座椅懸架系統(tǒng)振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

駕駛員座椅懸掛系統(tǒng)是非道路車輛的重要輔助裝置。它的主要功能是承擔(dān)駕駛員的責(zé)任，緩解道路上的不均勻壓力，減少由此產(chǎn)生的振動(dòng)，為駕駛員提供舒適安全的乘坐環(huán)境和良好的駕駛和操縱條件。不平路面所產(chǎn)生的激勵(lì)通過輪胎及懸架傳遞,激起車輛地板的振動(dòng),其頻率正好處于座椅的共振頻率范圍(4~5Hz),座椅的共振不僅容易使座椅的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,更為嚴(yán)重的是容易導(dǎo)致乘員脊椎受損。對(duì)3~5Hz范圍內(nèi)的振動(dòng),座椅軟墊隔振效果不佳,特別是對(duì)1~2Hz的低頻振動(dòng),座椅的海綿軟墊不但不能隔振,甚至?xí)鸬秸駝?dòng)放大的作用。為了隔離車輛地板的振動(dòng),有效的方法是采用阻尼和剛度可控的座椅半主動(dòng)懸架。Load公司開發(fā)了一種基于磁流變減振器的座椅半主動(dòng)懸架系統(tǒng)—MotionMaster,并申請(qǐng)了專利。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,該座椅懸架系統(tǒng)可以降低40%的振動(dòng)和49%的沖擊。1998年該系統(tǒng)應(yīng)用于重型載貨汽車,2001年和2002年分別推廣到公共汽車和農(nóng)用車輛。實(shí)際應(yīng)用表明,該座椅懸架系統(tǒng)大大降低了懸架與限位塊的撞擊頻率和撞擊強(qiáng)度,乘客在使用報(bào)告中反映使用該懸架后減輕了背痛和疲倦。比利時(shí)的Hostens等對(duì)座椅用空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。大眾汽車美國(guó)股份有限公司贊助斯坦福大學(xué)研究開發(fā)了一種新型的半主動(dòng)控制座椅懸架。此座椅具有主、副兩套懸架系統(tǒng),除裝有通常的座椅懸架外,還在座椅的椅背中嵌入了所謂的副懸架系統(tǒng),副懸架系統(tǒng)由可調(diào)彈簧和MR減振器組成。Grammer公司開發(fā)了一種帶附加氣室的駕駛員座椅空氣懸架,電子控制單元根據(jù)座椅的響應(yīng)反饋信號(hào)控制節(jié)流氣閥的通流面積,從而調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的固有頻率以避開座椅的共振頻率。研究表明,此半主動(dòng)空氣懸架的加速度響應(yīng)較被動(dòng)空氣懸架有了明顯的降低,乘坐舒適性有了很大的提高。針對(duì)非道路車輛振動(dòng)強(qiáng)度大,工況復(fù)雜的特點(diǎn),本文構(gòu)建了一種帶附加氣室空氣彈簧與磁流變減振器作為彈性和阻尼元件,剛度和阻尼連續(xù)可調(diào)的駕駛員座椅半主動(dòng)懸架實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究懸架系統(tǒng)的振動(dòng)特性,研究結(jié)果可供設(shè)計(jì)參考。1彈簧剛度的選擇圖1所示為座椅懸架振動(dòng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。主要由駕駛員座椅半主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)、激振臺(tái)和測(cè)試系統(tǒng)組成。懸架系統(tǒng)以剪桿為導(dǎo)向機(jī)構(gòu),彈性元件選用德國(guó)ContiTech公司的SZ35-11型袖式空氣彈簧,附加氣室容積約為空氣彈簧工作容積的2倍?？