汽车座椅高静低动刚度非线性隔振方法与技术研究

摘要

汽车座椅悬架在降低驾驶员全身振动和提高汽车乘坐舒适性方面起着重要的作用。在汽车所受到的各种激励中，低频振动对人体健康的危害最大并且最难隔离。传统的线性座椅悬架存在固有频率降低导致静位移变大的固有矛盾，因而在保证承载能力的前提下难以有效隔离低频振动。但是具有高静刚度和低动刚度的非线性座椅悬架能够较好地克服该矛盾。高静低动刚度座椅悬架具有静位移小以及固有频率低等优点，故适合隔离低频甚至超低频振动。因此，对高静低动刚度座椅悬架进行深入的研究对提高汽车乘坐舒适性具有重要的理论和工程意义。本文要点归纳如下： (1)基于正负刚度并联的原理，设计了一种新型高静低动刚度座椅悬架。首先，通过静力学分析得到悬架的回复力和刚度特性，并用多体动力学软件ADAMS仿真验证。其次，使用谐波平衡法计算得到了悬架系统在简谐基础激励下的稳态响应。然后，分析了结构参数对悬架系统动态特性的影响，并确定了避免幅值跳跃现象发生的条件。最后，得到了座椅悬架的位移传递率，并推导出悬架的起始隔振频率。结果表明：高静低动刚度座椅悬架具有比线性座椅悬架更优秀的低频隔振性能，甚至能够实现全频带隔振。 (2)从质量比的角度研究了由驾驶员质量变化引起的载荷偏差对高静低动刚度座椅悬架动态特性以及隔振性能的影响。首先，使用谐波平衡法计算得到了悬架系统的稳态响应，分析载荷了偏差对悬架动态特性以及振动传递率的影响。然后，使用增量谐波平衡法计算得到了悬架系统的1/3亚谐共振响应，并进行参数分析。最后，分析了载荷偏差对座椅悬架冲击隔离性能的影响。结果表明：载荷偏差会使得悬架系统表现出渐软刚度特性，并导致悬架高频区的位移传递率大于线性座椅悬架；降低激励幅值和增加阻尼是避免产生亚谐共振的有效途径；载荷偏差还会导致座椅悬架的冲击隔离性能变差。 (3)为了避免高静低动刚度座椅悬架出现响应无界的现象，在所设计悬架的基础上提出了一种几何非线性阻尼。首先，通过静力学分析建立了非线性阻尼的数学模型，使用平均法计算得到悬架系统的稳态响应。然后，分析了非线性阻尼对座椅悬架动态特性以及位移传递率的影响。最后，为了解释非线性阻尼的效果，定义了悬架系统的等效阻尼比。结果表明：该非线性阻尼能够避免无界响应的发生，并且悬架系统出现了激励幅值增加反而导致传递率峰值变小的现象。 (4)提出了一种时滞立方位移反馈控制方法，用于提高高静低动刚度座椅悬架在激励幅值较大情况下的隔振性能。首先，使用多尺度法计算得到了控制系统的稳态响应，分析了反馈增益和滞后时间对座椅悬架动态特性以及位移传递率的影响，并给出了反馈参数的选择依据。然后，定义了控制系统的等效阻尼比，用于解释该方法的振动控制效果。结果表明：选择合适的反馈参数能够有效降低座椅悬架共振区的传递率，却不影响高频隔振性能。 (5)考虑更为实际的情况，建立了八自由度的车－座椅－人耦合振动系统。该耦合系统由1/4车模型、含座垫的座椅悬架以及四自由度的人体集中参数模型组成。使用龙格库塔法分别计算得到了人体各部位在简谐基础激励、路面冲击激励以及随机激励下的响应，并定义了各激励下座椅隔振性能的评价指标。结果表明：使用高静低动刚度座椅悬架能够提高汽车的乘坐舒适性，并且刚度比越大则隔振效果越好；驾驶员质量偏离座椅的额定承载质量会导致高静低动刚度座椅悬架的隔振性能变差。 (6)加工得到了高静低动刚度座椅悬架的实物样机，并搭建了振动试验台架。试验得到了座椅悬架在简谐基础激励下的加速度传递率。结果表明：高静低动刚度座椅悬架具有比线性座椅悬架更低的共振频率以及起始隔振频率；刚度比增加能够提高座椅悬架的低频隔振性能。

