CN116118584B - 一种基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振装置及方法，所述减振装置安装在座椅和车底之间，包括交叉设置的第一交叉臂和第二交叉臂，第一交叉臂和第二交叉臂之间通过第五铰链连接，第二交叉臂下端通过第四铰链固定连接于车底；还包括竖直放置的空气弹簧，所述空气弹簧一端固定连接于车底，另一端固定连接于第二交叉臂；还包括磁流变减振器总成，所述磁流变减振器总成一端通过第六铰链和第二支撑臂连接至第五铰链，其另一端通过第三铰链和第一支撑臂连接至第四铰链；所述磁流变减振器总成中采用盘式磁流变阻尼器。本发明的座椅减振装置减振效果好，有效延长了座椅系统使用寿命。

Description

一种基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振方法
技术领域
本发明涉及汽车座椅，具体涉及一种基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振装置及方法。
背景技术
目前，汽车座椅的减振研究主要集中在被动悬架系统方面，通过将原来广泛采用的被动悬架系统改进设计为先进悬架系统，主要为主动悬架、半主动悬架和馈能悬架等，以此达到调节座椅姿态和降低车体垂直振动加速度等目的研究较少，十分有必要开展汽车座椅减振控制的研究。
悬挂系统振动控制技术主要包括控制算法、智能传感器、嵌入式系统、可控电源驱动器等多种技术。其中，控制算法是悬挂系统控制技术的核心。其理论研究主要是从控制机理方面揭示各种控制规律对悬挂系统动态特性的影响，如对行驶平顺性、操纵稳定性及系统的能量需求等。目前，应用较多的振动控制算法有：基于天棚阻尼控制原理的开关控制以及基于最优控制理论的Hrovat限界控制。其它与悬挂系统相适应的控制策略如预瞄控制、自适应控制以及智能控制等也处于积极研究中。
上述控制算法都有自己的优点和缺点，无论应用哪种控制算法，与被动悬挂相比，悬挂性能均有不同程度的改善，但是座椅悬架控制策略的主要问题是存在两个相反的要求：一方面，座椅上的绝对加速度应接近于零，以保护驾驶员的健康；另一方面，座椅与驾驶室地板之间的最大相对位移也应趋近于零，以保证工作机器的可控性。相反的标准之间的最佳妥协产生了一个复杂的优化问题。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种能够延长座椅系统使用寿命的基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振装置；本发明的第二目的在于提供一种能够最大限度减弱人体共振频率振动以及兼顾工作机器可控性的基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振方法。
技术方案：基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振装置，安装在座椅和车底之间，包括交叉设置的第一交叉臂和第二交叉臂，第一交叉臂和第二交叉臂之间通过第五铰链连接，第二交叉臂下端通过第四铰链固定连接于车底；还包括竖直放置的空气弹簧，所述空气弹簧一端固定连接于车底，另一端固定连接于第二交叉臂；还包括磁流变减振器总成，所述磁流变减振器总成一端通过第六铰链和第二支撑臂连接至第五铰链，其另一端通过第三铰链和第一支撑臂连接至第四铰链；所述磁流变减振器总成中采用盘式磁流变阻尼器。
所述磁流变减振器总成包括曲轴、曲柄、下连杆、第八铰链、盘式磁流变阻尼器、上连杆，通过曲轴将曲柄和盘式磁流变阻尼器相连，下连杆通过第八铰链与曲柄相连，上连杆与盘式磁流变阻尼器刚性连接。
当所述座椅上下振动时，上连杆产生旋转和上下两个自由度的运动，曲柄和下连杆将直线运动转变为曲轴的旋转运动，盘式磁流变阻尼器的阻尼力可调。
本发明还包括一种基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振方法，包括以下步骤：
(一)测量座椅各参数，包括第二交叉臂与车底形成的角度α、第二支撑臂与车底形成的角度β、第一支撑臂与车底形成的角度γ、座椅及负重质量和m、车底与座椅上平面之间的高度H、上一时刻的高度H1、当前时刻高度H2、车底上下移动的位移x1、座椅平面上下移动的位移x2、a为座椅上平面的振动加速度(二)在控制a∝0的条件下，计算出此时磁流变阻尼器产生的阻尼力Fc；
