引用本文
闫振华, 黄玉强, 李学飞, 王国强, 张晓飞. 基于球面滚子机构的车辆座椅非线性悬架设计.吉林大学学报:工学版, 2016, 46(3): 706-710
YAN Zhen-hua, HUANG Yu-qiang, LI Xue-fei, WANG Guo-qiang, ZHANG Xiao-fei. Design of seat nonlinear suspension for vehicles based on spherical roller mechanism. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(3): 706-710  
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基于球面滚子机构的车辆座椅非线性悬架设计
闫振华1, 黄玉强2, 李学飞1, 王国强1, 张晓飞1
1.吉林大学 机械科学与工程学院,长春 130022
2.长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司 产品验证部,长春 130033
通讯作者:李学飞(1986-),男,讲师,博士.研究方向:非公路车辆动力学与舒适性.E-mail:lxf2014@jlu.edu.cn

作者简介:闫振华(1982-),男,讲师,博士.研究方向:非公路车辆动力学与舒适性.E-mail:yanzhenhua@jlu.edu.cn

基金:国家自然科学基金项目(51175216)
摘要

线性座椅悬架低频隔振能力差,为提高非公路车辆的振动舒适性,基于球面滚子机构设计了座椅非线性悬架,建立了主要设计参数与其力-位移特性间关系的数学模型,进而确定了悬架的主要设计参数。基于ADAMS软件和试验方法,测试了悬架的力-位移特性和振动传递率特性。结果表明:所设计的悬架具有高静态刚度和低动态刚度,最低的隔振频率低于传统的线性座椅悬架。但是,悬架的内摩擦对其低频隔振性能影响较大,需要关注。

关键词: 车辆工程; 座椅悬架; 非线性悬架; 低频隔振
中图分类号:TH113.1 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)03-0706-05
Design of seat nonlinear suspension for vehicles based on spherical roller mechanism
YAN Zhen-hua1, HUANG Yu-qiang2, LI Xue-fei1, WANG Guo-qiang1, ZHANG Xiao-fei1
1.College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
2.Department of Product Validation,Changchun Faway-Johnson Controls Automotive Systems Co.,Ltd., Changchun 130033, China
Abstract

Linear seat suspension has poor isolation ability of low frequency vibration. To improve the low frequency vibration isolation performance of off-road vehicle seat, a nonlinear seat suspension is designed based on spherical roller mechanism. The quantitative relationship between the main design parameters and the force-displacement characteristics is established, and then the main parameters are identified. Based on ADAMS method and test, the force-displacement characteristic and isolation performance of the nonlinear seat suspension are tested. Results show that the designed suspension has high static stiffness and low dynamic stiffness characteristics, and the lowest isolation frequency is lower than that of traditional linear seat suspension. However, the internal friction can affect low-frequency vibration isolation, to which attention should be paid in the suspension design.

Keyword: vehicle engineering; seat suspension; nonlinear suspension; low-frequency vibration isolation
0 引 言

在非公路车辆低频振动隔离方面, 座椅悬架系统具有重要作用。一般将座椅悬架分类为线性悬架、主动悬架、半主动悬架、非线性悬架[1], 以及空气弹簧悬架。目前, 应用较多的是线性座椅悬架和空气弹簧悬架, 线性悬架在低频振动隔离问题上存在理论上的限制, 即低频隔振性能好时静态位移大[2, 3], 难以满足非公路车辆的低频隔振需求, 空气弹簧悬架低频隔振性虽较好, 但需要附加较大体积的气室[4, 5]。而主动、半主动悬架理论上具有理想的隔振性能, 但系统复杂, 成本高且耗能大[6, 7, 8]。

基于上述背景, 非线性座椅悬架成为了一个重要的研究方向, 被研究人员所重视。这种悬架具有高静态刚度和低动态刚度特性, 可克服线性悬架存在的问题, 隔振频带宽, 且承载能力强[9]。

可以实现非线性的机构原理有多种, 但目前研究较多的是基于三弹簧并联原理和基于薄壳失稳原理设计的[10, 11]。为拓宽非线性座椅悬架机构形式, 进而探寻性能最优的悬架结构, 本文研究了一种新的机构形式的悬架, 即基于球面滚子机构设计了一种非线性座椅悬架, 推导了该悬架的静态特性设计公式, 基于此确定了悬架主要设计参数, 加工了物理样机并进行了试验验证。

