建模和分析的静态和动态特性的非线性座椅悬架的越野车

文摘

低频振动(0.5 - 5赫兹)危害司机发生在越野车。因此,研究人员专注于寻找方法来有效地隔离或控制低频振动。越野车的一种新颖的非线性座椅悬架结构设计,静态特性和seat-human系统动态响应的建模和分析,并进行实验来验证理论的解决方案。结果表明,这种非线性座椅悬架的刚度可以通过和谐的参数,实现真正的零刚度和预加压力的主要弹簧可以改变非线性座椅悬架性能当司机的体重变化。位移传递率曲线对应的静态特性曲线非线性悬架,中间部分的静态特性曲线是温和的共振频率位移传递率曲线和隔离的最低频率较低。阻尼应与静态特征,相应的悬架阻尼值应该是小给定一个平静态特性曲线,以防止隔振性能降低。

1。介绍

越野车已经在最近几年得到了广泛的应用。这样的车辆通常是驱动和砾石或粗糙表面,导致严重的振动。这些振动通常在低频率,包括下面5赫兹。振动在低励磁频率(0.5 - 5赫兹)是主要的风险因素为腰痛或背痛,严重影响身心健康,减少了司机和乘客的工作效率1- - - - - -5]。因此,这种振动需要隔离,但线性隔离理论时是不适用的,因为这个理论只是有用激励之间的比例和隔离系统的固有频率比。因此,孤立系统应该有一个较低的固有频率,如果激励频率很低。固有频率公式,身体质量的司机是恒定的,而刚度应该是小的。一个小系统固有频率可以获得,但是系统的静态变形很大(6- - - - - -8]。

研究人员介绍了几种方法,如活跃,半活性,和非线性座椅悬挂,从越野车隔离低频振动。Maciejewski主动振动控制策略的基础上,研究了反向动力学的力致动器和一个主控制器。主控制器设置通过多准则优化计算,随后定义vibroisolation主动制导悬架系统的特点(9]。太阳等人调查的问题控制主动座椅悬架系统通过动态输出反馈控制(10]。斯坦等人研究了机车司机的座位垂直悬挂系统使用一个可调阻尼器(11]。蔡等人研究了半活性座椅悬架使用电流变流体阻尼器(12]。Bouazara等人研究了3 d车辆的安全性和舒适性模型最优非线性主动座椅悬架,发现悬挂座椅的舒适性能与半活性和主动阻尼器可以大大提高20 - 30% (13]。

主动和半活性座位悬浮液具有复杂的结构和需要外面的能量。相比之下,非线性座椅悬挂不需要外部能源和简单的结构。勒和安设计和制造隔振模型来提高隔振效果的席位在低励磁频率(14]。李和Goverdovskiy研究非线性座椅悬架研究机制和综合型四function-generating座位悬浮液机制(15]。公园发明了一种隔振系统与一个独特的低振动频率(16]。Jutte和哥打一个全面的描述方法作为兼容元素开发规定非线性刚度;一个非线性弹簧可用于座位悬浮液(17]。

非线性座椅悬架技术源于非线性隔离器技术。Carrella等人研究了一个简单的系统,它由一个垂直的弹簧作用与两个斜弹簧和获得被动隔振器的静态特征与quasi-zero-stiffness特征(18]。安了一个被动的垂直隔离器的性能限制使用负刚度机制,提出了隔离器的设计准则基础上的性能限制隔离器(19]。Kovacic等人研究了隔振器,由一个垂直的线性弹簧和两个非线性预应力斜弹簧,表现出几何和物理非线性(20.]。Carrella等人研究了一个非线性的力和位移传递率与high-static-low-dynamic刚度(隔离器21]。