(三)在控制H1-H2∝0的条件下，计算出此时磁流变阻尼器产生的阻尼力Fd；
(四)计算出阻尼器阻尼力F＝λ1·Fc+λ2·Fd；其中λ1、λ2为加权系数；Fc表示在座椅上的绝对加速度应接近于零时，磁流变阻尼器应产生的阻尼力；Fd表示在座椅与驾驶室地板之间的最大相对位移也应趋近于零时，磁流变阻尼器应产生的阻尼力为；F表示磁流变阻尼器实际产生的阻尼力，满足多准则优化标准；
(五)当座椅处于平衡位置时，记下此刻磁流变阻尼器与水平地面/底座形成的夹角θ的角度；当θ增加到局部最大值时记下从座椅平衡位置到座椅此时高度所经历的时间t1,为振动周期的1/4，故座椅垂直振动频率f＝1/(4t1)；
(六)计算出阻尼器速度V，根据阻尼器速度V确定阻尼器流过电流I。
步骤(二)中，所述在控制a∝0的条件下，利用公式计算出磁流变阻尼器产生的阻尼力FC，具体如下：
sinβ＝sin(α+30°) (1)
cosβ＝cos(α+30°) (2)
H+x1-x2＝Lsinα (3)
H1＝Lsinα1 (4)
H2＝Lsinα2 (5)
(L1sinα+l1sinβ+l2sinγ)/(L1cosα-l1cosβ-l2cosγ)＝tanθ (6)
式中，α表示第二交叉臂与车底形成的角度；β表示第二支撑臂与车底形成的角度；γ表示第一支撑臂与车底形成的角度；m表示座椅及负重质量和；H表示车底与座椅上平面之间的高度；H1表示座椅上一时刻的高度；H2表示座椅当前时刻高度；x1表示车底上下移动的位移；x2表示座椅平面上下移动的位移。
步骤(四)中，所述加权系数λ1、λ2的值根据座椅垂直振动频率f的范围设定。
步骤(四)中，根据以下公式计算出阻尼器速度V：
式中，θ表示磁流变阻尼器与水平地面/底座形成的夹角；t表示座椅上一时刻高度与当前时刻高度之间经历的时间；H1表示座椅上一时刻的高度；H2表示座椅当前时刻高度。
有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：有效避免了传统座椅单筒活塞式磁流变阻尼器因活塞杆旋转运动不停横向敲击密封圈产生的密封失效故障，有效延长了座椅系统使用寿命；(2)本发明的减振方法，能够减弱0-6Hz垂直振动能量，尽可能减弱人体共振频率振动；对于6-8Hz垂直振动，既考虑保护驾驶员的健康又兼顾工作机器的可控性；对于8Hz以上的垂直振动，主要考虑保证工作机器的可控性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中磁流变减振器总成的结构示意图；
图3为传统磁流变半主动悬挂座椅结构图；
图4为本发明的汽车磁流变半主动控制座椅与被动悬架座椅振动控制效果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。
如图1所示，本发明的磁流变悬挂座椅减振装置安装在座椅1和车底7之间，包括以下部件：第一铰链2、第一交叉臂3、第二交叉臂4、第二铰链5、空气弹簧6、第三铰链8、第一支撑臂9、第四铰链10、磁流变减振器总成11、第五铰链12、第二支撑臂13、第六铰链14、第七铰链15。具体安装方式如下：第一交叉臂3、第二交叉臂4交叉设置，第一交叉臂3和第二交叉臂4之间通过第五铰链12连接。第五铰链12可上下运动、左右运动，并可转动。第一交叉臂3上端通过第一铰链2与座椅1底面连接，第二交叉臂4上端通过第七铰链15与座椅1底面连接；第一铰链2可转动、不可滑动，第七铰链15可左右滑动，也可转动。第一交叉臂3下端通过第四铰链10固定在车底7上，第二交叉臂4的下端通过第二铰链5固定在车底7上。第四铰链10可左右滑动、可转动，第二铰链5不可滑动、可转动。空气弹簧6一端固定连接于车底7，另一端固定连接于第二交叉臂4。磁流变减振器总成11一端通过第六铰链14和第二支撑臂13连接至第五铰链12，另一端通过第三铰链8和第一支撑臂9连接至第四铰链10。第六铰链14可左右滑动、可上下滑动、可转动，第三铰链8可左右滑动、可上下滑动、可转动。
如图2所示，磁流变减振器总成11主要包括盘式磁流变阻尼器和外部机械结构，具体包括以下部件：曲轴111、曲柄112、下连杆113、第八铰链114、盘式磁流变阻尼器115、上连杆116，通过曲轴111将曲柄112和盘式磁流变阻尼器115相连，下连杆113通过第八铰链114与曲柄112相连，上连杆116与盘式磁流变阻尼器115刚性连接。当座椅1上下振动时，上连杆116产生旋转和上下两个自由度的运动，曲柄112和下连杆113将直线运动转变为曲轴111的旋转运动。对比图3可知，本方案中的磁流变减振器总成11有效避免了传统座椅单筒活塞式磁流变阻尼器因活塞杆旋转运动不停横向敲击密封圈产生的密封失效故障，有效延长了座椅系统使用寿命。盘式磁流变阻尼器115的阻尼力可调。
