寧東紅,賈志娟,董明明,杜海平

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究院,安徽 合肥 230000;2.伍倫貢大學(xué) 電子計算機與遠(yuǎn)程通訊工程學(xué)院,澳大利亞 伍倫貢 2522;3.鄭州師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450000;4.北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院,北京 100081)

一直以來,車輛振動對駕駛員的影響受到廣泛關(guān)注.雖然引起肩部痛疼、腰部及脊柱損傷和其它肌肉骨骼疾病的確切原因并不清楚,但是這些身體疼痛經(jīng)常發(fā)生于駕駛員身上,特別是需要長時間和長距離駕駛,或者在惡劣的環(huán)境中操作機械時的狀況.比如說重型工程車輛、農(nóng)用車輛、礦山車輛以及軍用車輛等,由于其所行駛的路面不平而引起劇烈振動,使得其駕駛員長期處于高強度的振動中.這種劇烈振動嚴(yán)重影響了駕駛和乘坐人員的乘坐舒適度、安全性及操縱性,對其身體健康也造成嚴(yán)重影響.輪胎、車輛懸架和座椅懸架都能起到減振作用.但是輪胎一旦裝配完成便不能再調(diào)整參數(shù).車輛懸架是車輛最主要的減振機構(gòu),但其調(diào)整或控制成本較高.而座椅懸架直接與駕駛員接觸,能以較低成本有效減少傳遞到駕駛員的振動.

本文主要綜述了車輛振動對駕駛員影響、座椅懸架以及座椅懸架控制三個方面的研究,其中座椅懸架分為單自由度與多自由度座椅懸架.

1　全身振動

圖1　人體坐姿與坐標(biāo)系定義Figure 1　Definition of the seated position and coordinate systems

全身振動即影響身體所有部分的振動.圖1定義了全身振動的方向與坐標(biāo)系[1].振動通過坐墊、艙板和座椅靠背傳遞到人體,使人體產(chǎn)生沿xyz三軸的平移振動和繞xyz三軸的旋轉(zhuǎn)振動.車輛駕駛員經(jīng)常處于劇烈的全身振動之中,這些振動主要來源于起伏的路面.重型車輛進(jìn)行鏟、挖、鉆等作業(yè)時,也會產(chǎn)生強烈振動,其產(chǎn)生的振動強度比普通乘用車輛高好幾倍,特別是農(nóng)業(yè)和工程車輛,需要在長時間工作于惡劣環(huán)境,對駕駛員影響極大.

重型車輛駕駛員承受全身振動的問題已經(jīng)吸引了廣泛的注意[2-4].Paddan等[5]對100輛工作車輛的減振效果進(jìn)行了評估.得出結(jié)論是,通過改善座椅動態(tài)性能可大幅度降低全身振動程度.Kumar[6]研究了用于覆蓋層采礦重載卡車座板的三軸振動和駕駛員第三腰椎與第七頸椎的振動,確認(rèn)了振動對健康的危害,并發(fā)現(xiàn)全身振動在x與y軸上的振動量超出ISO標(biāo)準(zhǔn)許多倍.Dewangan等[7]研究了身體對垂直振動的動態(tài)響應(yīng).他們根據(jù)性別和十一個不同的人體測量參數(shù),研究了垂直和前后方向的座椅到頭部的振動傳遞率響應(yīng).Jack等[8]量化常規(guī)現(xiàn)場操作任務(wù)中林業(yè)集材機的六自由度全身振動水平.這些振動對集材機駕駛員的健康產(chǎn)生不利影響.在這項研究中,值得注意的是,那些報告腰痛和頸部疼痛的駕駛員并不是那些暴露在最高水平加速度中的人,而是那些處于側(cè)向軀干彎曲和向前彎曲的時間比例最大的人.Cation等[9]全面分析了林業(yè)車輛六自由度振動現(xiàn)場數(shù)據(jù).與底盤加速度相比,集材機座椅放大了座椅與駕駛員接觸面的全身振動加速度.Conrad等[10]量化五種常用車輛在煉鋼和金屬冶煉行業(yè)的六自由度振動.在日常操作任務(wù)中,這些車輛基于ISO 2631-1[11]的舒適性被預(yù)測為從不舒適到非常不舒服.Salmoni等[12]發(fā)表了運輸業(yè)中全身振動評估的三個案例研究,著重強調(diào)現(xiàn)場測試的困難,如有限的時間去了解工作環(huán)境和測試環(huán)境的難以控制.所有的研究都確認(rèn)了全身振動對駕駛員的危害.就重型車輛來說,全身振動的強度很高,但在過去的20多年中并未得到大的改善,這主要是對多自由度全身振動控制的關(guān)注有限.

