多自由度并聯(lián)式減振平臺(tái)的設(shè)計(jì)-文庫吧
2025-01-01 15:03 本頁面
【正文】 實(shí)際的課題。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀車輛在行駛過程中由于路面不平引起上下顛簸，在制動(dòng)時(shí)引起車體前后振動(dòng), 在汽車拐彎轉(zhuǎn)向時(shí)引起車體左右振動(dòng)，這些振動(dòng)綜合起來可視為三維 x 、y、z 方向的振動(dòng)。目前有關(guān)座椅的多維減振的方法還不多見，徐曉美等研究了一種剪式座椅的振動(dòng)特性，姚為民等研究了空氣懸掛式座椅的減振特性，劉會(huì)英等研究了人體座椅系統(tǒng)的主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)模型，但上述研究均只考慮了垂直方向車輛振動(dòng)的影響。還有一種救護(hù)車用三維防振架，采用機(jī)械多層單自由度減振裝置，分層各自實(shí)現(xiàn)獨(dú)立方向的減振，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種多輸入和多輸出的多自由度系統(tǒng)，假設(shè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)受到多維振動(dòng)激勵(lì)，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸入的原動(dòng)件處裝配可控的彈性阻尼減振系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)多方向的多自由度減振效果?；诓⒙?lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，這種多維減振平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、控制精度高、能夠滿足多種多維減振場合的需求，如陳修祥等就提出采用多自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備的多維振動(dòng)控制。近年來基于 Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 6 自由度振動(dòng)控制研究比較活躍，但針對少自由度的多維減振研究較少，對于車載座椅等少于六維的空間耦合振動(dòng)，若采用上述裝置則顯得裝置復(fù)雜、成本高，且會(huì)導(dǎo)致多余的非期望振動(dòng)出現(xiàn)，為此，必須研究按實(shí)際所需減振維數(shù)的多維減振裝置。車輛座椅的動(dòng)態(tài)舒適性與座椅及人體的振動(dòng)特性密切相關(guān)。研究表明: 座椅的共振頻率一般在 2 ~ 4 H z 左右，人體的振動(dòng)響應(yīng)分布在低頻 30 Hz 以下，4~ 8 Hz 是人體對垂直方向振動(dòng)的最敏感區(qū)域，此時(shí)身體各部分容易產(chǎn)生共振。因此，提高座椅動(dòng)態(tài)舒適性的原則就是合理地選擇( 或控制) 彈性和阻尼參數(shù)，避開人體最敏感頻段，同時(shí)盡量吸收振動(dòng)能量。無論是被動(dòng)、主動(dòng)、半主動(dòng)型座椅懸架都是按照上述原則設(shè)計(jì)和控制。本文按照被動(dòng)型、半主動(dòng)型、主動(dòng)型 3 種座椅懸架的分類詳細(xì)地介紹座椅5懸架的研究進(jìn)展。 被動(dòng)座椅懸架被動(dòng)座椅懸架如圖 1 所示，其內(nèi)部無能源供給裝置，其彈性和阻尼系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定，參數(shù)確定后不隨外部狀態(tài)而變化。被動(dòng)座椅懸架的研究集中在懸架參數(shù)的測定、分析、優(yōu)化等方面，并且以懸架彈性特性研究為主。已有研究包括對拖拉機(jī)、工程機(jī)械、貨車等車輛的被動(dòng)座椅懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析、測試和評價(jià)，把懸架剛度設(shè)計(jì)成非線性彈性特性以彌補(bǔ)線性特性的缺陷， 增加適應(yīng)能力。例如高愛云等對非線性座椅懸架的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，他們以傳給人體的加速度均方根值最小為優(yōu)化目標(biāo)，用 9 次奇次多項(xiàng)式表示非線性彈性特性力，采用隨機(jī)方向法進(jìn)行優(yōu)化得到了最優(yōu)的多項(xiàng)式系數(shù)，采用優(yōu)化后的動(dòng)態(tài)參數(shù)制成的新座椅經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試隔振能力提高 40% 左右。具有代表性的非線性彈性特性實(shí)現(xiàn)方法有：采用變螺距、變直徑、變螺旋角螺旋彈簧，采用組合彈簧及磁力彈簧等。