1 座椅非线性悬架设计
1.1 基于球面滚子机构的座椅非线性悬架方案

在剪式悬架的基础上, 安装上含有球面滚子机构的负刚度机构, 使其与主弹簧并联, 如图1(a)所示。负刚度机构由球面板、滚子、销轴、导向块、对称布置在套管内的2个水平弹簧及焊接支架组成, 如图1(b)所示。

图1 基于球面滚子机构的座椅非线性悬架Fig.1 Seat nonlinear suspension based on the spherical roller mechanism

当驾驶员坐在座椅上, 悬架的上横梁在人体重力作用下向下运动, 球面板固定在上横梁上, 因此一起向下运动, 滚子与球面板曲边接触且沿着曲边滚动, 两个水平弹簧不断压缩, 处于平衡状态时即为图1(a)所示的状态。此时, 滚子与曲边的最高点接触, 当驾驶室地板上下振动时, 悬架下横梁由于安装到了地板上, 亦随着地板一同振动, 滚子则在球面板曲边最高点上下往复地滚动, 实现隔振。

1.2 悬架主要参数的确定

在设计合理的情况下, 悬架具有高静态刚度和低动态刚度, 即其力-位移曲线呈现两端陡峭(刚度大), 中间十分平缓(工作区刚度小), 从而实现在工作区内能够隔离很低频率的振动激励。影响悬架刚度特性的主要参数有:主弹簧刚度和水平弹簧刚度及预压缩量, 滚子半径, 球面板曲边部分半径等。

抽象出图1所示座椅悬架的刚度特性力学模型, 如图2所示。图中1为主弹簧, 刚度k11, 初始压缩量u1; 2为悬架上横梁; 3为滚子, 半径r; 4为等效水平弹簧, 刚度k22, 初始压缩量u2; 5为球面板, 曲边半径R, 曲边圆弧的中心距离球面板直线部分距离为d。

图2 座椅非线性悬架力学模型Fig.2 Mechanic model of seat nonlinear suspension

球面板下端固定, 在上横梁施加向下的力F, 如图2(b)所示, 缓慢增大力F, 滚子将在曲边圆弧上滚动, F增大到驾驶员重力大小时, 滚子移动到曲边部分最高点。如图2(a)所示位置, 此处为工作位置的中心点, 当驾驶室地板振动时, 滚子将在这个位置上下滚动。继续增大力F, 滚子将沿曲边下半圆弧向下滚动。

建立如图2(b)所示的坐标系, x轴沿球面板直线部分布置, 正方向向下, y轴与x垂直, 正方向向右, 且过曲边圆弧的圆心, x轴与y轴的交点为坐标原点。在这个坐标系下, 建立各主要参数与悬架力-位移特性(即刚度特性)之间的关系式。初始时刻为图2(b)所示时刻, 滚子中心坐标(x0, y0)为:

(x0, y0)= -(R+r)2-(d+r)2, r(1)

随着力F的增大, 横梁向下运动, 假设每一瞬间都是静态的, F做的功W完全转化为主弹簧和等效水平弹簧的势能U, 即:

W=U(2)

当滚子中心坐标处于(x, y)时, 弹性势能为:

U=k11u1(x-x0)+12k11(x-x0)2+k22u2(y-y0)+12k22(y-y0)2(3)

滚子沿曲边圆弧滚动不脱离, 因此, 滚子中心坐标满足如下关系:

x2+(y+d)2=(R+r)2(4)

从式(4)中导出y, 由图2(b)可见, y必大于零, 所以y的表达式如下:

y=(R+r)2-x2-d(5)

将外力F做的功W对滚子中心位置坐标x求导, 即可得该非线性悬架的力-位移关系:

F=dWdx=k11u1+k11(x-x0)+k22u2y'+k22(y-y0)y'

式中：

y'=dydx=-x(R+r)2-x2(7)