2　單自由度座椅懸架

單自由度座椅懸架主要包括三種形式:被動、半主動和主動.這三種懸架已被廣泛研究,各有優(yōu)缺點.三種形式的單自由度座椅懸架模型如圖2,其中被動座椅懸架包括彈簧K和阻尼器c.而半主動懸架還包含有可變剛度Δk和可變阻尼Δc.在主動懸架中有一個主動作動器產(chǎn)生主動力.半主動與主動座椅懸架都需要作動器、傳感器與相應(yīng)控制器.

圖2　座椅懸架Figure 2　The seat suspension schematic

1.1　被動座椅懸架

圖3　負(fù)剛度座椅懸架Figure 3　Negative set suspension

被動座椅懸架成本低,在一些應(yīng)用場合有著不錯的性能,并且安全可靠.其彈簧剛度與阻尼系數(shù)優(yōu)化的研究已被廣泛進(jìn)行,但座椅一旦制成,它的剛度與阻尼不能再改變.剛度的選取影響著座椅懸架的共振頻率,阻尼則影響著座椅的舒適性.由于被動座椅的被動性,它可以有效的減少高頻振動強度,而其共振頻率附近的振動將會被放大.座椅懸架的共振頻率一般會選在2 Hz左右.重型車輛垂直振動強度主要集中在2～4 Hz,重型車輛駕駛員經(jīng)常處于3 Hz左右的振動會增加其疲憊與睡意[3].因此,通過權(quán)衡應(yīng)用場合所選取的座椅剛度與阻尼系數(shù),往往不能完全滿足重型車輛在不同工況的需求.針對被動座椅的這個問題,Wan與Schimmels[13]在座椅懸架設(shè)計中應(yīng)用非線性機械性質(zhì)以提高其在共振頻率的減振效果.Le與Ahn[14]設(shè)計并制作了負(fù)剛度座椅,以提高其在低頻振動時的性能.此座椅懸架應(yīng)用兩個對稱的負(fù)剛度結(jié)構(gòu)與一個正剛度結(jié)構(gòu)平行設(shè)置,如圖3.

1.2　半主動座椅懸架

半主動振動控制通過改變機械系統(tǒng)的阻尼或剛度,以相比主動系統(tǒng)較少的能量來減小振動強度.同時,它還能保留被動系統(tǒng)的故障安全特性.對于一個單自由度系統(tǒng),阻尼的變化會引起振動傳遞率強度的變化,而剛度的變化會引起所控系統(tǒng)的共振頻率移動[15-20].磁流變材料已被廣泛應(yīng)用于半主動車輛懸架作動器[21-24].磁流變液體阻尼器的控制是通過改變其內(nèi)部線圈電流來實現(xiàn)的.通電線圈會產(chǎn)生磁場,當(dāng)所產(chǎn)生的磁場變化,磁流變液體的粘性將會發(fā)生變化,從而阻尼器的阻尼系數(shù)會改變.Choi等[25]提出了一種基于磁流變液體阻尼器的半主動座椅懸架.這種直線式磁流變阻尼器可應(yīng)用于商用車輛,如圖4.Hiemenz等[26]應(yīng)用磁流變液體開發(fā)了一款針對直升飛機座椅的阻尼器.相較于直線式磁流變液體阻尼器,旋轉(zhuǎn)式磁流變液體阻尼器有易制造、用液少(成本低)的特點,于是Sun等[27]提出一款使用旋轉(zhuǎn)式磁流變液體阻尼器的半主動座椅.自供能式磁流變液體阻尼器使用由振動能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化的電能,為磁流變液阻尼器中線圈供電[28,29].磁流變彈性體可通過鐵粉顆粒、硅膠和硅油制得.Li等[30]利用磁流變彈性體設(shè)計了一個用于座椅振動控制的減振器,此減振器的控制通過改變通電線圈的磁場實現(xiàn).一種基于磁流變彈性體減振器的座椅被用于減少水平方向振動[31].