一些研究人员也研究了隔振系统,包括非线性隔离器和一个主动控制系统。Danh和安研究和提出了一个活跃的气动隔振系统为汽车座椅使用负刚度结构在低励磁频率(22]。

许多机制在现有研究可以用于座位非线性悬架;机制与垂直和两个水平弹簧或不稳定的壳被广泛研究。此外,悬浮通常在特征调查分析,人体是简化为一个单一的质量。实际上一个司机和座椅悬架具有强耦合,和人类的驾驶特点应参与座椅悬架的发展。然而,seat-human系统综合动态模型没有得到足够的重视。

越野车的一种新颖的非线性座椅悬架结构设计在这项研究中,扩大座位非线性悬架形式,探索最佳的性能;这种结构简单,可以实现理想zero-stiffness隔离性能。静态特征建模和实验。经典four-degree-of-freedom(4自由度)人类模型是加上一个座位模型具有非线性悬架,最后seat-human系统动态特性研究。试验结果表明,这种非线性座椅悬架的刚度使用相配的参数,可以实现真正的零刚度和precompressing主要弹簧可以改变非线性座椅悬架性能当司机的体重变化。

2。静态特性建模和实验验证

2.1。系统描述

本文提出了一种新颖的非线性座椅悬架,使用CATIA软件创建的3 d模型图所示1。这个座位悬挂包括一个滑移框架,主要的春天,一个负刚度机制和阻尼器。负刚度机构包括一个弯曲的边缘组件,一个管,一副轴,一对轴承件,一双位置,两个水平弹簧管的两端。

当一个司机与非线性悬架,坐在一个座位上框架与弯曲的边缘组件下降,轴承辊弯曲边缘组件和水平弹簧被压缩。系统最后变得平衡,轴承接触的高点弯曲边缘组件。当越野、振动传播driver-seat-suspension框架。弯曲的边缘与中心组件提升和下降的平衡点,和振动可以被孤立。

2.2。造型

上述非线性座椅悬架可以抽象成一个力学模型,如图2(一个)和2 (b)。在这里,主要弹簧的刚度1;水平的等效刚度弹簧4;第二帧的顶架滑移悬挂;辊3是轴承;结构5是弯曲的边缘组件;和力量是司机的重力。当力从零增加到司机的重力,第二帧下降和辊3 5卷弧形边缘的组件。整个系统的静态力学特性类似于图在图2 (c)在中间,刚度最小;特征也可以称为强静电刚度和低动态刚度。主要的预加压力弹簧1被认为是,而水平弹簧的预加压力;5是弯曲圆角半径的组件;和滚子半径的3。主要的预加压力弹簧1被认为是,而水平弹簧的预加压力,如图2 (b)。

上述参数应满足的基本几何约束实现悬架:

当系统在图所示2 (b)辊的中心的坐标3可以根据几何关系,如下面所示:

摩擦是忽视,考虑每一刻在静力平衡状态时第二帧减慢。

外部的力量,作用于完全转化为弹性势能呢主要的和水平弹簧。

主要考虑到弹簧1和水平弹簧预加压力的经验,以下适用于当辊3的中心的坐标:

辊3卷边缘的弧形边缘组件5;因此,辊的中心的坐标3满足以下方程:

通过区分(3)对坐标,力表示为 在哪里

通过区分(5)对坐标、刚度表示为 在哪里

以下是通过用(4),(6)和(8)(7):

无量纲参数方便地定义如下:

随后,

根据(14),有最小值当:

让,然后以下适用于获取机制与zero-stiffness点:

当,,,满足(16),该机制显然展品zero-stiffness点。

2.3。静态特性实验验证

非线性座椅悬架的物理原型是基于上述理论制作的,如图3。整个悬架如图3(一个);负刚度放大机制如图3 (b);滚,小轴,导块装配如图3 (c)。

座椅悬架的测试系统静态特性,如图4。图还显示了一个非线性座椅悬架放在一个平台上。电动缸是固定在一个框架和加载的顶架座椅悬架。加载速度是20 N / s。一个力传感器安装在电动缸的加载端产生的力值。位移传感器安装在电动缸。然后获得静态力-位移特性,如图5。