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摘 要

ABSTRACT

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图、表清单

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 汽车座椅悬架

1.2.2 高静低动刚度隔振器

1.3 目前存在的问题

1.4 本文的主要工作

第二章 高静低动刚度座椅悬架建模及动态特性研究

2.1 引言

2.2 高静低动刚度座椅悬架

2.3 静态特性研究

2.3.1 回复力与刚度特性分析

2.3.2 ADAMS仿真验证

2.3.3 近似处理

2.4 动态特性研究

2.4.1 动力学建模与求解

2.4.2 稳定性分析

2.4.3 动态特性分析

2.4.4 防跳跃条件

2.5 隔振性能研究

2.5.1 传递率分析

2.5.2 起始隔振频率

2.6 本章小结

第三章 高静低动刚度座椅悬架载荷偏差动态特性研究

3.1 引言

3.2 动态特性分析

3.2.1 载荷偏差时的运动微分方程

3.2.2 主共振响应求解

3.2.3 稳定性分析

3.2.4 过载情况下主共振响应分析

3.2.5 欠载情况下主共振响应分析

3.3 隔振性能分析

3.3.1 过载情况下隔振性能

3.3.2 欠载情况下隔振性能

3.4 1/3亚谐共振分析

3.4.1 增量谐波平衡法

3.4.2 路径跟踪

3.4.3 稳定性分析

3.4.4 1/3亚谐共振响应分析

3.5 冲击激励下隔振性能分析

3.5.1 冲击激励与评价指标

3.5.2 隔振性能分析

3.6 本章小结

第四章 高静低动刚度座椅悬架非线性阻尼动态特性研究

4.1 引言

4.2 非线性阻尼建模

4.2.1 数学模型

4.2.2 近似处理

4.3 动态特性研究

4.3.1 主共振响应求解

4.3.2 稳定性分析

4.3.3 动态特性分析

4.4 传递率分析

4.5 等效阻尼比

4.6 本章小结

第五章 高静低动刚度座椅悬架立方位移反馈控制研究

5.1 引言

5.2 控制系统主共振响应

5.2.1 主共振响应求解

5.2.2 稳定性分析

5.3 控制系统动态特性分析

5.3.1 反馈参数对幅频响应的影响

5.3.2 反馈参数的选择

5.4 控制系统位移传递率

5.5 控制系统等效阻尼比

5.6 本章小结

第六章 基于车－座椅－人耦合系统的舒适性研究

6.1 引言

6.2 车－座椅－人耦合系统建模

6.2.1 两自由度汽车模型

6.2.2 高静低动刚度座椅悬架

6.2.3 人体集中参数模型

6.2.4 车－座椅－人耦合振动系统建模

6.3 简谐激励响应分析

6.3.1 简谐激励与振动评价指标

6.3.2 仿真结果分析

6.4 冲击激励响应分析

6.4.1 冲击激励与振动评价指标

6.4.2 仿真结果分析

6.5 随机激励响应分析

6.5.1 随机激励与振动评价指标

6.5.2 仿真结果分析

6.6 本章小结

第七章 高静低动刚度座椅悬架设计与试验研究

7.1 引言

7.2 高静低动刚度座椅悬架样机创新设计

7.3 振动试验

7.3.1 试验台架搭建

7.3.2 试验步骤与参数设置

7.3.3 试验数据处理

7.3.4 试验结果分析

7.4 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 研究内容总结

8.2 创新点

8.3 研究展望

参考文献

致 谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文