基于磁力弹簧的非公路车辆驾驶员座椅悬架系统研究

论文摘要

研究表明，对于长期作业和行驶在恶劣环境中的农用车辆、林用车辆以及工程车辆等非公路车辆，采用座椅悬架提高其乘坐舒适性是最为简单直接和经济的方法。因此，深入研究驾驶员座椅悬架系统，采用切实可行的技术措施，隔离由于地面激励而引起的通过车辆底盘和座椅传递到人体的振动，是提高非公路车辆乘坐舒适性的一个重要而实际的课题。基于非公路车辆对驾驶员座椅悬架的要求，结合当前国内外在驾驶员座椅悬架系统方面的研究现状，以及磁力弹簧刚度可调可控的特点，本课题将一种混合式单向磁力弹簧引入到座椅悬架中，研制了垂向力一位移特性呈非线性且垂向等效刚度可以调节的磁力驾驶员座椅悬架。主要完成的工作和取得的结论归纳如下：1、剪式座椅悬架静动态特性的研究。选取当前应用较为广泛的弹簧水平上置式剪式驾驶员座椅悬架作为磁力座椅悬架的结构基础，运用理论分析、动力学仿真和实验研究相结合的方法对其进行了全面系统的研究，为磁力座椅悬架的研究提供了理论指导和实验参照。研究结果表明：微幅振动条件下，所研究的剪式座椅悬架可近似简化为线性振动系统，其垂向等效刚度在工作行程内基本保持不变；座椅悬架中的弹簧布置方式、悬架几何参数以及弹簧刚度对垂向等效刚度均具有一定的影响；系统的振动固有频率、阻尼比、位移传递率以及响应加速度均方根值均与等效簧载质量(即驾驶员体重)有关，而且，等效簧载质量对位移传递率的影响程度与减振器的阻尼系数大小有关；由于座椅悬架中各运动构件间存在较大的摩擦，以及剪杆及其连接杆自身的重力和转动惯量的影响，实验过程中座椅悬架在低频小振幅激振时出现“锁止”现象，其位移传递率的峰值频率随激振幅值的增加而减小，在位移激振幅值较小时，实验测得的位移传递率的峰值频率大于理论研究和仿真研究的结果。2、带附加弹性元件的剪式座椅悬架刚度调节特性的理论研究。首先理论分析了附加弹性元件在剪式座椅悬架中的布置方式，在布置方式确定的情况下，构建了带附加弹性元件的剪式座椅悬架的理论模型，分析了弹性元件的刚度对座椅悬架垂向力—位移特性、垂向等效刚度以及振动固有频率的影响，考察了通过对附加弹性元件刚度的调节实现座椅悬架垂向等效刚度调节的可行性，为垂向等效刚度可调的磁力座椅悬架的研制提供了理论基础。研究结果表明：带附加弹性元件的座椅悬架，其工作行程内的垂向力—位移特性呈明显的非线性特性，且非线性特性随附加弹性元件刚度的增加而显著增强；垂向等效刚度与振动固有频率在悬架处于不同行程高度时具有不同的值，且在悬架伸张行程内的值总是大于其在压缩行程内的值；附加弹性元件的刚度对悬架的垂向力一位移特性，垂向等效刚度和振动固有频率均具有显著的影响。3、磁力弹簧的构建及其磁场理论分析。对刚度可调的附加弹性元件—混合式单向磁力弹簧的主要设计参数进行了系统的分析和计算，内容包括磁力弹簧所需磁场力和工作气隙大小的计算，电磁铁与永磁铁的材料和工作特性参数的选择，电磁铁和永磁铁几何参数的确定。在此基础上，运用静电学与电动力学理论，推导了气隙磁通密度和轴向磁场力的表达式，并分析了各种因素对它们的影响，为磁力弹簧的实验研究提供了理论指导。研究结果表明：所构建的磁力弹簧的气隙磁通密度除与电磁线圈中的电流大小、永磁铁的直径与长度以及工作气隙大小有关外，还与电磁线圈的匝数、线圈的高度和厚度、铁心的长度以及退磁因子等诸多因素有关；磁力弹簧的轴向磁场力主要由气隙中平面z_m上的轴向和径向磁通密度大小以及同极相对的磁铁半径决定，平面z_m在气隙中的位置则由两侧的磁铁在气隙中产生的磁通密度大小决定。4、磁力弹簧的实验研究。实验研究了不同磁极形状的电磁铁在不同电磁线圈端电压下的空间场强分布，以及不同尺寸柱状永磁铁的空间场强分布；构建了磁力弹簧磁力特性测试实验台，实验研究了电磁线圈端电压、永磁铁尺寸以及不同永磁铁尺寸的组合对磁力弹簧磁力特性的影响。研究结果表明：在各主要几何参数及电磁线圈端电压相同的情况下，无极帽平头磁极电磁铁的平均气隙磁通密度大于其它两种磁极形状的电磁铁；永磁铁的表面及气隙磁通密度在一定程度上取决于其长径比；排斥型磁力弹簧，当同极相对的两个磁极上的磁通密度相差较大时，磁极间的排斥力在气隙小至一定程度时将随气隙的进一步减小而减小，使磁力弹簧呈现负刚度特性，而当同极相对的两个磁极上的磁通密度值相近时，磁极间的排斥力随气隙的减小将呈非线性关系增大；随着电磁线圈端电压的增大，磁力弹簧的轴向磁场力呈线性关系增加，磁力特性曲线沿力轴向上移动，并且其非线性度随电磁线圈端电压的增大而增大。5、磁力座椅悬架的研制及其实验研究。研制了基于磁力弹簧的磁力座椅悬架系统，理论分析了其垂向等效刚度的构成；构建了磁力座椅悬架系统研究实验台，实验研究了磁力座椅悬架的动态特性，主要包括其位移传递率、位移传递率的峰值频率以及悬架上板的加速度响应，考察了它们随悬架的等效簧载质量、电磁线圈端电压、激振振幅和激振频率的变化情况，并与原剪式座椅悬架进行了比较分析。