多自由度并聯(lián)式減振平臺(tái)的設(shè)計(jì)-全文預(yù)覽
【正文】 er 公式, 即??????6)1(dfgnMgi式中, d 為機(jī)構(gòu)階數(shù)。座椅三維減振平臺(tái)簡圖見圖 6。因此如果能夠設(shè)計(jì)出一種可以完成多維隔振的減振裝置，能夠減弱多個(gè)方向的振動(dòng)，那么這個(gè)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?cè)捎锰厥庀鹉z或塑料以期能達(dá)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(dòng)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(jì)方面，主要通過調(diào)節(jié)彈性參數(shù)設(shè)定頻率來實(shí)現(xiàn)有效隔振，懸架參數(shù)不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，因此減振效果相對(duì)差些。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% 。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(duì)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。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%。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。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。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。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。基于并聯(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。所以，深入研究駕駛員座椅懸架系統(tǒng)，采用切實(shí)可行的技術(shù)措施，隔離由于地面激勵(lì)而引起的通過車輛底盤和座椅傳遞到人體的振動(dòng)，是提高車輛乘坐舒適性的一個(gè)重要而實(shí)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(dòng)懸架系統(tǒng)；半主動(dòng)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(dòng)機(jī)懸置對(duì)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(dòng)的評(píng)價(jià)指南》后，又相繼制訂了一系列針對(duì)機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)駕駛員所承受振動(dòng)的測量方法和評(píng)價(jià)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(qiáng)烈的振動(dòng)，致使駕駛員長時(shí)間承受低頻(2～8Hz) 高強(qiáng)度的乘坐振動(dòng)，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(shí)際中并不可取：因?yàn)檩喬鈮旱慕档蜁?huì)增大輪胎的變形，導(dǎo)致輪胎滾動(dòng)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(shí)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(jì)的方法。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。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(duì)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。 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。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。早在 1973 年, 美國的 Crosby 和 Karnopp 首先提出半主動(dòng)懸架的概念。基于磁流變的半主動(dòng)懸架逐漸成為座椅隔振研究的熱點(diǎn)。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。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)。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)?？傮w來看，主動(dòng)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(diǎn)限制了其在座椅上的應(yīng)用。目前來看半主動(dòng)座椅懸架具有更好應(yīng)用前景， 但是其缺點(diǎn)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(huì)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(jì)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(duì)其他方向的振動(dòng)則是束手無策?？紤]機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)稱性, 3 個(gè)支鏈對(duì)稱布置,且結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。 圖 6 座椅三維減振平臺(tái)簡圖 三維座椅減振平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)屬于空間多環(huán)機(jī)構(gòu)，因此，建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程就是一個(gè)復(fù)雜而困難的工作。 g 為運(yùn)動(dòng)副11數(shù)。 機(jī)構(gòu)的 Jacobian 矩陣分析Jacobian 矩陣是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要概念,它反映了機(jī)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(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)三維平動(dòng),故動(dòng)平臺(tái)相對(duì)靜平臺(tái)的姿態(tài)是固定的,所以該并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可達(dá)工作空間和靈活工作空間是重合的。(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角的約束。因此有必要對(duì)并聯(lián)機(jī)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(jìn)一步提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能，促進(jìn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的實(shí)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(jī)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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