諝鈴椈珊透郊託馐抑g的節(jié)流口選用日本SMC公司的VEF2131-1-03型比例電磁鐵直動(dòng)式比例閥控制,阻尼元件選用LORD公司的RD-1005-3型磁流變減振器。座椅半主動(dòng)懸架實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、直流穩(wěn)壓電源、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、端子板、PC機(jī)、測(cè)試軟件及各種接線組成,用加速度傳感器分別測(cè)量座椅上板和底板(激振臺(tái))的加速度信號(hào)。2空氣彈簧動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯坎煌奢d質(zhì)量、不同空氣彈簧壓力、不同比例流量閥輸入電壓及不同磁流變減振器輸入電流下,座椅懸架系統(tǒng)的位移傳遞率、加速度均方根值隨激勵(lì)頻率變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)因素有:簧載質(zhì)量、激勵(lì)頻率、空氣彈簧壓力、比例流量閥輸入電壓及磁流變減振器輸入電流。先通過初測(cè)實(shí)驗(yàn)得出各參數(shù)敏感區(qū)域,再根據(jù)初測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定各因素的水平值,見表2。(1)將簧載質(zhì)量分為三組:60~70kg、70~80kg、80~90kg,取每組中間值65kg、75kg和85kg三種簧載質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)空氣彈簧特性曲線,不同簧載質(zhì)量對(duì)應(yīng)不同空氣彈簧壓力。經(jīng)過測(cè)試,要使得空氣彈簧始終在工作高度附近振動(dòng),65kg、75kg和85kg三種質(zhì)量下分別設(shè)置空氣彈簧內(nèi)部絕對(duì)壓力分別為0.38MPa、0.42MPa及0.46MPa;(2)經(jīng)初測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得座椅系統(tǒng)的共振頻率約在1.5~3Hz之間,激勵(lì)頻率在共振區(qū)附近0.5~4Hz時(shí),每間隔0.5Hz進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn),共振區(qū)外,每間隔1Hz進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn);(3)比例流量閥通流面積由功率放大器的輸入電壓控制,經(jīng)測(cè)試得比例閥開啟電壓為1.6V,實(shí)驗(yàn)通流面積變化范圍取0~27mm2,對(duì)應(yīng)輸入電壓為0~4V。通過初測(cè)實(shí)驗(yàn)得出電壓在2V左右為座椅懸架振動(dòng)特性變化敏感區(qū)域,取比例流量閥輸入電壓分別為0V、1.8V、2V、2.2V、2.8V和4V。(4)磁流變減振器阻尼系數(shù)由其輸入電流控制,電流范圍0~1A,由初測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置輸入電流分別為0A、0.125A、0.5A和1A。3結(jié)果與分析3.1不同激勵(lì)頻率的系統(tǒng)位移傳遞率,比例閥輸入電壓的影響最同一周期內(nèi)響應(yīng)位移的最大振幅與最小振幅之差與激勵(lì)位移的最大振幅與最小振幅之差之比,即為一個(gè)周期內(nèi)的位移傳遞率,分別計(jì)算20個(gè)穩(wěn)定周期的位移傳遞率,取其平均值,得到位移傳遞率。圖2(a)~(d)為簧載質(zhì)量為65kg、空氣彈簧壓力為0.38MPa、激勵(lì)振幅為5mm時(shí),座椅懸架在磁流變輸入電流分別為0A、0.125A、0.5A及1A下位移幅頻特性曲線。