基于并联机构的多维减振座椅的分析与试验

摘要

随着经济和社会的持续发展，人们在生活和生产中迫切需要各种安全舒适的公交巴士、轨道交通、大型客运巴士和工程机械等车辆，因此，安全舒适的车辆座椅将成为车辆制造商们的研究重点之一。目前，一些常见的车辆座椅主要是基于“X”形结构设计制造的，利用在结构上布置的一些新式弹性、阻尼元件来实现减振。这种“X”形结构的座椅存在一个很大的弊端:仅能实现竖直方向的减振。在工程实际中，车辆行驶带来的座椅振动是空间多维振动:竖直振动、前倾后仰和左摆右晃。针对这个问题，本文设计了一种基于并联机构的可满足上述振动要求的多维减振座椅，这种座椅能实现沿着Z方向、绕着X方向和绕着Y方向的三个自由度减振，具有更加良好的减振效果。
　　本文是在企业资金资助和江苏省博士后基金课题“基于并联机构的车辆多维减振座椅的系统分析试验研究”资助下，在多维减振座椅一代样机已制作出后进行的更深一步的研究，其主要内容包括以下几点:
　　第一，制作多维减振座椅摆振性能检测试验装置，并进行一代样机的正交试验。设计了一套可模拟座椅随车摆振效果的摆振试验台，完成了多维减振座椅的摆振减振性能的正交试验;另外，运用振动试验系统对减振座椅进行竖直减振性能的正交试验;分别对两组试验数据进行了极差和方差分析，确定出在一代样机中对于减振座椅性能影响较大的一些因素。
　　第二，运用拉格朗日法建立多维减振座椅主体并联机构振动的微分方程，并进行相关的模态分析。在保证座椅固有频率合理的情况下，确定出主体并联机构中弹簧的合理弹性系数;再根据振动微分方程求解出各个自由度的位移曲线函数关系式，在保证座椅具有良好减振效果的情况下，确定出机构中阻尼器的合理阻尼系数。
　　第三，由推导出的主体并联机构的雅可比矩阵，计算主体并联机构的刚度矩阵，并对并联机构刚度特性进行分析。用MATLAB软件推导出在并联机构刚度矩阵中与X、α及β相对应的三个刚度公式;再用MATLAB软件绘制出三个刚度的曲面，并结合并联机构的结构对曲面做出分析，验证了弹性元件弹性系数的理论计算的正确性。
　　第四，基于理论计算得到的弹性元件参数，构建多维减振座椅的虚拟样机模型，并进行相关特性仿真分析。用ADAMS软件对虚拟样机进行振动运动仿真分析，发现该减振座椅具有良好的减振性能，验证了第二部分有关阻尼系数的理论计算的正确性;另外，利用Pro/E、ADAMS和ANSYS联合仿真对减振座椅主体并联机构的关键零件进行强度分析，验证了在多维振动情况下关键零件满足强度技术要求。
　　第五，加工制作出多维减振座椅的二代样机，并进行相应的正交试验。完成了减振座椅二代样机的减振试验，并进行了极差与方差分析;接着对比两代样机的试验结果，发现二代样机具有更好的减振性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及其意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车辆座椅的发展现状

1．2．2 并联机构用于减振领域的发展现状

1．2．3 车辆座椅发展趋势与存在问题

1．3 本文研究的主要内容

第二章 多维减振座椅的模态分析

2．1 多维减振座椅的数学模型与运动方程建立

2．2 多维减振座椅的模态刚度与模态阻尼分析

2．3 多维减振座椅的固有频率分析

2．3．1 人体坐姿转动惯量分析

2．3．2 模态频率分析

2．4 多维减振座椅减振性能分析

2．5 本章小结

第三章 主体并联机构刚度特性分析

3．1 并联机构的守恒协调转换刚度矩阵

3．2 多维减振座椅的雅可比矩阵

3．3 多维减振座椅的刚度矩阵分析

3．4 多维减振座椅刚度特性分析

3．5 本章小结

第四章 减振座椅主体并联机构虚拟样机仿真研究

4．1 座椅主体并联机构虚拟样机分析流程

4．1．1 ADAMS参数分析法分类及比较

4．1．2 ADMAS参数分析步骤

4．2 座椅主体并联机构虚拟样机的建立

4．2．1 建立Pro／E模型

4．2．2 Mech／pro中添加运动副

4．2．3 建立ADAMS模型

4．3 座椅主体并联机构虚拟样机的仿真设计

4．3．1 建立设计变量及确定变量范围

4．3．2 选取目标函数

4．3．3 虚拟样机仿真设计

4．4 本章小结

第五章 减振座椅的主体并联机构支链杆的强度分析

5．1 创建并联机构的MNF中性文件

5．1．1 三维模型的建立

5．1．2 创建MNF中性文件

5．2 创建并联机构的虚拟样机模型

5．2．1 Mechanism／pro添加约束

5．2．2 导入柔性支链杆

5．3 并联机构的ADAMS仿真与测试模型

5．3．1 添加移动副的驱动

5．3．2 仿真结构的LOAD载荷文件输出

5．4 载荷输入到ANSYS中分析

5．4．1 添加约束与施加载荷

5．4．2 求解

5．5 本章小结

第六章 减振座椅物理样机试验研究

6．1 摆振性能测试原理

6．1．1 摆动减振性能测试装置

6．1．2 仪器设备、测试流程图及实物图

6．1．3 正交试验设计

6．2 第一代样机的试验研究

6．2．1 一代机绕x轴向摆振的试验

6．2．2 一代机绕Y轴向摆振的试验

6．2．3 一代机沿Z轴向摆振的试验

6．2．4 一代机正交试验结果与分析

6．3 第二代样机的试验研究

6．3．1 二代机绕X轴向摆振的试验

6．3．2 二代机绕Y轴向摆振的试验

6．3．3 二代机沿Z轴向摆振的试验

6．3．4 二代机正交试验结果与分析

6．4 两代样机性能对比

6．5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

附录A 第三章的Matlab程序、分析步骤及结果

附录B 第六章的正交试验各个编号试验数据

致谢

攻读硕士学位期间所取得的成果