另外一種實(shí)現(xiàn)非線性彈性的方法是通過懸架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn), 德國 Grammer 公司 (其座椅懸架參見圖 2)、英國Bostrum 公司、我國河南科技大學(xué)等研究了用水平線性拉簧和凸輪、擠壓滾輪、曲面板配合, 借助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)非線性彈性特性。圖 1 被動(dòng)座椅懸架6總體來說，被動(dòng)座椅懸架通過設(shè)計(jì)成非線性彈性特性等方法，隔振效果有較大改進(jìn)，且對工況適應(yīng)能力有所提高，但剛度和阻尼不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其隔振效果還達(dá)不到最佳，因此座椅懸架研究逐漸轉(zhuǎn)向剛度和阻尼實(shí)時(shí)可調(diào)的半主動(dòng)、主動(dòng)座椅懸架。 半主動(dòng)座椅懸架半主動(dòng)懸架由可控的阻尼元件(減振器)和彈簧組成，參見圖 3，其無動(dòng)力源且通常只能調(diào)節(jié)阻尼力。早在 1973 年, 美國的 Crosby 和 Karnopp 首先提出半主動(dòng)懸架的概念。隨著智能材料和電子控制技術(shù)的發(fā)展,半主動(dòng)座椅懸架及其控制技術(shù)的研究逐漸興起并取得了較大進(jìn)展。 和 等研究了基于電流變液( ER )阻尼器半主動(dòng)座椅懸架,建立了阻尼器的賓漢姆模型并采用滑?？刂品椒ǎ谡嚹Ｐ偷姆抡姹砻髟撟螒壹芫哂休^好的減振效果，但是電流變需要高壓電源( 2~ 5 kV )，因此實(shí)際應(yīng)用比較困難。磁流變液具有良好的可控性能和力學(xué)性能，和電流變液相比，其屈服強(qiáng)度高( 50 ~ 100 kPa)、驅(qū)動(dòng)電壓低( 2~ 25 V )，因而具有極高的應(yīng)用價(jià)值?；诖帕髯兊陌胫鲃?dòng)懸架逐漸成為座椅隔振研究的熱點(diǎn)。圖 2 凸輪控制的非線性彈性座椅懸架7Carlson 等研究用于貨車座椅的可控磁流變液減振器，使座椅振幅降低程度最大達(dá)到 50%。2022 年 Lord 公司研究開發(fā)了磁流變液阻尼器及基于該阻尼器的汽車磁流變半主動(dòng)座椅懸架 MotionMaster。該系統(tǒng)由磁流變阻尼器和集成位移傳感器的控制器組成, 如圖 4 所示。實(shí)驗(yàn)測試表明該系統(tǒng)可以有效降低 40% 的振動(dòng)和 49% 的沖擊。Choi 和 Wereley 對磁流變半主動(dòng)座椅懸架在振動(dòng)和沖擊載荷下的人體反應(yīng)進(jìn)行了研究。Song 和 Ahmadian 等對磁流變座椅采用了非線性自適應(yīng)控制算法, 并對其參數(shù)選取進(jìn)行了仿真分析。以上研究表明, 基于磁流變技術(shù)的半主動(dòng)懸架能夠?qū)ψ巫枘崃?shí)施控制, 不僅能量消耗較低，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高，具有較好應(yīng)用前景。圖 3 半主動(dòng)型座椅懸架圖 4 M otionM aster 系統(tǒng)及其部件8 主動(dòng)座椅懸架主動(dòng)座椅懸架可以采取兩種形式，一種是在被動(dòng)懸架中附加一個(gè)產(chǎn)生可控制作用力的裝置,參見圖 5，該裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是液壓缸或電動(dòng)滾珠絲杠等力發(fā)生器，其可根據(jù)路面狀況，借助控制算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，使其處于最佳減振狀態(tài)。另一種形式不用彈簧和固定阻尼,只采用可控力發(fā)生器連接。圖 5 主動(dòng)型座椅懸架Stein 等對電液式主動(dòng)駕駛員座椅懸架進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。McCormac 等人基于電液作動(dòng)器搭建了雙軸式主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)。Johnson 則建立了一種用于減小駕駛員背部損傷的電液式主動(dòng)式駕駛員座椅懸架系統(tǒng)。Kawana 等研究了基于電動(dòng)伺服馬達(dá)和滾珠絲杠的主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng),該系統(tǒng)用于重型卡車,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明座椅懸架上板加速度加權(quán)平均值降低接近 50% 。Guclua 和 Gulezb 則采用永磁同步馬達(dá)構(gòu)建了主動(dòng)座椅懸架。劉會(huì)英等建立了包括主動(dòng)作動(dòng)器的人體座椅六自由度模型并給出了前饋型自適應(yīng)控制策略,曹君等探討了座椅主動(dòng)懸架的魯棒控制方法，張紅新等提出了用于主動(dòng)座椅的電致作動(dòng)
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