由圖2(a)可以看出,系統(tǒng)的共振區(qū)為1.5~2.5Hz,其中有兩個(gè)共振點(diǎn),磁流變減振器輸入電流為0A時(shí),比例閥輸入電壓為0V對(duì)應(yīng)的位移傳遞率在2.5Hz時(shí)達(dá)到峰值,其余電壓值對(duì)應(yīng)的位移傳遞率均在2Hz達(dá)到峰值,即隨著比例閥輸入電壓的增大,系統(tǒng)的共振頻率降低。激勵(lì)頻率為2Hz時(shí),位移傳遞率隨著比例閥輸入電壓增大先減小后增大,主要因?yàn)殡S著比例閥輸入電壓的增大,系統(tǒng)剛度先保持不變后迅速減小之后又趨于平穩(wěn),而系統(tǒng)阻尼先增大后減小并在2V時(shí)達(dá)到峰值。激勵(lì)頻率在2.5~5Hz之間時(shí),位移傳遞率隨著比例閥電壓的增大而減小,激勵(lì)頻率小于1.5Hz或大于5Hz時(shí),比例閥電壓的變化對(duì)位移傳遞率基本無影響。結(jié)合圖2(b)、(c)、(d)可以看出,在共振區(qū),隨著磁流變減振器輸入電流的增大,比例閥輸入電壓對(duì)位移傳遞率的影響增大;而在非共振區(qū),磁流變電流及比例閥電壓對(duì)位移傳遞率影響很小。圖2(e)~(h)為簧載質(zhì)量75kg、空氣彈簧壓力為0.42MPa、激勵(lì)振幅為5mm時(shí),座椅懸架在磁流變輸入電流分別為0A、0.125A、0.5A及1A下位移幅頻特性曲線。由圖中可以看出,系統(tǒng)的共振區(qū)為1.5~2.5Hz,當(dāng)比例閥電壓為0V、1.8V及2V時(shí),系統(tǒng)位移傳遞率在2Hz時(shí)達(dá)到峰值,當(dāng)比例閥電壓為2.2V、2.8V及4V時(shí),系統(tǒng)位移傳遞率在1.5Hz達(dá)到峰值。即此時(shí)系統(tǒng)的兩個(gè)共振點(diǎn)分別為1.5Hz和2Hz。在激勵(lì)頻率小于1.5Hz的低頻振動(dòng)區(qū),比例閥電壓和磁流變電流對(duì)位移傳遞率基本無影響;在1.5~2.5Hz的共振區(qū),系統(tǒng)位移傳遞率隨著比例閥輸入電壓的增大而減小;在激勵(lì)頻率大于2.5Hz的隔振區(qū),位移傳遞率隨著比例閥輸入電壓的增大先增大后減小,主要因?yàn)榇藭r(shí)由帶附加氣室空氣彈簧系統(tǒng)產(chǎn)生的阻尼隨著比例閥電壓的增大先增大后減小。圖2(i)~(l)為簧載質(zhì)量85kg、空氣彈簧壓力為0.46MPa、激勵(lì)振幅為5mm時(shí),座椅懸架在磁流變輸入電流分別為0A、0.125A、0.5A及1A下位移幅頻特性曲線。由圖中可以看出,系統(tǒng)的共振區(qū)為1.5~2.5Hz,當(dāng)比例閥電壓為0V及1.8V時(shí),系統(tǒng)位移傳遞率在2Hz時(shí)達(dá)到峰值,當(dāng)為其他電壓值時(shí),系統(tǒng)位移傳遞率在1.5Hz達(dá)到峰值。即此時(shí)系統(tǒng)的兩個(gè)共振點(diǎn)分別為1.5Hz和2Hz。系統(tǒng)在低頻振動(dòng)區(qū)、共振區(qū)及隔振區(qū)顯示出和簧載質(zhì)量為75kg時(shí)同樣的規(guī)律。3.2比例閥輸入電壓的影響響應(yīng)加速度為不規(guī)則的準(zhǔn)周期信號(hào),為了直觀表示響應(yīng)加速度大小,利用excel計(jì)算出振動(dòng)穩(wěn)定后的20s時(shí)間段的加速度均方根值。圖3(a)~(d)為簧載質(zhì)量65kg、空氣彈簧壓力為0.38MPa、激勵(lì)振幅為5mm時(shí),座椅懸架在磁流變輸入電流分別為0A、0.125A、0.5A及1A下座椅懸架加速度均方根值頻率響應(yīng)曲線。由圖中可以看出,比例閥輸入電壓的增大降低了系統(tǒng)的固有頻率,且當(dāng)激勵(lì)頻率小于2Hz,加速度均方根值基本不受比例閥輸入電壓大小的影響;當(dāng)激勵(lì)頻率大于5Hz時(shí),加速度均方根值隨著比例閥輸入電壓的增大先增大后減小,但變化幅度很小;當(dāng)激勵(lì)頻率在2~5Hz之間時(shí),比例閥輸入電壓的增大明顯降低了加速度均方根值。