丰田凌志驾驶员座椅减振系统建模仿真(附件)
鉴于主动座椅悬架复杂的结构和高昂的价格，被动座椅悬架性能的不足，半主动座椅悬架受到越来越多的相关研究机构的关注。本文以基于汽车半主动座椅悬架的座椅减振系统为研究对象，主要内容包括:（1）建立了A、B、C、级路面模型和汽车座椅悬架系统数学模型，将其转化为空间状态方程。（2）建立了“汽车一座椅一人体”系统的三自由度动力学模型及数学模型，并将它们转化为空间状态方程。运用车辆行驶动力学相关知识，建立了座椅悬架减振系统的Simulink模型，并进行振动仿真和分析。（3）通过调整刚度来取得模型在不同路面上驾驶员垂直方向的位移(振幅)、垂直方向上的加速度曲线并计算出总加权加速度均方根值。关键词 驾驶员座椅，汽车半主动座椅悬架，Matlab/Simulink，汽车动力学，悬架座椅系统，功率谱密度
目录
1 引言 1
1.1 驾驶员座椅减振系统的类型和特点 1
1.2 国内外驾驶员座椅减振系统的研究现状与发展趋势 3
1.3 本课题研究的内容和意义 3
2 驾驶员座椅减振系统模型及MATLAB建模仿真 4
2.1 力学模型的简化 4
2.2 建立“车辆座椅人体”系统的物理模型 5
2.3 建立“车辆座椅人体”系统的数学模型 5
2.4 振动评价标准和评价方法 6
2.5 本文研究的振动系统简介 7
3 建模过程 8
3.1 MATLAB软件介绍 8
3.2 MATLAB/Simulink工具箱简介 8
3.3 路面不平度模型建立 8
3.4 座椅系统模型的求解过程和模型的建立 13
3.5 座椅减振系统模型的建立 14
4 仿真过程与结果分析 15
4.1 仿真过程 15
4.2 运行仿真结果与分析 20
4.3 总结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 引言
影响汽车乘坐人员舒适性和安全性的重要部件有很多，座椅同样也是直接关系到乘坐人员的舒适性和安全性的重要部件之一。由 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
于汽车行驶速度的提高和承载质量的增加，减缓汽车的振动问题也越来越紧迫，而且汽车振动对驾驶员的乘坐舒适性造成了很大影响，重要的是长时间的振动对人体的健康也会有较大的影响。就目前车辆的结构而言，汽车实现减振目的主要通过弹性轮胎、汽车悬架和座椅这三个环节。经过大量的试验与研究发现，适当增加汽车悬架阻尼或者适当降低汽车悬架刚度以及减小弹性轮胎的垂直刚度都可以有效减小车辆的振动从而降低对人体的影响，提高汽车的乘坐舒适性。在座椅悬架系统这个减振环节进行优化，是提高车辆乘坐舒适性的最直接有效的途径。相关理论研究和实践工作表明，比如通过减小轮胎的垂直刚度或者降低轮胎的胎压虽然也会衰减振动，但这又会有新的问题出现。比如轮胎气压降低会导致轮胎使用寿命的缩短。综合性考虑车辆的各项性能，对座椅悬架减振系统进行优化设置不会对汽车的其他性能造成很大影响。
1.1 驾驶员座椅减振系统的类型和特点
汽车座椅悬架是车身和汽车座椅间所有传力连接装置的总称。路面作用在汽车轮胎上的垂直方向、纵向方向，侧向方向的反力以及所有这些力产生的力矩，全都由悬架传递给座椅然后传递到驾驶员。座椅悬架的主要任务是缓和路面传递给车架或车身的冲击载荷，减缓这些振动带给乘坐人员的振动和冲击，从而降低振动给乘坐人员带来的不舒适感。保证汽车操纵稳定性和行驶平顺性。
汽车座椅悬架的类型很多种，从是否可以根据路况进行性能调整的角度来划分，主要有两大类。分别是被动悬架系统、主动悬架系统。主动悬架系统按照是否包含动力源可分为全主动悬架和半主动悬架。
