半主动座椅悬架的设计与振动特性研究

论文摘要

现代车辆,特别像工程车辆、军用战车等非公路车辆,由于其自身悬架性能较差以及运行路况恶劣,使得运行过程中驾驶员长期承受低频高强度的乘坐振动,严重损害驾驶员的身心健康,降低工作效率。因此,研究座椅悬架系统,并改善其动态性能,对于提高非公路车辆乘坐舒适性有着十分重要的意义。本课题为改善非公路车辆驾驶员的乘坐环境,设计了一种基于带附加气室空气弹簧和磁流变减振器的半主动座椅悬架,用理论分析与试验相结合的方法对其振动特性进行了系统的研究,并建立了座椅悬架平顺性仿真模型。所完成的工作及取得的结论归纳如下：（1）设计了半主动座椅悬架的总体方案,利用刚体动力学等理论建立了悬架系统的理论模型,分别推导出了其固有频率、等效刚度、等效阻尼以及阻尼比的计算公式,分析了半主动座椅悬架振动特性的主要影响因素。研究结果表明,等效簧载质量、激励频率、空气弹簧刚度及磁流变减振器阻尼系数等因素对座椅悬架性能影响较大。（2）将带附加气室空气弹簧、电磁比例阀、磁流变减振器和剪式座椅相结合,设计制造了一种新型的半主动座椅悬架。确定了悬架系统的总体尺寸和工作行程,对空气弹簧、附加气室、磁流变减振器等主要元件进行了设计选型,校核了座椅悬架中的关键零件,完成了半主动座椅悬架样机的制造装配。（3）以研制的半主动座椅悬架样机为研究对象,构建了振动特性试验系统,试验研究了等效簧载质量、激励频率、比例阀调节电压及磁流变减振器输入电流等因素对座椅悬架系统位移传递率和加速度均方根值等动态性能的影响规律。试验结果表明,等效簧载质量的增加可以降低悬架系统位移传递率峰值和响应加速度极值；比例阀调节电压为2V时,系统的位移传递率最小,且比例阀调节电压的增大能够明显降低加速度均方根值；随着磁流变减振器输入电流的增加,悬架系统的位移传递率逐渐减小,加速度均方根值逐渐增大,当激振频率较大时,为了提高系统的稳定性和安全性,宜选取较大的磁流变减振器输入电流值。（4）基于“车身-座椅-人体”振动系统,建立了半主动座椅悬架振动特性数学模型,依据此模型在MATLAB7.0/Simulink环境下建立了座椅悬架平顺性仿真模型,通过在不同工况下仿真,比较分析了刚度、阻尼可调的半主动座椅悬架与传统被动座椅悬架的平顺性性能指标。仿真结果表明,半主动座椅悬架的响应加速度与被动悬架相比,平均衰减率达到了16.8%,有效地改善了非公路车辆行驶过程中驾驶员乘坐舒适性。本课题的研究,对促进非公路车辆驾驶员座椅悬架的研究,提高车辆乘坐舒适性,降低振动职业病害的发生几率具有重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 车辆座椅悬架类型
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 半主动悬架研究现状
• 1.2.2 半主动座椅悬架研究现状
• 1.3 研究目标和内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 半主动座椅悬架振动特性理论分析
• 2.1 悬架系统方案设计
• 2.2 振动特性理论分析
• 2.2.1 带附加气室空气弹簧等效刚度与等效阻尼
• 2.2.2 运动微分方程的建立
• 2.2.3 振动特性
• 2.2.3.1 固有频率和等效垂向刚度
• 2.2.3.2 阻尼比和等效阻尼系数
• 2.2.3.3 振动特性影响因素
• 2.3 本章小结
• 第三章 半主动座椅悬架设计制造
• 3.1 驾驶员座椅悬架设计要求
• 3.2 座椅悬架的结构设计
• 3.2.1 总体尺寸确定
• 3.2.2 悬架行程确定
• 3.2.3 主要元件的设计与选取
• 3.2.3.1 空气弹簧选择
• 3.2.3.2 附加气室设计
• 3.2.3.3 比例流量阀选择
• 3.2.3.4 磁流变减振器选择
• 3.2.4 零件强度校核
• 3.2.5 实体建模和虚拟装配
• 3.2.5.1 主要元件实体建模
• 3.2.5.2 虚拟装配与干涉检验
• 3.3 半主动座椅悬架制造
• 3.3.1 主要零件的加工制造
• 3.3.2 座椅悬架的总体装配
• 3.4 本章小结
• 第四章 半主动座椅悬架试验研究
• 4.1 试验设计
• 4.1.1 试验目的与试验方法
• 4.1.2 试验仪器及设备
• 4.1.3 试验系统构建
• 4.1.4 试验测试系统设计
• 4.1.5 试验方案设计
• 4.2 试验结果与分析
• 4.2.1 测试结果与处理
• 4.2.2 位移幅频特性
• 4.2.2.1 簧载质量影响分析
• 4.2.2.2 比例阀调节电压影响分析
• 4.2.2.3 磁流变减振器输入电流影响分析
• 4.2.3 加速度均方根值
• 4.2.3.1 簧载质量影响分析
• 4.2.3.2 比例阀调节电压影响分析
• 4.2.3.3 磁流变减振器输入电流影响分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 半主动座椅悬架仿真研究
• 5.1 振动特性数学模型的建立
• 5.1.1 “车身-座椅-人体”振动系统动力学建模
• 5.1.2 半主动座椅悬架振动特性数学建模
• 5.2 随机路面激励模型的建立
• 5.2.1 路面不平度的功率谱密度
• 5.2.2 时间频率功率谱密度
• 5.2.3 路面随机激励时域模型的建立
• 5.3 仿真模型的建立
• 5.4 仿真结果与分析
• 5.4.1 仿真试验方案
• 5.4.2 仿真参数确定
• 5.4.3 仿真结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 主要创新内容
• 6.3 展望与建议
• 参考文献
• 附录一 位移幅频特性试验结果
• 附录二 加速度均方根值试验结果
• 致谢
• 硕士研究生期间发表的论文