器输出电压。

图2　磁流变阻尼器仿真

参数单位数值参数单位数值C0aN·s/mm0.21632C0bN·s/V·mm0.1646C1aN·s/mm14.589C1bN·s/V·mm26.657k0N/mm2.2595k1N/mm0.5749x0mm28αaN/mm10.141αbN/V·mm38.928γmm-20.1307μmm-22.6187N———200n———2η1/s166.37cN·s/m653c1N·s/m11901c2N·s/m12303a1m0.290d1m0.685b1m0.680a2m0.325d2m1.160b2m1.688mkg7255m1kg2955m2kg4300J1kg·m275070J2kg·m285070kN/m8189k1N/m301840k2N/m352730k3N/m1900000k4N/m2300000

1.2拖拉机五自由度模型

在动力学建模理论基础上，根据前人建模经验，结合东方红某型号拖拉机的相关参数，建立了1/2车型的“车-椅”五自由度振动模型。基于上述模型，在座椅处加入磁流变阻尼器，构建出阻尼可调的拖拉机半主动座椅悬架系统，如图3所示。其中，5个自由度分别是车架、驾驶室和座椅的垂直振动，以及车架和驾驶室的俯仰振动[5]。

两种悬架动力学方程分别为

(2)

(3)

图3　半主动座椅悬架模型

1.3路面输入模型

拖拉机在执行不同的田间作业项目时，其车速和路况不完全相同，如深耕和旋耕。为了准确地说明问题，使本文的研究更具有代表性，本文分别选用两种不同等级白噪声路面、正弦激励路面，以及两种路面和2km/h、5km/h两种作业速度[6]。其中，白噪声激励路面的不平度时域表达式为

(4)

其中，f0为下截止频率(Hz)；q(t)为路面位移(m)；G0为D或E级路面不平度系数(m3/cycle)；u为拖拉机作业速度(m/s)；w为均值为零的高斯白噪声[7]。

2控制

对于振动及动态舒适性的评价，一般采用垂直振动的加权加速度均方根值(RMS值)和加速度功率谱密度曲线[8]。因此，本文拟将加速度均方根值(RMS值)最小作为模糊控制的最终目标。根据采用的阻尼器模型的需要，选取输入到阻尼器驱动器中的电压作为控制目标，通过调整模糊控制规则使电压达到最适值，同时加速度均方根值达到最小。

在模糊控制器设计中，将拖拉机座椅的位移变化设定为e、位移变化率设定为ec、阻尼器的控制电压设定为u，三者均采用三角隶属函数。模糊子集分别为{N(负)，Z(零)，P(正)}、{N(负)，Z(零)，P(正)}、{Z(零)，S(正小)，M(正中)，B(正大)}，模糊规则语句为“if e and ec，then u”[9]。模糊控制规则如表2所示。

表2　控制规则表

3仿真研究

3.1MatLab/Simulink仿真

通过MatLab程序代码绘制频率特性曲线，分析拖拉机被动系统的固有特性,并建立Simulink整体仿真框图，如图4所示。绘制3种工况下的加速度时域仿真曲线及其中一种工况的加速度功率谱密度曲线，输出各种工况下的RMS值，并对比分析两种控制的效果。

3.2频域分析

图5为0～100Hz范围内拖拉机被动座椅悬架的频谱特性曲线。由幅频特性曲线可知：座椅系统的固有频率ws/(2π)既低于3Hz，同时又避开了拖拉机车身部分的固有频率f0=w0/(2π)(1.2～1.5Hz)[10]。以上分析证明了本文所构建的拖拉机振动模型的正确性及所采用参数的合理性。

图5　频谱特性密度曲线

图6为拖拉机座椅在D级白噪声路面、2km/h作业车速下的加速度功率谱密度曲线。由图6可知：基于磁流变阻尼器的拖拉机半主动座椅悬架垂直振动的加速度在所有频率区段均低于相应的被动座椅悬架，且在低频区即人体敏感频段(4～12.5Hz)内控制效果最为显著；同时，半主动座椅的垂直振动在两个共振峰10Hz和12Hz处均有明显衰减[11-12]。

