工程车辆人体—座椅振动特性及座椅悬置系统参数优化匹配的研究

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工程车辆对承载能力要求较高,行驶和作业条件相对恶劣,其底盘悬架系统设计偏硬,缓冲减振效果不明显,路面不平激励引起的驾驶室振动尤为严重。座椅悬置系统能有效衰减驾驶室地板传给乘员的振动和冲击,并且不会影响车辆其它的行驶性能,在工程车辆座椅上得到广泛应用。然而,人体和座椅是个相互耦合的复杂系统,由于选取的人体模型不够精确或人体参数不合适,使得座椅悬置参数(刚度和阻尼)很难达到合理匹配。受非均布载荷下节流阀片变形及油液非线性节流损失计算等关键问题制约,目前主要采用试验和仿真的手段对座椅减振器进行近似设计,尚未给出准确、可靠的座椅减振器主动设计方法。本文针对工程车辆座椅悬置系统参数优化匹配及座椅减振器设计存在的问题进行了研究,具体研究工作如下:(1)根据人体-座椅三自由度垂向振动模型,基于实车行驶试验获取的频响特性数据,运用最小二乘法建立了人体-座椅等效参数辨识的数学模型,借助Matlab非线性优化函数识别出模型的全部等效参数;通过建立人体-座椅Simulink仿真模型,代入辨识的等效参数,以采集的地板加速度作为输入,将仿真得到时域和频域的座椅加速度分别与实测值进行对比分析,验证所建模型的精度,辨识方法和结果可靠性。(2)以悬置限位行程、座椅系统固有频率和阻尼比为约束条件,座椅加权加速度均方根值和悬置动扰度均方根值最小为优化目标,建立了悬置参数优化模型;将人体及座垫等效参数视为不确定量,悬置参数作为优化变量,采用优化拉丁方试验设计拟合出Kriging近似模型;基于近似模型,利用改进的NSGA-Ⅱ算法对悬置参数进行多目标优化,通过比较优化前、后座椅加速度和悬置动扰度对优化结果进行验证。(3)运用弹性力学知识,建立了座椅减振器环形节流阀片受非均布压力时的变形数学公式;利用阀片变形数学公式,座椅减振器分段线性速度特性,开阀前、后孔和缝隙的油液流量与节流压力间的关系,建立了基于黄金分割速度点的座椅减振器常通节流孔面积、厚度、预置变形等阀系参数的主动设计数学模型及方法。在振动试验台上对座椅减振器样件的外特性进行测试,结果表明减振器的设计方法是准确的;通过行驶试验对优化匹配后座椅悬置样机性能进行测试,结果显示匹配后的乘坐舒适性和操作简便性均得到改善,验证了优化结果的有效性。该研究对于工程车辆座椅系统舒适性的开发和设计,有着重要的理论意义和实际应用价值。
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