测量和理论曲线装配,如图5,这表明,加载曲线低于卸载曲线,和两个测量曲线接近中间的理论曲线段。然而,一个大散度是观察到的曲线,因为最初的物理样机的装配位置不同于理论,虽然中间段也可以验证理论和实验。

3所示。动态特性建模

3.1。Seat-Human系统建模

一个座位和人类构成一个系统,在一个座位的动态特性与人体;许多坐在人体机械模型已经被开发出来,包括集中质量,多体和有限元模型(23- - - - - -27]。Rakheja等人研究了driver-seat-suspension系统分析和实验方法。垂直座椅悬架系统的特点是将非线性广义两个自由度的模型由于减震器阻尼,连杆摩擦,撞击停止。人体模型不同的复杂性,来自机械阻抗的日期,和综合讨论了非线性座椅悬架模型,推导耦合driver-seat-suspension模型(28]。梁和蒋介石研究了集总参数模型在人类被试坐在没有靠背的支持下垂直振动激励。在梁和蒋介石的研究中,所有的模型分析系统,并验证了合成各种实验数据从发表的文献。根据分析研究和实验验证,4自由度模型由广域网和舒密尔[30.)最适合现有的测试结果和建议研究生物动力响应垂直下坐着的人体全身振动的29日]。

4自由度模型(30.是加上一个非线性悬架座椅,然后创建一个非线性seat-human系统动态模型在这个研究中,如图6。seat-human系统模型具有五个自由度:,,,,;平衡位置的坐标系统的起源;和车辆地板振动位移输入。在图6,座垫和背部的质量;是下半身的质量;腹部内脏的质量;上半身的质量;头部和颈部的质量;座椅悬架的阻尼;和刚度和阻尼的泡沫垫,分别;和腹部内脏之间的刚度和阻尼,下半身分别;和是上下躯干之间的刚度和阻尼,分别;和腹部内脏之间的刚度和阻尼,上半身,分别;和和是上半身和头部和颈部。

静态特性的非线性座椅悬架,这是源自于静态特性模型。在(5),的原始点坐标系统平衡位置改变,然后(17)可以获得。考虑

根据牛顿第二定律,five-degree-of-freedom seat-human创建动态模型如下:

3.2。通过ADAMS软件创建Seat-Human系统动态模型

创建一个具有相同参数的多体动力学模型利用ADAMS软件验证上述seat-human系统动态模型,如图7。人体模型由四个质量和弹簧阻尼器,如图7(一)。非线性悬架模型如图7 (b),行了行了约束创建辊和弯曲的边缘板。创建一个弹簧阻尼器之间的人体模型和非线性悬架的刚度和阻尼来模拟泡沫垫。

3.3。模型验证

数学模型解决了使用MATLAB的数值软件,通过位移与时间和速度与时间的曲线。模型参数如表所示1。

激励是,在那里是车辆地板的振动频率。计算时间是20年代和人工髋关节置换与时间曲线中提取。车辆地板振动时的响应曲线1 Hz如图8(一个);车辆的振动频率时的响应曲线地板4赫兹如图8 (b)。

创建一个具有相同参数的动态模型使用ADAMS软件和人工髋关节置换反应如图9。计算时间是20年代和人工髋关节置换与时间曲线中提取。响应曲线,当车辆地板的振动频率是1 Hz如图9(一个),而图9 (b)显示了响应曲线,当车辆地板的振动频率是4赫兹。

通过比较数据8和9显然,人类的臀部位移响应曲线一致,验证模型建立的准确性。

验证了该模型的静态特性实验,而seat-man ADAMS软件动态模型进行了验证。验证了非线性悬架的动力学与体重栈,不是人类,在实验中,如图10。

4所示。结果和讨论

4.1。静态特征

根据(13),(14),(15),(16),(18一个),(18 b),(18 c),(18 d)和(18 e)的影响,,,在和曲线进行了研究。四个案例研究。其他参数保持不变,当一个参数改变。的基本价值观,,,如表所示2。