研究结果显示：磁力座椅悬架的位移传递率在振动放大区，随电磁线圈端电压的增大而减小，随等效簧载质量的增大而增大；在隔振区，位移传递率几乎与电磁线圈端电压的变化无关，而随等效簧载质量的增大而减小；位移传递率的峰值频率和响应加速度均方根值均随电磁线圈端电压的增大而增大，随等效簧载质量的增大而减小；与有减振器的磁力座椅悬架相比，无减振器的磁力座椅悬架的位移传递率的峰值频率和响应加速度均方根值均较小，且它们受等效簧载质量的影响程度均较小。此外，无减振器的磁力座椅悬架的振动放大频段较窄，加速度的响应幅值比激振幅值减小约2／3。通过本课题的研究，有望为基于磁力弹簧的垂向力—位移特性呈非线性且垂向等效刚度可调的半主动驾驶员座椅悬架的研究提供理论基础和技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 驾驶员座椅悬架在车辆减振中的重要作用
• 1.1.2 被动驾驶员座椅悬架系统
• 1.1.3 主动和半主动驾驶员座椅悬架系统
• 1.1.4 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 驾驶员座椅悬架系统的研究现状
• 1.2.1.1 “人体-座椅”系统模型的探讨
• 1.2.1.2 被动座椅悬架系统振动特性的测定、分析与优化
• 1.2.1.3 主动和半主动座椅悬架系统的研究
• 1.2.2 磁力隔振技术的应用研究现状
• 1.3 课题研究目标和内容
• 第二章 剪式座椅悬架静动态特性研究
• 2.1 剪式座椅悬架的结构型式
• 2.2 静动态特性的理论分析
• 2.2.1 系统模型的建立
• 2.2.2 垂向等效刚度
• 2.2.3 系统动态特性参数
• 2.2.4 等效簧载质量对系统动态特性参数的影响
• 2.3 静动态特性的仿真研究
• 2.3.1 仿真模型的建立
• 2.3.2 垂向等效刚度影响因素仿真研究
• 2.3.2.1 弹簧布置方式的影响
• 2.3.2.2 悬架几何参数的影响
• 2.3.2.3 弹簧刚度的影响
• 2.3.3 位移传递率影响因素仿真研究
• 2.4 静动态特性的实验研究
• 2.4.1 垂向等效刚度测定
• 2.4.2 动态特性实验研究
• 2.4.2.1 实验装置及实验方案
• 2.4.2.2 实验仪器及设备
• 2.4.2.3 实验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 剪式座椅悬架刚度调节特性研究
• 3.1 附加弹性元件布置方式
• 3.2 理论模型的建立
• 3.3 垂向力—位移特性分析
• 3.4 垂向等效刚度分析
• 3.5 振动固有频率分析
• 3.6 垂向等效刚度可调性分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 磁力弹簧的构建及其磁场理论分析
• 4.1 磁力弹簧的构建
• 4.1.1 气隙与磁场力计算
• 4.1.2 电磁铁设计
• 4.1.2.1 材料的选择
• 4.1.2.2 主要设计参数与工作参数的选择
• 4.1.3 永磁铁设计
• 4.1.3.1 材料的选择
• 4.1.3.2 主要尺寸参数的确定
• 4.2 磁力弹簧气隙磁通密度
• 4.2.1 电磁线圈中电流产生的磁场
• 4.2.2 磁化后的电磁铁铁心产生的磁场
• 4.2.3 永磁铁产生的磁场
• 4.3 磁力弹簧轴向磁场力
• 4.4 本章小结
• 第五章 磁力弹簧实验研究
• 5.1 磁铁空间场强分布的实验研究
• 5.1.1 电磁铁的空间场强分布
• 5.1.2 永磁铁的空间场强分布
• 5.2 磁力弹簧磁力特性的实验研究
• 5.2.1 实验系统构建
• 5.2.2 实验仪器及设备
• 5.2.3 实验方案
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 Ⅰ型磁力弹簧
• 5.3.2 Ⅱ型磁力弹簧
• 5.4 本章小结
• 第六章 磁力座椅悬架系统的研制及其实验研究
• 6.1 磁力座椅悬架系统的研制
• 6.1.1 磁力弹簧与剪式座椅悬架的连接
• 6.1.2 水平螺旋弹簧刚度的选择
• 6.2 磁力座椅悬架系统的垂向等效刚度
• 6.2.1 静刚度
• 6.2.2 动刚度
• 6.3 磁力座椅悬架系统的实验研究
• 6.3.1 实验系统构建
• 6.3.2 实验仪器及设备
• 6.3.3 实验方案
• 6.4 实验结果及分析
• 6.4.1 位移传递率及其峰值频率比较分析
• 6.4.2 加速度均方根值比较分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 后续研究建议及展望
• 参考文献
• 附录一 Ⅱ型磁力弹簧实验结果
• 附录二 磁力弹簧实验装置
• 附录三 磁力座椅悬架实验装置
• 致谢
• 博士研究生期间发表的论文