圖3(a)、(b)和(c)可以看出,加速度均方根值在2~5Hz有兩個(gè)峰值,這是由于激勵(lì)頻率大于4Hz時(shí),比例閥輸入電壓的增大對(duì)加速度均方根值的影響減小,從而使得在比例閥輸入電壓為1.8~4V時(shí),加速度均方根值在4Hz時(shí)較3.5Hz時(shí)大;而圖4-9(d)中,當(dāng)比例閥電壓大于2V時(shí),在共振區(qū)加速度均方根值在4V時(shí)最小且無峰值,這是由于系統(tǒng)等效阻尼增大所致。圖3(e)~(h)為簧載質(zhì)量75kg、空氣彈簧壓力為0.42MPa、激勵(lì)振幅為5mm時(shí),座椅懸架在磁流變輸入電流分別為0A、0.125A、0.5A及1A下座椅懸架加速度均方根值頻率響應(yīng)曲線。由圖中可以看出,加速度均方根值在2.5Hz達(dá)到峰值,當(dāng)激勵(lì)頻率小于1.5Hz,加速度均方根值基本不受比例閥輸入電壓大小的影響;當(dāng)激勵(lì)頻率大于4Hz時(shí),加速度均方根值隨著比例閥輸入電壓的增大先增大后減小,但變化幅度很小;當(dāng)激勵(lì)頻率在1.5~4Hz之間時(shí),比例閥輸入電壓的增大明顯降低了加速度均方根值。圖(a)中比例閥輸入電壓為2V及以上、(b)中電壓為2.2V及以上、(c)和(d)中為2.8V及以上時(shí),加速度均方根值在共振區(qū)有兩個(gè)峰值,這與圖3(a)~(d)出現(xiàn)雙峰值的原因一致。圖3(i)~(l)為簧載質(zhì)量85kg、空氣彈簧壓力為0.46MPa、激勵(lì)振幅為5mm時(shí),座椅懸架在磁流變輸入電流分別為0A、0.125A、0.5A及1A下座椅懸架加速度均方根值頻率響應(yīng)曲線。比例閥輸入電壓對(duì)響應(yīng)加速度均方根值的影響及加速度的變化規(guī)律與圖3(e)~(h)相同。3.3空氣彈簧壓力控制基于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,提出簧載質(zhì)量為60~90kg內(nèi)各質(zhì)量段及各激勵(lì)頻率段空氣彈簧壓力、比例流量閥輸入電壓及磁流變減振器輸入電流控制方法,使得座椅懸架位移傳遞率及響應(yīng)加速度均方根值最小,從而獲得最佳減振效果。當(dāng)簧載質(zhì)量為60~70kg時(shí),空氣彈簧壓力控制為0.38MPa,當(dāng)激勵(lì)頻率為2Hz時(shí),調(diào)節(jié)磁流變電流及比例閥電壓分別為1A、2.2V,其余頻率點(diǎn)調(diào)節(jié)磁流變電流及比例閥電壓分別為0A、4V,使得位移傳遞率及響應(yīng)加速度均方根值在各頻率點(diǎn)最小。當(dāng)簧載質(zhì)量為70~80kg時(shí),空氣彈簧壓力控制為0.42MPa,在低頻振動(dòng)區(qū)及共振區(qū),調(diào)節(jié)比例閥電壓為2.8V或4V、磁流變電流為1A,在隔振區(qū),調(diào)節(jié)比例閥電壓為4V、磁流變電流為0A,使得位移傳遞率及加速度均方根值在各頻率點(diǎn)最小。當(dāng)簧載質(zhì)量為80~90kg時(shí),空氣彈簧壓力控制為0.46MPa,在低頻振動(dòng)區(qū)及共振區(qū),調(diào)節(jié)比例閥電壓為2.8V或4V、磁流變電流為1A,在隔振區(qū),調(diào)節(jié)比例閥電壓為4V、磁流變電流為0A,使得位移傳遞率及加速度均方根值在各頻率點(diǎn)最小。4振動(dòng)特性分析(1)構(gòu)建了半主動(dòng)座椅懸架振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過比例流量閥輸入電壓和磁流變減振器輸入電流調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼,實(shí)驗(yàn)研究了不同簧載質(zhì)量、不同比例閥輸入電壓和不同磁流變減