圖4　直線式磁流變阻尼器座椅[32]Figure 4　MR seat suspension with linear damper [32]

除了磁流變材料,電流變材料也被應(yīng)用于半主動座椅懸架.一種使用電流變液體的半主動座椅懸架已應(yīng)于商用車輛.它的原型與所設(shè)計的滑模控制器的有效性通過硬件在環(huán)實驗得到驗證[33].電磁式半主動座椅懸架[34,35]的原理與磁流變和電流變液體阻尼器懸架有很大的不同.它可將座椅振動能轉(zhuǎn)化為電能,通過控制回路中電阻大小,改變電磁阻尼器的阻尼值,如圖5.

圖5　變阻尼電磁座椅懸架Figure 5　Electromagnetic seat suspension with variable damper

1.3　主動座椅懸架

近些年,主動座椅懸架吸引了越來越多的注意力,因為它是提升駕駛員舒適性的最有效的方法.可用于主動作動器的方案有多種,如電機、液壓和氣壓.Gan等[36]提出一種有兩個直線電動缸的主動座椅,主要用于減少傳遞到駕駛員身上的低頻振動.Maciejewski等[37]提出的主動座椅裝有一個液壓式吸振器和一個可控空氣彈簧.此主動控制系統(tǒng)可在0.5到4 Hz頻率內(nèi)獲得很高的系統(tǒng)魯棒性,并且在高頻振動中有著和被動座椅相當(dāng)?shù)臏p振性能.Kawana和Shimogo[38]所提出座椅的驅(qū)動器由伺服電機和滾珠絲桿組成.此系統(tǒng)通過對所測臀部與座椅接觸處、座椅框架和駕駛艙地面的加速度進(jìn)行積分,獲得座椅振動狀態(tài),從而進(jìn)行控制.Le等[39]針對低頻振動提出一種使用負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的氣動減振系統(tǒng).為了解決系統(tǒng)的時變和非線性特性,提出了自適應(yīng)智能反推控制器.Perisse和Jezequel[40,41]設(shè)計的座椅懸架使用旋轉(zhuǎn)電機和齒輪齒條機構(gòu),以把旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)換為垂直方向作用力.旋轉(zhuǎn)電機也可直接安裝在傳統(tǒng)座椅懸架的剪式結(jié)構(gòu)中心,通過座椅本身結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)換為垂直方向作用力[42],如圖6.為降低純主動控制座椅的能耗,一種主動與半主動混合的座椅懸架被提出,其中小功率主動作動器與磁流變液體半主動作動器配合工作[43].

