Content area
Abstract
The objective of this research is to analyze the influence of vibration on the comfort and the stability of the vehicles for the variation of many parameters like the suspensions coefficients, the vehicle velocity, the road irregularities and the seat position. A mathematical model to simulate the dynamic movement of a vehicle has been developed. This model can use nonlinear suspensions such as active and semi-active suspensions. In the second part of this research, a nonlinear seat model has been developed using experimental data. We have exploited this nonlinear seat to give a better explanation of the interface between the driver and the seat.
With a detailed study of the vibration and its effect on the human body, we have concluded that the natural frequency of the human body (1 to 20 Hz) has the same range of the vibration frequency generated by the road irregularities. A temporal profile based on the power spectral density (PSD) has been generated. To justify our mathematical model, we have simulated a quarter car model with passive, active and semi-active suspension. The force generated by the nonlinear suspension is based on the principles of the full state feedback law (fl) and the velocity feedback law (vl). We have showed that the principle vl can be used on the vehicle domain because the energy consumed by it is less than the fl principle and with the vl principle we have only one parameter to control. To complete this analysis, we have developed an optimization method to control the comfort and the stability parameters of the vehicle. Furthermore, with an analytical derivation, we have found the optimal parameters suspensions.
To validate this approach, 2-D and 3-D vehicle models have been analyzed. Results from these models for a random road excitation, a simple bump and a double bump showed that the active and semi-active suspensions increase the comfort level from 30% to 50% compared to the passive suspension. For example, for the 3-D model the comfort increase was in average 30% for the vertical driver acceleration, 30% for the vertical unsprung mass acceleration and 50% for the roll acceleration. However, the pitch acceleration was in the same level for the three suspensions models because we have controlled the pitch movement by introducing specific constraints.
Finally, with the experimental results obtained on the seat at the CONCAVE center of the University of Concordia we have calibrated the numerical seat model. After a comparison between the experimental and the numerical results, we have concluded that the active and the semi-active suspension increases the comfort on the seat by 20% to 30% compared to the conventional one. With this analysis, we have concluded that is better to apply the active and semi-active suspension to the seat because in many cases, like the construction and the mining area, the vehicle drivers are exposed to high amplitude vibrations.
Alternate abstract:
You are viewing a machine translation of selected content from our databases. This functionality is provided solely for your convenience and is in no way intended to replace human translation. Show full disclaimer
L'objectif de cette recherche est d'analyser l'influence des vibrations sur le confort et la stabilité des véhicules pour la variation de nombreux paramètres comme les coefficients de suspensions, la vitesse du véhicule, les irrégularités de la route et la position du siège. Un modèle mathématique pour simuler le mouvement dynamique d'un véhicule a été développé. Ce modèle peut utiliser des suspensions non linéaires telles que des suspensions actives et semi-actives. Dans la deuxième partie de cette recherche, un modèle de siège non linéaire a été développé à partir de données expérimentales. Nous avons exploité ce siège non linéaire pour mieux expliquer l'interface entre le conducteur et le siège.
Avec une étude détaillée de la vibration et de son effet sur le corps humain, nous avons conclu que la fréquence naturelle du corps humain (1 à 20 Hz) a la même plage de fréquence de vibration générée par les irrégularités de la route. Un profil temporel basé sur la densité spectrale de puissance (PSD) a été généré. Pour justifier notre modèle mathématique, nous avons simulé un modèle de quart de voiture avec suspension passive, active et semi-active. La force générée par la suspension non linéaire est basée sur les principes de la loi de rétroaction d'état complet (fl) et de la loi de rétroaction de vitesse (vl). Nous avons montré que le principe vl peut être utilisé sur le domaine véhicule car l'énergie consommée par celui-ci est inférieure au principe fl et avec le principe vl nous n'avons qu'un seul paramètre à contrôler. Pour compléter cette analyse, nous avons développé une méthode d'optimisation pour contrôler les paramètres de confort et de stabilité du véhicule. De plus, grâce à une dérivation analytique, nous avons trouvé les paramètres optimaux des suspensions.
Pour valider cette approche, des modèles de véhicules 2D et 3D ont été analysés. Les résultats de ces modèles pour une excitation aléatoire de la route, une simple bosse et une double bosse ont montré que les suspensions actives et semi-actives augmentent le niveau de confort de 30 % à 50 % par rapport à la suspension passive. Par exemple, pour le modèle 3D, l'augmentation du confort était en moyenne de 30 % pour l'accélération verticale du conducteur, de 30 % pour l'accélération verticale des masses non suspendues et de 50 % pour l'accélération en roulis. Cependant, l'accélération en tangage était au même niveau pour les trois modèles de suspensions car nous avons contrôlé le mouvement en tangage en introduisant des contraintes spécifiques.
Enfin, avec les résultats expérimentaux obtenus sur le siège au centre CONCAVE de l'Université de Concordia nous avons calibré le modèle numérique du siège. Après une comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques, nous avons conclu que la suspension active et semi-active augmente le confort sur le siège de 20% à 30% par rapport à la suspension conventionnelle. Avec cette analyse, nous avons conclu qu'il est préférable d'appliquer la suspension active et semi-active au siège car dans de nombreux cas, comme dans le secteur de la construction et de l'exploitation minière, les conducteurs des véhicules sont exposés à des vibrations de forte amplitude.