以下4.4.1。是改变,而其他参数保持不变

的影响特性曲线如图11。的影响在和曲线如图(11日)和11 (b),分别。的增量,曲线下降,低刚度增加张成的空间。两条曲线变平。

4.1.2。是改变,而其他参数是固定的吗

的影响特性曲线如图11。的影响在和曲线数据所示11 (c)和11 (d),分别。的增量,曲线下降和低刚度降低。然后两条曲线变平。

4.1.3。是改变,而其他参数是固定的吗

的影响特性曲线如图11。的影响在和曲线如图11 (e)和11 (f),分别。作为增加,曲线上升,两端弯曲的正刚度值降低,逐步成为负值。当提供一个适当的值,是吗从水平轴平行,曲线变化从平行于水平轴曲线变化,成为零值(由水平虚线图11 (f))。

4.1.4。是改变,而其他参数是固定的吗

的影响特性曲线如图11 (g)。图中显示的影响在曲线。作为增加,曲线提升并行,但是不会影响曲线。

基于数据的检查11 (e)和11 (f),(16),当和;机制的zero-stiffness特点。

此外,非线性座椅悬架性能最好,当司机的重量是肯定的。性能恶化作为司机的体重变化。基于图的分析11 (g)和(15),成正比;所示(16),不影响。可以改变当司机的体重变化的悬架总是在最好的隔离状态。

4.2。动态特性

4.2.1。准备静态刚度的影响特征的非线性悬架位移传递率

只有改变了1700、22000和27000 N / m基于seat-human动态模型与参数表1,三个静态力-位移特性曲线如图12(一个)。人工髋关节位移传递率曲线对应的力-位移特性曲线如图所示12 (b)曲线的中间区域是温和的,刚度降低,相对应的共振频率峰值位移传递率曲线较低,和共振峰值较小。三个位移传递率曲线几乎重合,当激励频率超过6赫兹。

4.2.2。非线性悬架阻尼对位移传递率的影响

改变了100、1000和2000 Ns / m -位移特性曲线时,展品特点1;位移传递率如图(13日)。工作区域的刚度特性曲线是低;遗传性的共振区域大于1给定的最小阻尼;共振区域的传播能力降低或整个传递率曲线变得小于1时,阻尼增加;的遗传性nonresonant地区迅速上升随着阻尼的增加。

改变了100、1000和2000 Ns / m -位移特性曲线时,展品特点1;位移传递率如图13 (b)。改变了100、1000和2000 Ns / m -位移特性曲线时,展品特点3;位移传递率如图13 (c)。刚度的工作区域2和3特性曲线的特点是大,和位移传递率曲线变化根据同一法律当阻尼变化;共振区域的位移传递率迅速下降随着阻尼增加,而nonresonance区域位移传递率的增加。

显然,应该降低阻尼匹配非线性悬架刚度较低获得一个很好的隔离效果。工作区域的非线性悬架的刚度减少,如果不改变阻尼和性能降低。

5。结论

一个新的非线性座椅悬架结构设计。静态和动态特性进行了研究。静态实验验证了理论分析结果,发现摩擦造成差异的主要因素之间的理论和测量曲线。

静态特征的数学模型建立,对静态特性的关键参数的影响进行了研究。当参数匹配,整个悬挂系统可以实现真正的零刚度和非线性座椅悬架的性能可以通过司机的体重改变通过改变预加压力的主要春天。

4自由度坐在人类模型加上非线性悬架,然后创建两个seat-human系统动态模型和相互验证。位移传递率特征进行研究。位移传递率曲线和静态非线性悬架特性曲线,在工作区域的静态特性曲线是温和的,和共振频率的位移传递率曲线和隔离的最低频率较低。阻尼应该对应于静态特征;给定一个奉承静态特性曲线,相应的悬架阻尼值应该是小,以避免降低隔振性能。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突存在关于这篇文章的发表。

确认

这部分工作是由中国国家自然科学基金(51105169,51105169),吉林省科技发展计划项目(20140204010 gx)。

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