圖6　主動座椅懸架Figure 6　Active seat suspension

3　多自由度座椅懸架

盡管全身振動已經(jīng)吸引了研究者的注意力,但是座椅懸架的多自由度減振系統(tǒng)較少有報道.一個Stewart平臺形式的有六個作動器的六自由度主動座椅懸架專利已被申請[44],然而它的實用性還有待驗證.Kieneke等[45]提出一種用于軍用車輛的兩自由度主動座椅懸架,可控制垂向和側(cè)向振動.經(jīng)過實驗,此懸架的有效性得到驗證.Frechin等[46]設(shè)計了一個四自由度座椅懸架,如圖7所示.此懸架可對垂直方向進(jìn)行隔振,并補償車輛運動中產(chǎn)生的傾斜和平移加速度.它有滾動、俯仰、偏航和升降四個自由度.Klooster[47]設(shè)計了一個有3個并聯(lián)液壓作動器的多自由度座椅懸架,可對垂直、水平和俯仰方向獨立控制.為了解此座椅懸架在減少有害振動的潛能,文章對每個方向的性能作了單獨評估.根據(jù)ISO2631-1的頻率權(quán)重曲線,人體對不同自由度振動的敏感頻率不同,如對于垂直方向,5～8 Hz的振動對駕駛員影響最大,對于沿x與y軸的平移方向,1～1.25 Hz的振動對駕駛員影響最大,對于沿三軸轉(zhuǎn)動方向的振動,則是0.8 Hz.通過分析人體對不同自由度振動的敏感頻率,Ning等[48]提出一種兩層、多自由度主動座椅,這種兩層結(jié)構(gòu)可減少垂直方向振動與其它四個方向振動(沿x與y軸的平移和繞x與y軸的旋轉(zhuǎn))的耦合,從而可以分別設(shè)計控制器,實現(xiàn)對五個自由度的減振控制.

圖7　四自由度球面運動座椅懸架系統(tǒng)Figure 7　Seat suspension with 4-DOF spherical motion system

4　控制算法

關(guān)于懸架減振控制的策略有很多,如H∞控制[49-55],線性二次高斯(LQG)[56,57],自適應(yīng)控制[58]和模糊控制[59,60]等.由于H∞控制器求解和執(zhí)行簡單,對于它有不同的研究.文獻(xiàn)[50]提出了一種兩步法可用于懸架靜態(tài)輸出控制器的求解.針對人體對不同振動頻率敏感度不同,文獻(xiàn)[51,52]提出了有限頻率H∞控制器.Li等[53]針對有延時的懸架系統(tǒng)提出了一個輸出反饋控制器.Du等[61]設(shè)計了一個次優(yōu)H∞控制器,以控制基于磁流變彈性體的半主動變剛度座椅.近些年,TS模糊算法被應(yīng)用在懸架減振控制[62].Du等[63]使用TS模糊模型設(shè)計了一個基于觀測器的H∞控制器,解決了半主動作動器的非線性問題.車輛或座椅懸架控制很少有使用加速度作為反饋的.盡管加速度測量信號中容易引入高頻噪音,但通過合理設(shè)計算法,可用來有效估計摩擦力等擾動[64,65].Choi和Han[66]提出一種基于狀態(tài)估計器的滑?？刂破饔糜诎胫鲃幼螒壹?

5　展　望

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,人們對于駕乘舒適性的要求必然越來越高,在座椅懸架方面的投入也會不斷增加.對于大多數(shù)車輛而言,垂直方向單自由度座椅懸架已能滿足減振要求,而對于一些重型車輛,需要多自由度減振座椅懸架才能提供舒適性.減少能耗與成本是半主動或主動座椅懸架一直以來的發(fā)展趨勢.通過總結(jié)文獻(xiàn)中未解決的問題和分析這一領(lǐng)域中可能的熱點研究方向,我們認(rèn)為,在座椅懸架減振領(lǐng)域有如下問題需要更深入的研究:

1)利用全身振動研究成果建立三維空間的人體模型,以用于多自由度減振控制器設(shè)計;

2)利用可穿戴設(shè)備,對駕駛員身體振動進(jìn)行測量,實現(xiàn)人機在環(huán)的座椅懸架減振控制;

3)基于實際應(yīng)用需求,設(shè)計三自由度或四自由度等的多自由度減振座椅懸架;

4)利用實際應(yīng)用中易測量的相對位移和加速度,設(shè)計主動或半主動座椅懸架控制器.