图6　加速度功率谱密度曲线

3.3时域分析

图7(a)、(b)、(c)分别为不同路况、不同行驶速度下座椅垂直振动的加速度时域仿真曲线，仿真时间均为600s。为便于明显观察和对比分析，本文仅截取仿真结果其中一段进行展示。表3为图7(a)、(b)、(c)分别对应的加速度均方根值及其变化范围列表。结合图7和表3可知：模糊控制作用下的半主动悬架的加速度变化范围明显小于被动悬架，且两者在3种工况下的均方根值分别是10.16、9.886、0.051 66和13.79、14.26、0.078 17，分别改善了26.3%、30.6%、33.9%，改善效果明显。由以上分析可以得出结论，基于MRD的拖拉机半主动座椅悬架较传统的被动座椅悬架有明显的减振效果。

图7　不同工况下加速度仿真曲线

随机路面被动RMS值半主动RMS值改善幅度/%变化范围被动半主动D级路面2m/s213.7900010.1600026.3[40.02,-42.86][19.86-18.08]E级路面5m/s214.260009.8860030.6[48.21,-49.01][17.75,-16.03]正弦输入0.078170.0516633.9[0.491,-0.425][0.430,-0.352]

4结论

本文建立了拖拉机振动模型、磁流变阻尼器模型和路面输入模型，在MatLab/Simulink环境下进行仿真，绘制了频谱特性曲线和垂直振动的时域仿真曲线，从时域和频域两个方面对比两种悬架的在减振方面的效果。试验证明：相较于被动悬架，半主动悬架在低频区人体敏感频段内减振效果明显。又因为磁流变液阻尼器具有价格便宜、响应迅速、维修方便等多方面优势，因此将磁流变技术应用于座椅悬架近已迅速成为改善拖拉机动态舒适性研究的重点。

参考文献：

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[4]张志勇.半主动座椅悬架控制理论与实验研究[D]. 长沙：湖南大学,2008.

[5]杨涛.基于磁流变阻尼器的座椅悬架设计与仿真[D].镇江：江苏大学,2010.

[6]农业机械设计手册(上册)[K].北京：中国农业科学技术出版社，2007:199-231.

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[8]张文春.汽车理论(2版)[M].北京：机械工业出版社，2009:182-187.

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[11]潘公宇,潘秋华.用磁流变液阻尼可调减振器改善车辆座椅特性的研究[J].工程机械,2007(10):32 -35，143.

[12]杨成云,浮洁,余淼.具有随机干扰的车辆座椅悬架系统的鲁棒H∞控制[J]. 重庆大学学报,2012(6):9-14.

Abstract ID:1003-188X(2016)02-0240-EA

Research for Dynamic Comfort with the Tractor Seat Suspension

Xu Ruiliang1, Li Sanniu1, Guo Zhijun1, Liu Meizhou1, Ni Qian1, Luo Yuehui2

(1.Vehicle & Motive power Engineering College , Henan University of Science and Techonology, Luoyang 471003，China;2. Third Assembly Plant,YTO Group Corporation, Luoyang 471004, China)

Abstract：The dynamics model of tractors,the magnetorheological dampers (MRD) model and the fuzzy controller all be established to research the advantages in terms of comfort with the tractor seat semi-active suspension system based on magnetorheological damper.With the Matlab / Simulink software,the dissertation have a completed simulating analysis both of the time-domain and frequency-domain between passive seat suspension semi-active seat suspension.The results of the simulation show that the damper model can restrain the vertical vibration in the low zone and enhance the dynamic comfort.

Key words：tracbor; seat suspension；magneto-rheological damper； simulation

文章编号：1003-188X(2016)02-0240-04

中图分类号：S219.032.9

文献标识码：A

作者简介：徐锐良(1966-)，男，河南洛阳人，副教授，硕士生导师,(E-mail )lyxrl@163.com。通讯作者：李三妞(1989-)，女，河南新乡人，硕士研究生，(E-mail )1054945965@qq.com。

基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2012AA111204)

收稿日期：2015-01-29