非路面车辆驾驶员座椅六足并联悬架系统动态特性研究

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研究表明,在非路面车辆行驶和作业过程中,驾驶员长期承受低频高强度的乘坐振动,其腰椎、脊柱、胸腔和内脏都会造成伤害,严重损害驾驶员的身心健康,降低工作效率。本课题为改善非路面车辆驾驶员的乘坐环境,提出了一种新型的座椅悬架系统——六足并联悬架系统。建立了人椅悬架系统自由振动模型,优选了适合六足并联悬架的结构形式并对其进行了参数优化设计,研制了六足并联悬架减振座椅,并进行了装车试验,研究其振动特性。具体内容包括:(1)借助机构拓扑结构学理论,综合出可以作为六足并联悬架的拓扑结构类型。根据基于单开链单元的6自由度并联机构结构组成原理,对六足并联悬架结构类型进行了综合研究。构造了合适的单开链和混合单开链作为六足并联悬架的减振支路,用排列组合的方法,综合出了适合六足并联悬架的18种结构类型及扩展类型。(2)建立了驾驶员——座椅悬架系统的一般力学模型,推导了人椅悬架系统的运动微分方程。其中,为获取驾驶员的惯性参数,将处于舒适坐姿时的人体划分为若干部分,根据GB-T 17245-2004——《成年人人体惯性参数》和GB/T14779-93——《坐姿人体模板功能设计要求》提供的人体质量参数和尺寸参数计算得到。(3)根据驾驶员座椅悬架的性能要求,对综合出的六足并联悬架拓扑结构类型进行了结构、固有频率与耦合度、6方向减振效果计算机仿真3方面的比较和分析,最终优选了适合六足并联悬架的Stewart双三角型结构类型;(4)根据人体的敏感频率范围和整车的6个固有频率,对优选的Stewart双三角型六足并联悬架进行了参数优化设计,包括几何尺寸参数、弹性元件的刚度系数和阻尼元件的阻尼系数,使六足并联悬架的6个固有频率既避开了整车的固有频率,又远离人体各方向的敏感频率范围。(5)研制了基于六足并联悬架系统的驾驶员座椅,并进行了装车试验,测量坐垫(Z向)、靠背(X向)和驾驶室地板(X、Y、Z三个方向)的加速度,研究六足并联悬架系统在不同车速、不同载荷下的动态特性,并与普通RS-S型座椅进行对比分析。试验研究结果表明,所研制的六足并联悬架减振座椅在6个方向均具有隔振效果。与普通RS-S型驾驶员座椅相比,在低速时(2.5<v<4km/h),六足并联悬架减振座椅坐垫(和靠背)的加权加速度均方根值大于普通座椅坐垫(和靠背)的加权加速度均方根值,即隔振效果不如普通座椅。而当车速v>4km/h时,六足并联悬架减振座椅坐垫(和靠背)的加权加速度均方根值小于普通座椅,且随着速度的增大,相对于普通座椅的加权加速度均方根值降幅更加显著。本课题的研究,对促进非路面车辆驾驶员座椅悬架的科学研究,提高车辆乘坐舒适性,降低振动职业病害的发生几率具有重要的理论意义和实用价值。
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