一種新型農(nóng)用車輛減震座椅的設(shè)計(jì)

章麗萍，張培培，孟曉麗，席朦朦，李夢(mèng)晗

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

一種新型農(nóng)用車輛減震座椅的設(shè)計(jì)

章麗萍，張培培，孟曉麗，席朦朦，李夢(mèng)晗

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

隨著人們對(duì)人體健康逐漸重視，對(duì)農(nóng)用車輛的舒適度進(jìn)行改進(jìn)顯得迫不及待。本文充分考慮了振動(dòng)幅度和動(dòng)撓度兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)一種新型農(nóng)用車輛減震座椅，采用阻尼可調(diào)減震器代替現(xiàn)在農(nóng)用車輛廣泛使用的一般阻尼不可調(diào)減震器，將單剛度彈簧改換成雙螺旋彈簧，從而改善座椅系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性。

農(nóng)用車輛減震座椅；阻尼可調(diào)減震器；雙彈簧

CLC NO.:U463.8Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)12-61-04

引言

農(nóng)用車輛的工作場(chǎng)所主要在田間，工作環(huán)境非常惡劣。由于車子發(fā)動(dòng)機(jī)固有的振動(dòng)特點(diǎn)、車輛懸架性能以及總是工作在惡劣的路況下，僅采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)陋的被動(dòng)座椅懸架的農(nóng)用車輛在工作時(shí)有強(qiáng)烈振動(dòng)，使駕駛者長(zhǎng)時(shí)間承受低頻高強(qiáng)度振動(dòng)。[1]長(zhǎng)期在這種環(huán)境下工作，會(huì)對(duì)人的生理和心理產(chǎn)生不良影響，從而降低工作效率，甚至導(dǎo)致交通事故。農(nóng)用車輛一般沒有懸架機(jī)構(gòu)，致使其平順性較差，很容易引發(fā)身體上的一些職業(yè)性疾病，這樣會(huì)嚴(yán)重影響司機(jī)的身心健康，將座椅懸架作為減振環(huán)節(jié)，是提高乘坐舒適性的最直接的方法。部分車輛選擇在座椅上裝上軟墊，但是很容易產(chǎn)生共振，不能有效解決座椅震動(dòng)。對(duì) 3-5Hz 范圍的振動(dòng)頻率，座椅的軟墊不能進(jìn)行有效的減振[2]；而對(duì)于 1-2Hz 的低頻振動(dòng)，座椅的海綿軟墊不但不能進(jìn)行減振，甚至?xí)鸬綄?duì)振動(dòng)的放大作用[3]。

1、農(nóng)用車輛座椅懸架現(xiàn)狀

1.1 被動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)

目前廣泛使用的被動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)如圖1所示，座椅懸架系統(tǒng)安裝于座椅的底部，由于兩個(gè)起支撐作用的連桿呈剪刀形狀布置，這種座椅具有較高的可靠性，通常設(shè)置在地面移動(dòng)車輛上，座椅中的上限位緩沖塊和下限位緩沖塊分別限制座椅在垂直方向移動(dòng)的最大位置，一般為橡膠材料。座椅架上安裝有海綿軟墊，可使臀部和背部具有合理的體力分布，另外軟墊與座椅架之間安裝有彈簧。[4]

被動(dòng)懸架系統(tǒng)參數(shù)固定，并且參數(shù)的取值范圍很小，操縱穩(wěn)定性和行駛平順性仍不夠理想。在多變的環(huán)境中工作時(shí)，難以滿足期望的目標(biāo)，甚至僅行駛舒適性也得不到保證。

1.2 主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)

為了達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)農(nóng)用車輛制訂的一系列標(biāo)準(zhǔn)，提高駕駛與乘坐的舒適性，減小對(duì)長(zhǎng)期駕駛車輛的人員的傷害，在目前國(guó)內(nèi)外研究的主動(dòng)和半主動(dòng)減振座椅懸架中，電液、電氣動(dòng)主動(dòng)減振系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，隨著座椅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，進(jìn)而做出相應(yīng)的變化。由于座椅主動(dòng)懸架系統(tǒng)要求座椅懸架系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，就必然將導(dǎo)致主動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而且系統(tǒng)能量消耗大，抗干擾能力差，如果在主動(dòng)控制失效的情況下，整個(gè)主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制就形同虛設(shè)，相當(dāng)于被動(dòng)懸架，甚至可能導(dǎo)致減振效果還不如被動(dòng)懸架，這些情況就使得主動(dòng)、半主動(dòng)座椅懸架的使用受到了限制[5]，制約了其在車輛上應(yīng)用的普及性。如圖2所示，為電氣動(dòng)主動(dòng)懸架減震座椅。