由于座椅1的阻尼力主要作用在第二交叉臂4上，为便于分析，可将图1简化为图4。实际座椅模型各数据测量，主要目的是得到在座椅运动/振动时θ的关于座椅实时高度H的函数。(θ为磁流变阻尼器与水平地面/底座形成的夹角，此夹角会在运动/振动时不断变化，导致作用在座椅上的阻尼力发生变化，为提高减振效果，需要将θ看作是关于H的变量)。座椅实时高度H。与初始高度H0(完全由空气弹簧支撑)，和振幅有关。座椅设计尺寸如下表所示。
l1＝56.5mm L3＝120mm
l2＝36mm L4＝120mm
L1＝190mm L2＝160mm
γ＝70° L＝L1+L2
β＝α+30°
本发明还包括一种基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振装置的减振方法，包括以下步骤：
(一)测量座椅各参数，包括第二交叉臂与车底形成的角度α、第二支撑臂与车底形成的角度β、第一支撑臂与车底形成的角度γ、座椅及负重质量和m、车底与座椅上平面之间的高度H、上一时刻的高度H1、当前时刻高度H2、车底上下移动的位移x1、座椅平面上下移动的位移x2、a为座椅上平面的振动加速度(二)在控制a∝0的条件下，利用公式计算出磁流变阻尼器产生的阻尼力Fc，具体包括以下：
sinβ＝sin(α+30°) (1)
cosβ＝cos(α+30°) (2)
H+x1-x2＝Lsinα (3)
H1＝Lsinα1 (4)
H2＝Lsinα2 (5)
(L1sinα+l1sinβ+l2sinγ)/(L1cosα-l1cosβ-l2cosγ)＝tanθ (6)
式中，α表示第二交叉臂与车底形成的角度；β表示第二支撑臂与车底形成的角度；γ表示第一支撑臂与车底形成的角度(运动中变化很小，近似认为恒值)；m表示座椅及负重质量和；FC为磁流变阻尼器产生的阻尼力；H表示车底与座椅上平面之间的高度，因公式中用到的是H的高度差，因此可以认定为H1表示座椅上一时刻的高度，H2表示座椅当前时刻高度；x1表示车底上下移动的位移；x2表示座椅平面上下移动的位移；a为座椅上平面的振动加速度，统一规定向上为正，向下为负。
(三)在控制H1-H2∝0的条件下，利用公式(1)～(6)、(8)计算出出此时磁流变阻尼器产生的阻尼力Fd；
(四)计算出阻尼器阻尼力F＝λ1·FC+λ2·Fd；其中λ1、λ2为加权系数；在座椅上的绝对加速度应接近于零，磁流变阻尼器应产生的阻尼力为Fc；在座椅与驾驶室地板之间的最大相对位移也应趋近于零时，磁流变阻尼器应产生的阻尼力为Fd；F为磁流变阻尼器实际产生的阻尼力，满足多准则优化标准。其中，加权系数λ1、λ2的值根据座椅垂直振动频率f的范围设定，其值由表1决定。
表1多则优化策略
(五)f通过θ的变化求得，当座椅处于平衡位置时，记下此刻磁流变阻尼器与水平地面/底座形成的夹角θ的角度；当θ增加到局部最大值时记下从座椅平衡位置到座椅此时高度所经历的时间t1，为振动周期的1/4，故座椅垂直振动频率f＝1/(4t1)；
(六)磁流变阻尼器阻尼力F与阻尼器旋转切向速度V及阻尼器流过电流I有关，计算出阻尼器旋转切向速度V，根据阻尼器旋转切向速度V确定阻尼器流过电流I：
式中，θ表示磁流变阻尼器与水平地面/底座形成的夹角；t表示座椅上一时刻高度与当前时刻高度之间经历的时间；H1表示座椅上一时刻的高度；H2表示座椅当前时刻高度。
其中F为已求解得到的阻尼力，V也可求解得到，这时通过台架试验测得磁流变阻尼器的示功特性，通过搜索的方法寻找最佳的电流I，使得磁流变的阻尼力接近F。
五、试验结果
减振器结构为本发明设计结构，减振器载液采用Lord公司的MRF-140CG磁流变液，当减振器不加电流时，磁流变减振器降级为传统的被动式减振器。
磁流变减振器采用天棚振动控制算法，路面激励采用正弦路面，速度为0.3m/s，幅值为15mm，激励时间为45s，从图4可以看出磁流变减振器座椅垂直振动加速度在大部分时间内优于传统座椅减振器。

Claims (4)

