非路面车辆驾驶员座椅六足并联悬架系统动态特性研究

论文摘要

研究表明,在非路面车辆行驶和作业过程中,驾驶员长期承受低频高强度的乘坐振动,其腰椎、脊柱、胸腔和内脏都会造成伤害,严重损害驾驶员的身心健康,降低工作效率。本课题为改善非路面车辆驾驶员的乘坐环境,提出了一种新型的座椅悬架系统——六足并联悬架系统。建立了人椅悬架系统自由振动模型,优选了适合六足并联悬架的结构形式并对其进行了参数优化设计,研制了六足并联悬架减振座椅,并进行了装车试验,研究其振动特性。具体内容包括：（1）借助机构拓扑结构学理论,综合出可以作为六足并联悬架的拓扑结构类型。根据基于单开链单元的6自由度并联机构结构组成原理,对六足并联悬架结构类型进行了综合研究。构造了合适的单开链和混合单开链作为六足并联悬架的减振支路,用排列组合的方法,综合出了适合六足并联悬架的18种结构类型及扩展类型。（2）建立了驾驶员——座椅悬架系统的一般力学模型,推导了人椅悬架系统的运动微分方程。其中,为获取驾驶员的惯性参数,将处于舒适坐姿时的人体划分为若干部分,根据GB-T 17245-2004——《成年人人体惯性参数》和GB/T14779-93——《坐姿人体模板功能设计要求》提供的人体质量参数和尺寸参数计算得到。（3）根据驾驶员座椅悬架的性能要求,对综合出的六足并联悬架拓扑结构类型进行了结构、固有频率与耦合度、6方向减振效果计算机仿真3方面的比较和分析,最终优选了适合六足并联悬架的Stewart双三角型结构类型；（4）根据人体的敏感频率范围和整车的6个固有频率,对优选的Stewart双三角型六足并联悬架进行了参数优化设计,包括几何尺寸参数、弹性元件的刚度系数和阻尼元件的阻尼系数,使六足并联悬架的6个固有频率既避开了整车的固有频率,又远离人体各方向的敏感频率范围。（5）研制了基于六足并联悬架系统的驾驶员座椅,并进行了装车试验,测量坐垫（Z向）、靠背（X向）和驾驶室地板（X、Y、Z三个方向）的加速度,研究六足并联悬架系统在不同车速、不同载荷下的动态特性,并与普通RS-S型座椅进行对比分析。试验研究结果表明,所研制的六足并联悬架减振座椅在6个方向均具有隔振效果。与普通RS-S型驾驶员座椅相比,在低速时（2.5<v<4km/h），六足并联悬架减振座椅坐垫（和靠背）的加权加速度均方根值大于普通座椅坐垫（和靠背）的加权加速度均方根值,即隔振效果不如普通座椅。而当车速v>4km/h时,六足并联悬架减振座椅坐垫（和靠背）的加权加速度均方根值小于普通座椅,且随着速度的增大,相对于普通座椅的加权加速度均方根值降幅更加显著。本课题的研究,对促进非路面车辆驾驶员座椅悬架的科学研究,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 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 "人体—座椅"系统模型的建立
• 1.2.2 被动座椅悬架系统的研究
• 1.2.3 主动和半主动座椅悬架系统的研究
• 1.3 研究目标和内容
• 第二章 六足并联悬架拓扑结构综合
• 2.1 六足并联悬架结构
• 2.2 拓扑结构学理论基础
• 2.2.1 并联机构结构组成
• 2.2.2 并联机构运动输出特征矩阵与特征方程
• 2.2.3 多回路机构耦合度计算
• 2.3 六足并联悬架拓扑结构综合
• 2.3.1 六足并联悬架拓扑结构综合过程
• 2.3.2 模拟验证
• 第三章 人椅悬架系统振动模型的建立
• 3.1 人椅悬架系统力学模型的建立
• 3.1.1 人体、坐垫和靠背模型
• 3.1.2 人椅悬架系统力学模型
• 3.2 人椅悬架系统数学模型的建立
• 3.2.1 簧载质量和支承点的运动分析
• 3.2.2 惯性矩阵M的推导
• 3.2.3 刚度矩阵K的推导
• 3.2.4 阻尼矩阵C的推导
• 3.2.5 人椅悬架系统运动微分方程
• 第四章 驾驶员座椅六足并联悬架结构选型
• 4.1 驾驶员座椅六足并联悬架的性能要求
• 4.2 六足并联悬架结构的比较与优选
• 4.2.1 结构与运动耦合度分析与优选
• 4.2.2 固有频率及振动耦合度分析与优选
• 4.2.3 6方向减振效果计算机仿真与优选
• 4.3 本章小结
• 第五章 驾驶员座椅六足并联悬架参数优化设计
• 5.1 概述
• 5.2 六足并联悬架系统频率配置
• 5.2.1 激振力频率分析
• 5.2.2 整车的固有频率
• 5.2.3 人体的敏感频率
• 5.2.4 人椅悬架系统的固有频率配置
• 5.3 六足并联悬架系统参数优化设计
• 5.3.1 Matlab优化函数fgoalattain介绍
• 5.3.2 人椅悬架系统的固有频率优化
• 5.3.3 六足并联悬架系统阻尼系数优化
• 第六章 驾驶员座椅六足并联悬架的试验研究
• 6.1 六足并联悬架系统的设计制造
• 6.1.1 弹性——阻尼元件
• 6.1.2 水平面辅助弹性装置
• 6.1.3 复合球铰链
• 6.1.4 六足并联悬架减振座椅
• 6.2 六足并联悬架系统试验研究
• 6.2.1 试验系统
• 6.2.2 试验方案
• 6.3 试验结果与分析
• 6.3.1 六足并联悬架减振座椅试验结果
• 6.3.2 同普通座椅比较
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录一 人椅悬架系统固有特性参数的MATLAB计算程序（stewart双三角型）
• 致谢
• 硕士研究生期间发表的论文