主動(dòng)懸架系統(tǒng)耗能大，價(jià)格高，應(yīng)用于農(nóng)用車輛使農(nóng)用車輛的價(jià)格迅速上升，甚至超出農(nóng)民的可支配收入，加重農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制器的參數(shù)等比較復(fù)雜。因此，有待研究出一種價(jià)格較低、減震效果較為理想的減震座椅。

2、新型農(nóng)用車輛減震座椅設(shè)計(jì)

2.1 車輛運(yùn)動(dòng)微分方程

隔振減震座椅力學(xué)模型如圖3所示。圖中,M代表車身質(zhì)量，K代表隔振彈簧剛度,C代表減振器阻尼系數(shù)。

運(yùn)動(dòng)微分方程：

式中：q—路面不平度函數(shù)；q.—；z —位移量；z.—速度；.z.— 加速度。[6]

2.2 雙級(jí)復(fù)式螺旋彈簧總剛度計(jì)算

設(shè)主、副螺旋彈簧彈性特性都是線性的，剛度分別為C1、C2，副螺旋彈簧與支架開始接觸時(shí)主螺旋彈簧的靜繞度為fk。

座椅受小振動(dòng)時(shí)僅主螺旋彈簧工作，其固有頻率為

式中PO—座椅懸架負(fù)荷。

座椅受大幅振動(dòng)時(shí)，主、副螺旋彈簧共同工作，這時(shí)固有頻率為

式中PM—主、副螺旋彈簧總負(fù)荷。PM= P1+ P2，P1為大振動(dòng)時(shí)主螺旋彈簧的負(fù)荷。P2為大振動(dòng)時(shí)副螺旋彈簧的負(fù)荷。當(dāng)副螺旋彈簧剛接觸支架時(shí)，如用線性方法計(jì)算懸架的固有頻率，其值會(huì)產(chǎn)生突變，負(fù)荷前、后的頻率值N1、N2為

平順性好要求固有頻率變化小。一是整個(gè)負(fù)荷變化范圍內(nèi)頻率的變化應(yīng)最小；二是副螺旋彈簧接觸支架前、后的頻率突變不能太大。因座椅懸架大振動(dòng)時(shí)需較好的平順性，所

以應(yīng)使副螺旋彈簧與前、后支架錯(cuò)開接觸，使副螺旋彈簧前、后段的應(yīng)力有所不同。

假設(shè)螺旋彈簧大振動(dòng)時(shí)的固有頻率與副螺旋彈簧接觸支架前的相等，即NM=N1；螺旋彈簧小振動(dòng)時(shí)的固有頻率與副螺旋彈簧接觸支架后的相等，即N0=N2。如圖3即令，

代入式（5）中，解得

由式可見，Pk為P0和Pm的兩點(diǎn)頻率，令兩對(duì)高、低頻率分別相等。這樣，副螺旋彈簧接觸支架時(shí)的頻率突變值與大、小振動(dòng)時(shí)的頻率差值相同，即

用這種方法確定的C1、C2及fk值，可使大、小振動(dòng)載時(shí)的固有頻率差值較小，但副螺旋彈簧接觸支架前、后的頻率突變較大。

主、副螺旋彈簧的負(fù)載分配計(jì)算：

式中P01、P02分別為小振動(dòng)時(shí)主、副螺旋彈簧的負(fù)荷；P1、P2分別為大振動(dòng)時(shí)主、副螺旋彈簧的負(fù)荷。

式中C1、C2—主、副螺旋彈簧剛度；Pm—大振動(dòng)時(shí)主、副螺旋彈簧總載荷；Nm—大振動(dòng)時(shí)主、副螺旋彈簧共同工作時(shí)固有頻率。[7]

2.3 變阻尼系數(shù)阻尼器的設(shè)計(jì)

阻尼可調(diào)減震器在原減振器中使用空心連桿結(jié)構(gòu)，通過設(shè)在連桿外部的調(diào)整機(jī)構(gòu)（圖5），驅(qū)動(dòng)連桿內(nèi)部針閥（圖6），調(diào)節(jié)針閥阻尼孔大小，從而改變減振器閥系油液流通面積，改變閥系原有固定阻尼狀態(tài)，調(diào)整減振器阻尼力，將人體受到的振動(dòng)減到最小。