1.1.1 被动座椅悬架
被动座椅悬架一般是由弹性元件和减振装置等器件组成，弹性元件主要用来缓冲路面不平造成的冲击力，减振装置的主要作用是吸收一部分冲击能量，快速衰减振动。它的简化模型如图11所示。被动座椅悬架不需要额外输入外界能量，有着制造简便成本低的优点，在汽车发展早期得到了广泛的普及。由于被动座椅悬架系统中的阻尼和刚度都不会根据路况发生变化，悬架参数在制造时都是设置好的。因此该种悬架在面对复杂路况时的隔振性能较差，减振能力比较有限。
1.1.2 全主动座椅悬架
全主动座椅悬架可以根据汽车的运动状态和路面状况适时调节悬架的刚度和阻尼使之处于最好的减振状态从而衰减座椅的振动，这种座椅悬架需要额外输入外界能量，系统包含动力源。它的简化模型如图12所示。全主动座椅悬架是在被动悬架系统中附加一个可控制作用力的装置，通常由弹性元件、减振装置、导向装置、传感器、执行装置、控制单元和动力源构成，它通过控制单元对汽车座椅振动进行实时调节。根据驱动方式区分主动减振系统主要有:电液系统、液压气动系统、电气动系统等。在车辆运动过程中，驾驶员座椅在垂直方向上的振动信息被传感器收集记录，然后收集记录到的信息反馈给给控制单元，控制单元处理传感器提供的数据和向执行机构发出调节悬架刚度和阻尼的指令，使座椅悬架始终处于最佳的减振状态。由于全主动座椅悬架系统对系统的传感器和执行机构响应速度要求很高，主动控制系统的结构及控制策略复杂，硬件要求高，成本高，而且系统消耗的能量大，抵抗外界干扰能力差，会增加整车重量，为整车的空间布置带来一定的困难。尤其是在主动控制失效的情况下，整个主动悬架系统控制部分失去作用，相当于被动座椅悬架，安全性会受到很大影响。这些缺点限制了其在座椅上的应用，所以全主动悬架的应用还不够广泛。
图11被动悬架 图12全主动悬架图 图13半主动悬架
1.1.3 半主动座椅悬架
半主动座椅悬架是根据座椅在垂直方向上的振动信息，在一定范围内根据外界情况适时的调节相关参数（刚度和阻尼）的座椅悬架。它的简化模型如图13所示。半主动座椅悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。
目录
1 引言 1
1.1 驾驶员座椅减振系统的类型和特点 1
1.2 国内外驾驶员座椅减振系统的研究现状与发展趋势 3
1.3 本课题研究的内容和意义 3
2 驾驶员座椅减振系统模型及MATLAB建模仿真 4
2.1 力学模型的简化 4
2.2 建立“车辆座椅人体”系统的物理模型 5
2.3 建立“车辆座椅人体”系统的数学模型 5
2.4 振动评价标准和评价方法 6
2.5 本文研究的振动系统简介 7
3 建模过程 8
3.1 MATLAB软件介绍 8
3.2 MATLAB/Simulink工具箱简介 8
3.3 路面不平度模型建立 8
3.4 座椅系统模型的求解过程和模型的建立 13
3.5 座椅减振系统模型的建立 14
4 仿真过程与结果分析 15
4.1 仿真过程 15
4.2 运行仿真结果与分析 20
4.3 总结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 引言
影响汽车乘坐人员舒适性和安全性的重要部件有很多，座椅同样也是直接关系到乘坐人员的舒适性和安全性的重要部件之一。由 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
