车辆座椅悬架减振系统研究进展

宁东红,贾志娟,董明明,杜海平

(1.合肥工业大学 汽车工程技术研究院,安徽 合肥 230000;2.伍伦贡大学 电子计算机与远程通讯工程学院,澳大利亚 伍伦贡 2522;3.郑州师范学院 信息科学与技术学院,河南 郑州 450000;4.北京理工大学 机械与车辆学院,北京 100081)

一直以来,车辆振动对驾驶员的影响受到广泛关注.虽然引起肩部痛疼、腰部及脊柱损伤和其它肌肉骨骼疾病的确切原因并不清楚,但是这些身体疼痛经常发生于驾驶员身上,特别是需要长时间和长距离驾驶,或者在恶劣的环境中操作机械时的状况.比如说重型工程车辆、农用车辆、矿山车辆以及军用车辆等,由于其所行驶的路面不平而引起剧烈振动,使得其驾驶员长期处于高强度的振动中.这种剧烈振动严重影响了驾驶和乘坐人员的乘坐舒适度、安全性及操纵性,对其身体健康也造成严重影响.轮胎、车辆悬架和座椅悬架都能起到减振作用.但是轮胎一旦装配完成便不能再调整参数.车辆悬架是车辆最主要的减振机构,但其调整或控制成本较高.而座椅悬架直接与驾驶员接触,能以较低成本有效减少传递到驾驶员的振动.

本文主要综述了车辆振动对驾驶员影响、座椅悬架以及座椅悬架控制三个方面的研究,其中座椅悬架分为单自由度与多自由度座椅悬架.

1　全身振动

图1　人体坐姿与坐标系定义Figure 1　Definition of the seated position and coordinate systems

全身振动即影响身体所有部分的振动.图1定义了全身振动的方向与坐标系[1].振动通过坐垫、舱板和座椅靠背传递到人体,使人体产生沿xyz三轴的平移振动和绕xyz三轴的旋转振动.车辆驾驶员经常处于剧烈的全身振动之中,这些振动主要来源于起伏的路面.重型车辆进行铲、挖、钻等作业时,也会产生强烈振动,其产生的振动强度比普通乘用车辆高好几倍,特别是农业和工程车辆,需要在长时间工作于恶劣环境,对驾驶员影响极大.

重型车辆驾驶员承受全身振动的问题已经吸引了广泛的注意[2-4].Paddan等[5]对100辆工作车辆的减振效果进行了评估.得出结论是,通过改善座椅动态性能可大幅度降低全身振动程度.Kumar[6]研究了用于覆盖层采矿重载卡车座板的三轴振动和驾驶员第三腰椎与第七颈椎的振动,确认了振动对健康的危害,并发现全身振动在x与y轴上的振动量超出ISO标准许多倍.Dewangan等[7]研究了身体对垂直振动的动态响应.他们根据性别和十一个不同的人体测量参数,研究了垂直和前后方向的座椅到头部的振动传递率响应.Jack等[8]量化常规现场操作任务中林业集材机的六自由度全身振动水平.这些振动对集材机驾驶员的健康产生不利影响.在这项研究中,值得注意的是,那些报告腰痛和颈部疼痛的驾驶员并不是那些暴露在最高水平加速度中的人,而是那些处于侧向躯干弯曲和向前弯曲的时间比例最大的人.Cation等[9]全面分析了林业车辆六自由度振动现场数据.与底盘加速度相比,集材机座椅放大了座椅与驾驶员接触面的全身振动加速度.Conrad等[10]量化五种常用车辆在炼钢和金属冶炼行业的六自由度振动.在日常操作任务中,这些车辆基于ISO 2631-1[11]的舒适性被预测为从不舒适到非常不舒服.Salmoni等[12]发表了运输业中全身振动评估的三个案例研究,着重强调现场测试的困难,如有限的时间去了解工作环境和测试环境的难以控制.所有的研究都确认了全身振动对驾驶员的危害.就重型车辆来说,全身振动的强度很高,但在过去的20多年中并未得到大的改善,这主要是对多自由度全身振动控制的关注有限.

2　单自由度座椅悬架

单自由度座椅悬架主要包括三种形式:被动、半主动和主动.这三种悬架已被广泛研究,各有优缺点.三种形式的单自由度座椅悬架模型如图2,其中被动座椅悬架包括弹簧K和阻尼器c.而半主动悬架还包含有可变刚度Δk和可变阻尼Δc.在主动悬架中有一个主动作动器产生主动力.半主动与主动座椅悬架都需要作动器、传感器与相应控制器.