減振器正常時(shí)，彈簧將定位鋼球壓在定位螺栓槽內(nèi)，調(diào)整桿被鎖死，檔位固定，調(diào)整機(jī)構(gòu)鎖定，針閥閥芯不動(dòng)，阻尼孔流通面積固定，阻尼力不變化；旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿改變工作檔位，定位鋼球受力頂彈簧后退，取消鎖定，調(diào)整桿轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)到所需檔位重新鎖定。增加阻尼力時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整桿驅(qū)動(dòng)調(diào)整螺栓，調(diào)整螺栓在連桿中前進(jìn)，通過芯桿推動(dòng)閥芯前進(jìn)閥芯前進(jìn)進(jìn)入閥座，針閥阻尼孔流通面積減少，與減振器閥系共同作用下，阻尼力增加；減少阻尼力時(shí)，調(diào)整螺栓在連桿中后退，芯桿帶動(dòng)閥芯后退，閥阻尼孔流通面積增大，與減振器閥系共同作用下，產(chǎn)生的阻尼力增加。阻尼力的變化與閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，不同的線性設(shè)計(jì)，能調(diào)節(jié)阻尼孔流通面積變化速率，導(dǎo)致不同的阻尼變化曲率，最終改變減振器外特性。[8]

2.4 新型減震座椅力學(xué)模型

車輛平順性主要體現(xiàn)在振動(dòng)幅度和經(jīng)座椅傳至人體的加速度。為了提高車輛的乘坐舒適性和安全性的同時(shí)保證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，我們提出一種新型農(nóng)用車輛減震座椅，如圖7所示，采用阻尼可調(diào)減震器來代替目前農(nóng)用車輛上普遍使用的一般減震器。此減震器通過改變減震器的阻尼孔，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本不高和無噪音等特點(diǎn),因此是目前發(fā)展的主要方向。當(dāng)車輛的振幅發(fā)生變化時(shí)，通過改變阻尼孔的大小來改變阻尼系數(shù)，從而改變阻尼力，將人體受到的振動(dòng)減到最?。挥秒p螺旋彈簧代替一般單剛度彈簧，當(dāng)車輛處于小振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，僅主螺旋彈簧起減震作用，當(dāng)車輛處于大振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，主、副螺旋彈簧共同起作用，從而改善座椅系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性。同時(shí)，螺旋彈簧還能控制振動(dòng)幅度，把人體受到的振動(dòng)減小到所能承受的、甚至在長(zhǎng)期情況下也不會(huì)影響身體健康的范圍。這種座椅具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，它只需外界輸入少量能量,就可以在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)座椅懸架系統(tǒng)上減震器的阻尼器的阻尼系數(shù)和雙螺旋彈簧的剛度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié), 可保證車輛在多種工況下的緩沖減震效果，能在較大的振動(dòng)范圍內(nèi)都能起到較好的減震作用等。

3、結(jié)論

本文通過改進(jìn)減震器和彈性元件來提高農(nóng)用車輛座椅的減振效果。建立車輛運(yùn)動(dòng)微分方程，運(yùn)用改變減震器阻尼孔的大小來調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)原理，設(shè)計(jì)阻尼可調(diào)減震器代替普遍使用的一般減震器，實(shí)現(xiàn)更好的減震效果。計(jì)算雙級(jí)復(fù)式螺旋彈簧總剛度，通過用雙螺旋彈簧代替一般單剛度彈簧，改善座椅懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性。

[1] 葉雄兵,高文中,潘存治等. 基于磁流變阻尼器的座椅減振控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 工程機(jī)械, 2006.

[2] Wu X,Griffin M J. A semi-active control policy to reduce the occurrence and severity of end-stop impacts in a suspension seat with an electrorheological fluid damper[J]. Journal of Sound and Vibration, 1997, 203 (5)∶ 781-793.

[3] Gunston T. An investigation of suspension seat damping using a theoretical model[J]. In∶ Proceedings of the 35th U.K. Group on Human Response to Vibration, Southampton, England, 2000, 137-149.

[4] 張志勇. 半主動(dòng)座椅懸架控制理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 湖南大學(xué)2008.

[5] 萬(wàn)偉. 農(nóng)用車輛磁流變半主動(dòng)減振座椅的建模與仿真研究[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2012.

[6] 余志生. 汽車?yán)碚?第5版)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 2009.

[7] 章炳芳. 雙級(jí)復(fù)式鋼板彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算[J]. 河海大學(xué)機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào) 1996,10(4)∶ 49-54.

Design of a Novel Agricultural Vehicle Suspension Seat

Zhang Liping, Zhang Peipei, Meng Xiaoli, Xi Mengmeng, Li Menghan
（Zhejiang A&F University, school of Engineering, Zhejiang Hangzhou 311300）

Since the people gradually pay attention to human health, the improvement to the agricultural vehicle comfort is very important. On basis of considering both aspects of the vibration amplitude and the dynamic deflection, a novel agricultural vehicle suspension seat is designed. A variable damping cofficient shock absorber replaces the standard shock absorber, and two different stiffness springs replace the signal. The design would improve the dynamic characteristics of the seat system.

agricultural vehicle suspension seat；variable damping shock absorber；double spring

U463.8

A

1671-7988(2014)12-61-04

章麗萍，就職于浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院。