基于并联机构车辆座椅隔振技术研究

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汽车座椅悬架的隔振性能对改善乘员乘坐舒适性和身体健康起着关键作用。特别对于工程机械和非铺装路面工况下的车辆,面对较多的低频路面激励,而在各种路面激励中,其中低频振动对人体健康的危害最大甚至造成不同程度的人体损伤。目前应用较为广泛的传统线性座椅悬架为了保证具有较高承载力和较小静位移则多选用固有频率较高的普通线性弹簧,因此面对低频激励下隔振性能较差。但是具有高静态刚度和低动态刚度的并联机构非线性座椅悬架能够较好地解决这一难题。并联机构非线性座椅悬架具有静位移小以及固有频率低等优点,故适合隔离低频甚至超低频振动。但是由于并联机构座椅悬架受到尺寸设计及座椅法规限制,为了使并联机构座椅具有高的静刚度和较低的动刚度这一特性,发挥并联机构最佳隔振性能,因此,对并联机构座椅悬架进行优化设计和隔振性能分析的研究对提高汽车乘坐舒适性具有重要的理论和工程意义。论文完成的工作如下:(1)并联机构座椅悬架建模与静力学分析。基于正负刚度并联的原理,设计了一种新型并联机构座椅悬架,确立是以连杆弹簧为基础的负刚度的刚度调节机构与垂向布置的正刚度的弹性元件并联而成。首先是对并联机构负刚度调节机构进行静力学分析,利用推导出的回复力、刚度和位移的公式,分析设计主要参数对该刚度调节机构回复力和刚度的影响;然后对并联过后的座椅悬架隔振系统回复力进行静力学分析以及刚度变化特性分析,找出不同参数对并联机构回复力及刚度影响特点。这对优化设计并联机构座椅悬架发挥高静刚度和低动刚度具有十分重要意义。(2)并联机构悬架座椅的参数优化设计,不同参数对并联机构各参数作用特点以及并联机构刚度特性,选定了参数协调处理的优化算法,基于有条件约束极值寻优问题演变的加速粒子群算法是对座椅悬架参数权衡、折中从而达到理想工况的高效设计方法。通过对并联机构座椅悬架参数优化,使得最终得到的各参数满足汽车座椅设计法规和尺寸设计要求的同时并联机构座椅悬架隔振系统的动刚度最小值趋于零,即趋于准零刚度。(3)并联机构座椅悬架动力学建模与分析。建立简谐激励下非线性动力学方程,基于谐波平衡法计算得到了悬架系统的幅频响应与基于龙格库塔法求解的数值解对比,验证求解动力学方程的稳态响应准确性。其次是对该动力学系统进行必要的稳定性分析,确定稳定性边界条件与抑制跳跃现象条件。最后,分析不同结构参数对系统响应幅值、位移传递率和起始隔振频率的影响。验证并联机构座椅悬架比传统线性座椅悬架具有更好的低频隔振性能,具有更宽的隔振频带,甚至达到全频隔振的效果。(4)并联机构座椅仿真分析。考虑到并联机构座椅应用在不同的工况,建立了七自由度的“人-座椅-车”集中参数耦合振动模型。该振动耦合参数模型由1/4车模型、座椅悬架以及四自由度的人体集中参数模型组成。基于MATLAB/Simulink仿真得到了人体各部位在简谐基础激励、路面脉冲载荷激励、多频率组合激励以及基于白噪声法的随机激励下的响应,并引入了振动舒适性评价指标,量化分析了并联机构座椅隔振性能。(5)并联机构座椅悬架创新设计与实验分析。对并联机构座椅悬架进行创新设计,在原有负刚度调节结构单弹簧的基础上采用双弹簧设计。基于优化后的参数加工座椅悬架的物理样机,并进行了在定频和扫频实验,实验结果表明:该并联机构座椅悬架隔振性能优于无负刚度调节的等效线性座椅悬架,且具有更好的低频隔振性能。
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