图2　座椅悬架Figure 2　The seat suspension schematic

1.1　被动座椅悬架

图3　负刚度座椅悬架Figure 3　Negative set suspension

被动座椅悬架成本低,在一些应用场合有着不错的性能,并且安全可靠.其弹簧刚度与阻尼系数优化的研究已被广泛进行,但座椅一旦制成,它的刚度与阻尼不能再改变.刚度的选取影响着座椅悬架的共振频率,阻尼则影响着座椅的舒适性.由于被动座椅的被动性,它可以有效的减少高频振动强度,而其共振频率附近的振动将会被放大.座椅悬架的共振频率一般会选在2 Hz左右.重型车辆垂直振动强度主要集中在2～4 Hz,重型车辆驾驶员经常处于3 Hz左右的振动会增加其疲惫与睡意[3].因此,通过权衡应用场合所选取的座椅刚度与阻尼系数,往往不能完全满足重型车辆在不同工况的需求.针对被动座椅的这个问题,Wan与Schimmels[13]在座椅悬架设计中应用非线性机械性质以提高其在共振频率的减振效果.Le与Ahn[14]设计并制作了负刚度座椅,以提高其在低频振动时的性能.此座椅悬架应用两个对称的负刚度结构与一个正刚度结构平行设置,如图3.

1.2　半主动座椅悬架

半主动振动控制通过改变机械系统的阻尼或刚度,以相比主动系统较少的能量来减小振动强度.同时,它还能保留被动系统的故障安全特性.对于一个单自由度系统,阻尼的变化会引起振动传递率强度的变化,而刚度的变化会引起所控系统的共振频率移动[15-20].磁流变材料已被广泛应用于半主动车辆悬架作动器[21-24].磁流变液体阻尼器的控制是通过改变其内部线圈电流来实现的.通电线圈会产生磁场,当所产生的磁场变化,磁流变液体的粘性将会发生变化,从而阻尼器的阻尼系数会改变.Choi等[25]提出了一种基于磁流变液体阻尼器的半主动座椅悬架.这种直线式磁流变阻尼器可应用于商用车辆,如图4.Hiemenz等[26]应用磁流变液体开发了一款针对直升飞机座椅的阻尼器.相较于直线式磁流变液体阻尼器,旋转式磁流变液体阻尼器有易制造、用液少(成本低)的特点,于是Sun等[27]提出一款使用旋转式磁流变液体阻尼器的半主动座椅.自供能式磁流变液体阻尼器使用由振动能通过发电机转化的电能,为磁流变液阻尼器中线圈供电[28,29].磁流变弹性体可通过铁粉颗粒、硅胶和硅油制得.Li等[30]利用磁流变弹性体设计了一个用于座椅振动控制的减振器,此减振器的控制通过改变通电线圈的磁场实现.一种基于磁流变弹性体减振器的座椅被用于减少水平方向振动[31].

图4　直线式磁流变阻尼器座椅[32]Figure 4　MR seat suspension with linear damper [32]

除了磁流变材料,电流变材料也被应用于半主动座椅悬架.一种使用电流变液体的半主动座椅悬架已应于商用车辆.它的原型与所设计的滑模控制器的有效性通过硬件在环实验得到验证[33].电磁式半主动座椅悬架[34,35]的原理与磁流变和电流变液体阻尼器悬架有很大的不同.它可将座椅振动能转化为电能,通过控制回路中电阻大小,改变电磁阻尼器的阻尼值,如图5.

图5　变阻尼电磁座椅悬架Figure 5　Electromagnetic seat suspension with variable damper

1.3　主动座椅悬架

近些年,主动座椅悬架吸引了越来越多的注意力,因为它是提升驾驶员舒适性的最有效的方法.可用于主动作动器的方案有多种,如电机、液压和气压.Gan等[36]提出一种有两个直线电动缸的主动座椅,主要用于减少传递到驾驶员身上的低频振动.Maciejewski等[37]提出的主动座椅装有一个液压式吸振器和一个可控空气弹簧.此主动控制系统可在0.5到4 Hz频率内获得很高的系统鲁棒性,并且在高频振动中有着和被动座椅相当的减振性能.Kawana和Shimogo[38]所提出座椅的驱动器由伺服电机和滚珠丝杆组成.此系统通过对所测臀部与座椅接触处、座椅框架和驾驶舱地面的加速度进行积分,获得座椅振动状态,从而进行控制.Le等[39]针对低频振动提出一种使用负刚度结构的气动减振系统.为了解决系统的时变和非线性特性,提出了自适应智能反推控制器.Perisse和Jezequel[40,41]设计的座椅悬架使用旋转电机和齿轮齿条机构,以把旋转力矩转换为垂直方向作用力.旋转电机也可直接安装在传统座椅悬架的剪式结构中心,通过座椅本身结构将旋转力矩转换为垂直方向作用力[42],如图6.为降低纯主动控制座椅的能耗,一种主动与半主动混合的座椅悬架被提出,其中小功率主动作动器与磁流变液体半主动作动器配合工作[43].