1.一种基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振方法，其特征在于，应用于基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振装置，该基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振装置安装在座椅(1)和车底(7)之间，包括交叉设置的第一交叉臂(3)和第二交叉臂(4)，第一交叉臂(3)和第二交叉臂(4)之间通过第五铰链(12)连接，第二交叉臂(4)下端通过第四铰链(10)固定连接于车底(7)；还包括竖直放置的空气弹簧(6)，所述空气弹簧(6)一端固定连接于车底(7)，另一端固定连接于第二交叉臂(4)；其特征在于：还包括磁流变减振器总成(11)，所述磁流变减振器总成(11)一端通过第六铰链(14)和第二支撑臂(13)连接至第五铰链(12)，其另一端通过第三铰链(8)和第一支撑臂(9)连接至第四铰链(10)；所述磁流变减振器总成(11)中采用盘式磁流变阻尼器(115)；
所述磁流变减振器总成(11)包括曲轴(111)、曲柄(112)、下连杆(113)、第八铰链(114)、盘式磁流变阻尼器(115)、上连杆(116)，通过曲轴(111)将曲柄(112)和盘式磁流变阻尼器(115)相连，下连杆(113)通过第八铰链(114)与曲柄(112)相连，上连杆(116)与盘式磁流变阻尼器(115)刚性连接；
该磁流变悬挂座椅减振方法包括以下步骤：
(一)测量座椅各参数，包括第二交叉臂与车底形成的角度α、第二支撑臂与车底形成的角度β、第一支撑臂与车底形成的角度γ、座椅及负重质量和m、车底与座椅上平面之间的高度H、上一时刻的高度H1、当前时刻高度H2、车底上下移动的位移x1、座椅平面上下移动的位移x2、a为座椅上平面的振动加速度；
(二)在控制a∝0的条件下，计算出此时磁流变阻尼器产生的阻尼力Fc；
(三)在控制H1-H2∝0的条件下，计算出此时磁流变阻尼器产生的阻尼力Fd；
(四)计算出阻尼器阻尼力F＝λ1·Fc+λ2·Fd；其中λ1、λ2为加权系数；Fc表示在座椅上的绝对加速度应接近于零时，磁流变阻尼器应产生的阻尼力；Fd表示在座椅与驾驶室地板之间的最大相对位移也应趋近于零时，磁流变阻尼器应产生的阻尼力为；F表示磁流变阻尼器实际产生的阻尼力，满足多准则优化标准；
(五)当座椅处于平衡位置时，记下此刻磁流变阻尼器与水平地面/底座形成的夹角θ的角度；当θ增加到局部最大值时记下从座椅平衡位置到座椅此时高度所经历的时间t1,为振动周期的1/4，故座椅垂直振动频率f＝1/(4t1)；
(六)计算出阻尼器速度V，根据阻尼器速度V确定阻尼器流过电流I；
步骤(二)中，所述在控制a∝0的条件下，利用公式计算出磁流变阻尼器产生的阻尼力FC，具体如下：
sinβ＝sin(α+30°) (1)
cosβ＝cos(α+30°) (2)
H+x1-x2＝Lsinα (3)
H1＝Lsinα1 (4)
H2＝Lsinα2 (5)
(L1sinα+l1sinβ+l2sinγ)/(L1cosα-l1cosβ-l2cosγ)＝tanθ (6)
式中，α表示第二交叉臂与车底形成的角度；β表示第二支撑臂与车底形成的角度；γ表示第一支撑臂与车底形成的角度；m表示座椅及负重质量和；H表示车底与座椅上平面之间的高度；H1表示座椅上一时刻的高度；H2表示座椅当前时刻高度；x1表示车底上下移动的位移；x2表示座椅平面上下移动的位移。
2.根据权利要求1所述的基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振方法，其特征在于：当所述座椅(1)上下振动时，上连杆(116)产生旋转和上下两个自由度的运动，曲柄(112)和下连杆(113)将直线运动转变为曲轴(111)的旋转运动，盘式磁流变阻尼器(115)的阻尼力可调。
3.根据权利要求1所述的基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振方法，其特征在于：步骤(四)中，所述加权系数λ1、λ2的值根据座椅垂直振动频率f的范围设定。
4.根据权利要求1所述的基于多准则优化的磁流变悬挂座椅减振方法，其特征在于，步骤(六)中，根据以下公式计算出阻尼器速度V：
式中，θ表示磁流变阻尼器与水平地面/底座形成的夹角；t表示座椅上一时刻高度与当前时刻高度之间经历的时间；H1表示座椅上一时刻的高度；H2表示座椅当前时刻高度。
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