多自由度并聯(lián)式減振平臺的設(shè)計-全文預(yù)覽
【正文】 er 公式, 即??????6)1(dfgnMgi式中, d 為機構(gòu)階數(shù)。座椅三維減振平臺簡圖見圖 6。因此如果能夠設(shè)計出一種可以完成多維隔振的減振裝置，能夠減弱多個方向的振動，那么這個裝置一定具有十分重要的研究意義及應(yīng)用前景。 存在問題 多年來，人們曾采用特殊橡膠或塑料以期能達到多自由度減振的目的,但遺憾的是它們易老化,失去原來特性。綜上所述，被動座椅懸架的研究集中在參數(shù)優(yōu)化和非線性彈性設(shè)計方面，主要通過調(diào)節(jié)彈性參數(shù)設(shè)定頻率來實現(xiàn)有效隔振，懸架參數(shù)不能實時調(diào)節(jié)，因此減振效果相對差些。Kawana 等研究了基于電動伺服馬達和滾珠絲杠的主動座椅懸架系統(tǒng),該系統(tǒng)用于重型卡車,實驗結(jié)果表明座椅懸架上板加速度加權(quán)平均值降低接近 50% 。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。Choi 和 Wereley 對磁流變半主動座椅懸架在振動和沖擊載荷下的人體反應(yīng)進行了研究。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到 50%。隨著智能材料和電子控制技術(shù)的發(fā)展,半主動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展。另外一種實現(xiàn)非線性彈性的方法是通過懸架機構(gòu)設(shè)計來實現(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, 借助機構(gòu)運動關(guān)系實現(xiàn)非線性彈性特性。被動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。因此，提高座椅動態(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，同時盡量吸收振動能量。基于并聯(lián)機構(gòu)的運動特點，這種多維減振平臺具有結(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)機構(gòu)實現(xiàn)車載設(shè)備的多維振動控制。所以，深入研究駕駛員座椅懸架系統(tǒng)，采用切實可行的技術(shù)措施，隔離由于地面激勵而引起的通過車輛底盤和座椅傳遞到人體的振動，是提高車輛乘坐舒適性的一個重要而實際的課題。美國的 JohnDeere 司不僅在前軸上采用油氣懸架，還在駕駛室與后軸之間裝備了油氣懸置；意大利Carraro 公司、德國 Fendt 公司和柏林工業(yè)大學(xué)等單位相繼研制了半主動懸架系統(tǒng)；半主動控制的空氣彈簧也已被應(yīng)用到駕駛室懸置和座椅懸架中。采用發(fā)動機懸置對車輛乘坐舒適性的改善效果也不顯著。為了改善駕駛員的乘坐環(huán)境，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織自 1974 年制訂了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631《人體承受全身振動的評價指南》后，又相繼制訂了一系列針對機械的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對駕駛員所承受振動的測量方法和評價體系做出了具體的規(guī)定。汽車在作業(yè)和行駛過程中產(chǎn)生強烈的振動，致使駕駛員長時間承受低頻(2～8Hz) 高強度的乘坐振動，從而引發(fā)脊椎畸變、胃病等職業(yè)性疾病，嚴(yán)重地?fù)p害駕駛員的身心健康，降低工作效率。但綜合考慮其它因素，這種方法在實際中并不可?。阂驗檩喬鈮旱慕档蜁龃筝喬サ淖冃危瑢?dǎo)致輪胎滾動阻力增加，在輪胎內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，從而降低輪胎的使用壽命。國內(nèi)外在這方面的嘗試一直沒有停止過，并已有部分研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實際。比較而言，4采用座椅懸架提高車輛的乘坐舒適性是最為簡單直接和經(jīng)濟的方法。還有一種救護車用三維防振架，采用機械多層單自由度減振裝置，分層各自實現(xiàn)獨立方向的減振，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜由于并聯(lián)機構(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)機構(gòu)平臺受到多維振動激勵，在并聯(lián)機構(gòu)運動輸入的原動件處裝配可控的彈性阻尼減振系統(tǒng)，整個機構(gòu)即可實現(xiàn)多方向的多自由度減振效果。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的最敏感區(qū)域，此時身體各部分容易產(chǎn)生共振。 被動座椅懸架被動座椅懸架如圖 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)驗或優(yōu)化設(shè)計的方法確定，參數(shù)確定后不隨外部狀態(tài)而變化。具有代表性的非線性彈性特性實現(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。早在 1973 年, 美國的 Crosby 和 Karnopp 首先提出半主動懸架的概念。基于磁流變的半主動懸架逐漸成為座椅隔振研究的熱點。實驗測試表明該系統(tǒng)可以有效降低 40% 的振動和 49% 的沖擊。圖 3 半主動型座椅懸架圖 4 M otionM aster 系統(tǒng)及其部件8 主動座椅懸架主動座椅懸架可以采取兩種形式，一種是在被動懸架中附加一個產(chǎn)生可控制作用力的裝置,參見圖 5，該裝置的執(zhí)行機構(gòu)一般是液壓缸或電動滾珠絲杠等力發(fā)生器，其可根據(jù)路面狀況，借助控制算法實時調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，使其處于最佳減振狀態(tài)。Johnson 則建立了一種用于減小駕駛員背部損傷的電液式主動式駕駛員座椅懸架系統(tǒng)。總體來看，主動懸架屬于力控制，需要直接提供控制力的能源, 耗能大、結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)較復(fù)雜, 成本較高，這些缺點限制了其在座椅上的應(yīng)用。目前來看半主動座椅懸架具有更好應(yīng)用前景， 但是其缺點是只采用單一變阻尼方法，采用剛度和阻尼聯(lián)合調(diào)節(jié)有可能會較大改善隔振效果。 長期以來由于普通車輛座椅的減振裝置設(shè)計比較簡單，主要以簡單X 結(jié)構(gòu)為主，其僅能完成豎直方向的減振，而對其他方向的振動則是束手無策。考慮機構(gòu)設(shè)計的對稱性, 3 個支鏈對稱布置,且結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。 圖 6 座椅三維減振平臺簡圖 三維座椅減振平臺的運動學(xué)分析多自由度并聯(lián)機構(gòu)屬于空間多環(huán)機構(gòu)，因此，建立并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)方程就是一個復(fù)雜而困難的工作。 g 為運動副11數(shù)。 機構(gòu)的 Jacobian 矩陣分析Jacobian 矩陣是機器人學(xué)中的一個重要概念,它反映了機器人操作空間和關(guān)節(jié)空間之間的映射關(guān)系。由于該并聯(lián)機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)三維平動,故動平臺相對靜平臺的姿態(tài)是固定的,所以該并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可達工作空間和靈活工作空間是重合的。(2) 轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)角的約束。因此有必要對并聯(lián)機構(gòu)的奇異位形做更深入的研究，以減少和消除奇異位形的影響，進一步提高并聯(lián)機構(gòu)的性能，促進并聯(lián)機構(gòu)的實用化和產(chǎn)品化的發(fā)展。有學(xué)者在研究了一般并聯(lián)機構(gòu)的奇異位形問題后,根據(jù) Jacobian 矩陣行列式方程的不同形式,提出了三種類型的奇異位形,即邊界奇異、構(gòu)形奇異和位形
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