基于MATLAB工程機(jī)械座椅減振分析

陳俊杰，肖宇，宋建桐，張昀昀

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，北京 100176；2.中機(jī)科（北京）車(chē)輛檢測(cè)工程研究院有限公司，北京 102100）

引言

工程機(jī)械的工作環(huán)境經(jīng)常暴露在振動(dòng)環(huán)境中，這種振動(dòng)環(huán)境是由于行駛在路面時(shí)產(chǎn)生的低頻路面激勵(lì)、工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)軸等旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的激勵(lì)引起的。司乘人員長(zhǎng)期暴露在這種低頻振動(dòng)環(huán)境中，不僅降低工作效率、嚴(yán)重時(shí)候會(huì)引起生理和心理疾病。對(duì)司機(jī)而言、座椅構(gòu)成了懸架的最后一級(jí)減振系統(tǒng)、座椅設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇會(huì)影響傳遞到司機(jī)上的振動(dòng)量。運(yùn)用單自由度振動(dòng)理論和試驗(yàn)方法進(jìn)行座椅振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是工程技術(shù)人員常用的方法[1]。

本文首先根據(jù)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立了單自由度工程機(jī)械座椅的動(dòng)力學(xué)微分方程。分析了座椅的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。并且通過(guò)試驗(yàn)的方法得到了座椅上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。最后利用FFT（快速傅立葉變換）計(jì)算出座椅的固有頻率、為座椅優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

1 工程機(jī)械座椅動(dòng)力學(xué)模型及分析

對(duì)于工程機(jī)械座椅，國(guó)內(nèi)一般采用的是被動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)，由彈簧和阻尼元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。機(jī)體振動(dòng)頻率高，一般在4～6Hz，且共振譜峰值比較大，因此舒適性也比較差[2]。座椅加權(quán)加速度均方根值一般為2～4沒(méi)m/s^2，這個(gè)值比國(guó)外同等類(lèi)型座椅高了3倍左右。其座椅結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈性座椅結(jié)構(gòu)圖

座椅系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)也是一套彈簧阻尼系統(tǒng)，彈簧剛度和阻尼系數(shù)的選擇也很大程度上影響傳遞到乘員身上的振動(dòng)強(qiáng)度?，F(xiàn)在一些豪華大客車(chē)上采用高檔座椅來(lái)增加乘坐舒適性座椅的固有頻率、剛度和阻尼是座椅最重要的三個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)。進(jìn)行座椅動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常是對(duì)這三個(gè)參數(shù)合理匹配，降低車(chē)身傳遞到人身體上的振動(dòng)，從而提高乘坐舒適性[3]?！叭梭w—座椅”系統(tǒng)可以用一個(gè)單質(zhì)量系統(tǒng)來(lái)描述，見(jiàn)圖2。

圖2 “人—座椅”振動(dòng)系統(tǒng)

現(xiàn)在，假設(shè)人體質(zhì)量為m，座椅剛度為k，座椅阻尼為c，基礎(chǔ)激勵(lì)為q。建立“人—座椅”系統(tǒng)單自由度振動(dòng)方程為：

令q和y都是復(fù)振幅，對(duì)式（1）進(jìn)行傅里葉變換得：

整理（2）得：

令ζ為0.25, 0.5, 0.1時(shí)，計(jì)算振動(dòng)響應(yīng)y相對(duì)于基礎(chǔ)振動(dòng)的雙對(duì)數(shù)譜，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 阻尼參數(shù)對(duì)幅頻響應(yīng)的影響

由圖3可以看出，在低頻段，阻尼對(duì)人—座椅系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)影響不大。在共振段，增大阻尼可以明顯減小共振峰值。頻率比為1.414時(shí)，幅頻響應(yīng)恒等于1，此時(shí)，阻尼對(duì)幅頻響應(yīng)沒(méi)有影響。在高頻段，可以看出增大阻尼比對(duì)減振有利。為了避免共振時(shí)振動(dòng)過(guò)大，應(yīng)該適當(dāng)增大阻尼比，可以起到明顯減振作用。剛度影響的是系統(tǒng)的固有頻率，選擇座椅剛度時(shí)，應(yīng)該使得系統(tǒng)固有頻率在3Hz左右變化，這個(gè)范圍可以避開(kāi)人的敏感區(qū)[4]。

2 工程機(jī)械座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析

國(guó)標(biāo)GB/T 8419-2007 《土方機(jī)械 司機(jī)座椅振動(dòng)的試驗(yàn)室評(píng)價(jià)》中規(guī)定，對(duì)某生產(chǎn)企業(yè)座椅進(jìn)行線性?huà)哳l試驗(yàn)和共振傳遞率試驗(yàn)。

2.1 線性?huà)哳l試驗(yàn)

座椅用 75Kg的固定重物加載，重物可以用坐墊做成，坐墊里包裝有鉛彈，縫成棉絮狀。固定重物需在座椅上固定，防止移動(dòng)；座椅用 75Kg的固定重物加載，重物可以用坐墊做成，坐墊里包裝有鉛彈，縫成棉絮狀。固定重物需在座椅上固定，防止移動(dòng)；估計(jì)懸掛的固有頻率，按照它的 0.5倍～2倍的預(yù)期共振頻率進(jìn)行掃頻，找出系統(tǒng)的固有頻率。掃頻采用從較低頻率到較高頻率再回到較低頻率，頻率的最大間隔頻率為0.05Hz，掃頻時(shí)間不少于80秒。掃頻幅值為整個(gè)懸掛裝置的40%或者50mm，取較小者。根據(jù)掃頻曲線，判斷系統(tǒng)的共振頻率。圖4為試驗(yàn)樣品照。圖5為試驗(yàn)工況照。

圖4 座椅樣品照

圖5 試驗(yàn)工況照

采用法國(guó)dBFA數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，采集了座椅椅面上方加速度垂直方向時(shí)域信號(hào)。并利用Matlab對(duì)座椅椅面的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到頻域數(shù)據(jù)。并通過(guò)Max函數(shù)得到座椅的固有固有頻率為 3.8Hz。因此，我們?cè)谶M(jìn)行車(chē)輛整體設(shè)計(jì)的時(shí)候，要避開(kāi)座椅的共振區(qū)，使得座椅可以有效隔振。

圖6 座椅椅面上方加速度垂直方向時(shí)域信號(hào)

圖7 座椅椅面加速度FFT變換圖

3 結(jié)論

分析了工程機(jī)械座椅的典型結(jié)構(gòu)，依據(jù)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立了主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)微分方程，并利用Simulink搭建了系統(tǒng)仿真程序，分析了阻尼對(duì)座椅結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)，提出選擇座椅剛度時(shí)，應(yīng)該使得系統(tǒng)固有頻率在3Hz左右變化，這個(gè)范圍可以避開(kāi)人的敏感區(qū)。采用掃頻的方法，得到了某型號(hào)座椅的共振頻率，為我們座椅參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。