特种车辆叉臂阻尼座椅减振特性研究

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随着国民经济的提高,工业技术的发展,特种车辆得到更广泛的应用。然而特种车辆由于其工作环境恶劣、悬架减振性能较差,在作业和行驶过程中会产生剧烈的振动,严重影响人体的身心健康,降低工作效率。座椅减振系统能够有效减小车辆振动对人体的影响,且相较于悬架系统具有结构简单、对车辆操纵稳定性影响小的特点。因此,改善座椅系统的乘坐性能,对提升特种车辆的乘坐舒适性具有重要意义。叉臂阻尼座椅具有可靠性好、稳定性高等优点,近年来受到特种车辆的广泛关注和重视。为掌握叉臂阻尼座椅的减振特性及其参数特性,本课题依托国家自然科学基金(51805347)和山西省科技平台项目(201805D121005),开展了以下研究:(1)根据叉臂阻尼座椅滚轮系统将水平方向的弹性力转化到竖置方向的结构特点,建立座椅平衡方程,为叉臂阻尼座椅的仿真计算和试验分析提供理论基础;概述国内外路面不平度的测量方法,参考相应标准GB7031-86,并通过MATLAB软件仿真得到B级、D级、F级和G级路面在不同车速下的随机路面激励时域谱;参考ISO 2631-1(1997)国际振动评价指标确定了计权加速度均方根值的方法作为本文中舒适性评价指标。(2)对叉臂阻尼座椅进行了平顺性仿真研究,结果表明:路面工况对座椅乘坐舒适性有很大影响,路面工况越差乘坐舒适性越差,即座椅乘坐舒适性恶劣程度和路面工况等级呈正相关,各级路面响应的前两阶模态频率均在人体敏感频段4~12.5Hz之间,该频段对人体健康产生负面影响,舒适性评价结果在比较不适到极不适之间,座椅舒适性较差;行驶速度对座椅乘坐舒适性亦有显著影响,车速越大,乘坐舒适性越差,即座椅乘坐舒适性恶劣程度与车速呈负相关,各个车速下前两阶模态频率范围在10Hz以下,属于危害人体健康的低频振动;随车速的增大,座椅计权加速度均方根值变大,且车速为35km/h时,计权加速度均方根值达到最大值1.7332m·s-2,人体乘坐感受为很不适;座椅刚度—阻尼力学特性的参数匹配分析发现,不同的路面等级和车速下,座椅的刚度—阻尼参数呈动态最优匹配关系,为提出非线性分段式弹簧—阻尼叉臂阻尼座椅结构提供了基础。(3)在暴露环境下对某特种车辆叉臂阻尼座椅进行了试验研究,确定了座椅上板、座椅下板和驾驶室底板处的一阶模态频率主要集中在人体敏感频段范围内;停驶工况下,座椅上板不同发动机转速下的振动加速度均值主要分布在0.1~0.3m/s2之间,均方根值的范围为0.09~0.3,随着发动机转速的增加,座椅上板的振动大致呈现先增大后减小的趋势,其中在发动机转速为1600r/min时,振动加速度均值和均方根值最大,振动最剧烈,且前三阶模态频率在10~50Hz之间;水泥路工况下,座椅在X、Y和Z三个方向的振动传递率为247.8%、163.3%和74.7%,越野路工况下,振动传递率依次为163.7%、73.6%和147.7%,因此该特种车辆座椅的隔振性能较差,且随着工况变差,叉臂阻尼座椅的减振性能也会随之变差。座椅舒适性评价统计结果显示,停驶工况的计权加速度均方根值小于0.315 m/s2,人体感受为无不舒适感觉;水泥路和越野路两种工况的计权加速度均方根值大于1.0 m/s2,在水泥路工况车速为15 km/h时,计权加速度均方根值最小,其数值为1.5507 m/s2,人体主观感受为不舒适。(4)试验计算和仿真结果对比分析,发现舒适性评价指标计权加速度的值接近,对同等路面和车速下人体主观感受的舒适性评估一致,试验结果间接验证了仿真模型的准确性;同时仿真和试验分析结果均得到该型叉臂阻尼座椅的减振性能有较大的改善空间,且提出非线性分段式弹簧—阻尼叉臂阻尼座椅结构方案,为下一阶段研究任务。本课题对特种车辆叉臂阻尼座椅的减振特性进行了理论与试验研究,研究结果可为改善特种车辆座椅的乘坐舒适性提供有益参考。
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