假设驾驶员体重为70 kg, 基于式(6), 应用Matlab软件调试各主要设计参数, 使力-位移特性曲线满足隔离最低频率(2 Hz)的需求, 综合考虑结构的可实现性, 确定各主要设计参数如表1所示, 表1中, 长度单位为mm; 刚度单位为N/mm。

表1 悬架的主要设计参数 Table 1 Main design parameters of the suspension
2 基于ADAMS软件的仿真

在ADAMS软件中建立所设计的非线性悬架刚体动力学模型, 如图3所示。在滚子与曲边圆弧间施加线线约束, 剪式悬架两铰接连杆间施加转动副约束, 滚子与导向杆间施加移动副约束, 使滚子可沿着导向杆水平伸缩, 主弹簧连接在剪式悬架上下横梁之间, 水平弹簧连接在滚子与焊接支架之间, 并设置初始压缩量, 各参数如表1所示。

图3 悬架ADAMS模型Fig.3 Suspension dynamic model based on ADAMS

调整图3所示模型, 使剪式悬架处于最高位置, 此时滚子与曲边圆弧上部相切。在下横梁上施加固定副约束, 在上横梁上施加向下的载荷, 大小从0开始缓慢增大。进行仿真, 后处理提取上横梁的位移及所施加的载荷, 将两者画在一个坐标图里, 纵轴为载荷, 横轴为位移, 如图4所示。

图4 仿真得到的力-位移曲线Fig.4 Force-displacement curve from simulation

由图4可见, 该组设计参数匹配下的力-位移曲线两端刚度大, 中间主要工作区刚度小, 具有高静态刚度和低动态刚度特性。通过坐标可估算出工作区的刚度, 人体质量为70 kg, 可估计出该悬架最低隔振频率处于2 Hz左右。进一步调整参数, 还可降低最低隔振频率。

3 试 验

按照上述设计参数加工座椅非线性悬架物理样机, 进行力-位移特性试验和振动传递率试验。

3.1 力-位移特性试验

试验前去掉了悬架的阻尼器, 在运动副涂抹润滑脂, 并进行了多次跑合。通过电动缸以20 N/s的速度加载和卸载, 通过量程为0~2000 N的压力传感器测量载荷, 通过位移传感器测量加载点的位移, 试验布置如图5所示。测得的力-位移曲线如图6所示。

图5 力-位移特性试验装置图Fig.5 Test device for force-displacement characteristic

图6 力-位移试验曲线Fig.6 Curve result from force-displacement characteristic test

图6将试验测得的加载、卸载曲线和理论力-位移曲线放在了一起, 可见:加载和卸载曲线不重合, 这是由于悬架各运动副摩擦导致; 在曲线的中间区和左下区域, 试验曲线与理论曲线吻合较好; 曲线右上区域不吻合, 这是由于理论计算的是滚子从最高位置滚下, 而实际悬架样机中的套筒开槽限制销轴的位置, 设计时使滚子离开了理论初始位置一个距离, 因此, 此处曲线不吻合是正确的。

3.2 振动传递率试验

通过压板将悬架样机固定在座椅振动台上, 用胶将70 kg配重固定在悬架上部。进行扫频试验, 扫频的频率范围为1.5~20 Hz, 激励幅值为5 mm。测得加速度传递率曲线如图7所示, 实测的最低隔振频率并不是理论计算的2 Hz, 而是2.5 Hz左右, 这个偏差是由悬架内大的摩擦导致。

图7 振动传递率曲线Fig.7 Vibration transmissibility curve

非公路车辆常用的线性座椅悬架最低隔振频率处在3.5 Hz以上, 如图8所示, 相比之下, 本文所设计的非线性悬架隔振频带较宽, 更适合非公路车辆的低频隔振需求。

图8 线性座椅悬架传递率曲线Fig.8 Vibration transmissibility curve of linear seat suspension

4 结束语

设计了基于球面滚子机构的车辆座椅非线性悬架, 建立了主要设计参数与悬架力-位移特性之间关系的数学模型, 通过调试确定了具有高静态刚度和低动态刚度特性的悬架主要参数。加工了悬架样机并进行了静态和隔振性能试验。结果表明, 本文所设计的座椅悬架与传统线性悬架相比, 具有较好的低频隔振能力。

The authors have declared that no competing interests exist.

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