图6　主动座椅悬架Figure 6　Active seat suspension

3　多自由度座椅悬架

尽管全身振动已经吸引了研究者的注意力,但是座椅悬架的多自由度减振系统较少有报道.一个Stewart平台形式的有六个作动器的六自由度主动座椅悬架专利已被申请[44],然而它的实用性还有待验证.Kieneke等[45]提出一种用于军用车辆的两自由度主动座椅悬架,可控制垂向和侧向振动.经过实验,此悬架的有效性得到验证.Frechin等[46]设计了一个四自由度座椅悬架,如图7所示.此悬架可对垂直方向进行隔振,并补偿车辆运动中产生的倾斜和平移加速度.它有滚动、俯仰、偏航和升降四个自由度.Klooster[47]设计了一个有3个并联液压作动器的多自由度座椅悬架,可对垂直、水平和俯仰方向独立控制.为了解此座椅悬架在减少有害振动的潜能,文章对每个方向的性能作了单独评估.根据ISO2631-1的频率权重曲线,人体对不同自由度振动的敏感频率不同,如对于垂直方向,5～8 Hz的振动对驾驶员影响最大,对于沿x与y轴的平移方向,1～1.25 Hz的振动对驾驶员影响最大,对于沿三轴转动方向的振动,则是0.8 Hz.通过分析人体对不同自由度振动的敏感频率,Ning等[48]提出一种两层、多自由度主动座椅,这种两层结构可减少垂直方向振动与其它四个方向振动(沿x与y轴的平移和绕x与y轴的旋转)的耦合,从而可以分别设计控制器,实现对五个自由度的减振控制.

图7　四自由度球面运动座椅悬架系统Figure 7　Seat suspension with 4-DOF spherical motion system

4　控制算法

关于悬架减振控制的策略有很多,如H∞控制[49-55],线性二次高斯(LQG)[56,57],自适应控制[58]和模糊控制[59,60]等.由于H∞控制器求解和执行简单,对于它有不同的研究.文献[50]提出了一种两步法可用于悬架静态输出控制器的求解.针对人体对不同振动频率敏感度不同,文献[51,52]提出了有限频率H∞控制器.Li等[53]针对有延时的悬架系统提出了一个输出反馈控制器.Du等[61]设计了一个次优H∞控制器,以控制基于磁流变弹性体的半主动变刚度座椅.近些年,TS模糊算法被应用在悬架减振控制[62].Du等[63]使用TS模糊模型设计了一个基于观测器的H∞控制器,解决了半主动作动器的非线性问题.车辆或座椅悬架控制很少有使用加速度作为反馈的.尽管加速度测量信号中容易引入高频噪音,但通过合理设计算法,可用来有效估计摩擦力等扰动[64,65].Choi和Han[66]提出一种基于状态估计器的滑模控制器用于半主动座椅悬架.

5　展　望

随着社会经济发展,人们对于驾乘舒适性的要求必然越来越高,在座椅悬架方面的投入也会不断增加.对于大多数车辆而言,垂直方向单自由度座椅悬架已能满足减振要求,而对于一些重型车辆,需要多自由度减振座椅悬架才能提供舒适性.减少能耗与成本是半主动或主动座椅悬架一直以来的发展趋势.通过总结文献中未解决的问题和分析这一领域中可能的热点研究方向,我们认为,在座椅悬架减振领域有如下问题需要更深入的研究:

1)利用全身振动研究成果建立三维空间的人体模型,以用于多自由度减振控制器设计;

2)利用可穿戴设备,对驾驶员身体振动进行测量,实现人机在环的座椅悬架减振控制;

3)基于实际应用需求,设计三自由度或四自由度等的多自由度减振座椅悬架;

4)利用实际应用中易测量的相对位移和加速度,设计主动或半主动座椅悬架控制器.