于汽车行驶速度的提高和承载质量的增加，减缓汽车的振动问题也越来越紧迫，而且汽车振动对驾驶员的乘坐舒适性造成了很大影响，重要的是长时间的振动对人体的健康也会有较大的影响。就目前车辆的结构而言，汽车实现减振目的主要通过弹性轮胎、汽车悬架和座椅这三个环节。经过大量的试验与研究发现，适当增加汽车悬架阻尼或者适当降低汽车悬架刚度以及减小弹性轮胎的垂直刚度都可以有效减小车辆的振动从而降低对人体的影响，提高汽车的乘坐舒适性。在座椅悬架系统这个减振环节进行优化，是提高车辆乘坐舒适性的最直接有效的途径。相关理论研究和实践工作表明，比如通过减小轮胎的垂直刚度或者降低轮胎的胎压虽然也会衰减振动，但这又会有新的问题出现。比如轮胎气压降低会导致轮胎使用寿命的缩短。综合性考虑车辆的各项性能，对座椅悬架减振系统进行优化设置不会对汽车的其他性能造成很大影响。
1.1 驾驶员座椅减振系统的类型和特点
汽车座椅悬架是车身和汽车座椅间所有传力连接装置的总称。路面作用在汽车轮胎上的垂直方向、纵向方向，侧向方向的反力以及所有这些力产生的力矩，全都由悬架传递给座椅然后传递到驾驶员。座椅悬架的主要任务是缓和路面传递给车架或车身的冲击载荷，减缓这些振动带给乘坐人员的振动和冲击，从而降低振动给乘坐人员带来的不舒适感。保证汽车操纵稳定性和行驶平顺性。
汽车座椅悬架的类型很多种，从是否可以根据路况进行性能调整的角度来划分，主要有两大类。分别是被动悬架系统、主动悬架系统。主动悬架系统按照是否包含动力源可分为全主动悬架和半主动悬架。
1.1.1 被动座椅悬架
被动座椅悬架一般是由弹性元件和减振装置等器件组成，弹性元件主要用来缓冲路面不平造成的冲击力，减振装置的主要作用是吸收一部分冲击能量，快速衰减振动。它的简化模型如图11所示。被动座椅悬架不需要额外输入外界能量，有着制造简便成本低的优点，在汽车发展早期得到了广泛的普及。由于被动座椅悬架系统中的阻尼和刚度都不会根据路况发生变化，悬架参数在制造时都是设置好的。因此该种悬架在面对复杂路况时的隔振性能较差，减振能力比较有限。
1.1.2 全主动座椅悬架
全主动座椅悬架可以根据汽车的运动状态和路面状况适时调节悬架的刚度和阻尼使之处于最好的减振状态从而衰减座椅的振动，这种座椅悬架需要额外输入外界能量，系统包含动力源。它的简化模型如图12所示。全主动座椅悬架是在被动悬架系统中附加一个可控制作用力的装置，通常由弹性元件、减振装置、导向装置、传感器、执行装置、控制单元和动力源构成，它通过控制单元对汽车座椅振动进行实时调节。根据驱动方式区分主动减振系统主要有:电液系统、液压气动系统、电气动系统等。在车辆运动过程中，驾驶员座椅在垂直方向上的振动信息被传感器收集记录，然后收集记录到的信息反馈给给控制单元，控制单元处理传感器提供的数据和向执行机构发出调节悬架刚度和阻尼的指令，使座椅悬架始终处于最佳的减振状态。由于全主动座椅悬架系统对系统的传感器和执行机构响应速度要求很高，主动控制系统的结构及控制策略复杂，硬件要求高，成本高，而且系统消耗的能量大，抵抗外界干扰能力差，会增加整车重量，为整车的空间布置带来一定的困难。尤其是在主动控制失效的情况下，整个主动悬架系统控制部分失去作用，相当于被动座椅悬架，安全性会受到很大影响。这些缺点限制了其在座椅上的应用，所以全主动悬架的应用还不够广泛。
图11被动悬架 图12全主动悬架图 图13半主动悬架
1.1.3 半主动座椅悬架
半主动座椅悬架是根据座椅在垂直方向上的振动信息，在一定范围内根据外界情况适时的调节相关参数（刚度和阻尼）的座椅悬架。它的简化模型如图13所示。半主动座椅悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。
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