一種新型農用車輛減震座椅的設計

章麗萍，張培培，孟曉麗，席朦朦，李夢晗

（浙江農林大學工程學院，浙江 杭州 311300）

一種新型農用車輛減震座椅的設計

章麗萍，張培培，孟曉麗，席朦朦，李夢晗

（浙江農林大學工程學院，浙江 杭州 311300）

隨著人們對人體健康逐漸重視，對農用車輛的舒適度進行改進顯得迫不及待。本文充分考慮了振動幅度和動撓度兩個方面，設計一種新型農用車輛減震座椅，采用阻尼可調減震器代替現在農用車輛廣泛使用的一般阻尼不可調減震器，將單剛度彈簧改換成雙螺旋彈簧，從而改善座椅系統的動態振動特性。

農用車輛減震座椅；阻尼可調減震器；雙彈簧

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

引言

農用車輛的工作場所主要在田間，工作環境非常惡劣。由于車子發動機固有的振動特點、車輛懸架性能以及總是工作在惡劣的路況下，僅采用結構簡陋的被動座椅懸架的農用車輛在工作時有強烈振動，使駕駛者長時間承受低頻高強度振動。[1]長期在這種環境下工作，會對人的生理和心理產生不良影響，從而降低工作效率，甚至導致交通事故。農用車輛一般沒有懸架機構，致使其平順性較差，很容易引發身體上的一些職業性疾病，這樣會嚴重影響司機的身心健康，將座椅懸架作為減振環節，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，但是很容易產生共振，不能有效解決座椅震動。對 3-5Hz 范圍的振動頻率，座椅的軟墊不能進行有效的減振[2]；而對于 1-2Hz 的低頻振動，座椅的海綿軟墊不但不能進行減振，甚至會起到對振動的放大作用[3]。

1、農用車輛座椅懸架現狀

1.1 被動座椅懸架系統

目前廣泛使用的被動座椅懸架系統如圖1所示，座椅懸架系統安裝于座椅的底部，由于兩個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，通常設置在地面移動車輛上，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]

被動懸架系統參數固定，并且參數的取值范圍很小，操縱穩定性和行駛平順性仍不夠理想。在多變的環境中工作時，難以滿足期望的目標，甚至僅行駛舒適性也得不到保證。

1.2 主動座椅懸架系統

為了達到國際標準化組織對農用車輛制訂的一系列標準，提高駕駛與乘坐的舒適性，減小對長期駕駛車輛的人員的傷害，在目前國內外研究的主動和半主動減振座椅懸架中，電液、電氣動主動減振系統的執行機構的控制，隨著座椅運動狀態的改變，進而做出相應的變化。由于座椅主動懸架系統要求座椅懸架系統的驅動機構反應速度快等特點，就必然將導致主動控制系統結構復雜，成本高，而且系統能量消耗大，抗干擾能力差，如果在主動控制失效的情況下，整個主動懸架系統控制就形同虛設，相當于被動懸架，甚至可能導致減振效果還不如被動懸架，這些情況就使得主動、半主動座椅懸架的使用受到了限制[5]，制約了其在車輛上應用的普及性。如圖2所示，為電氣動主動懸架減震座椅。

主動懸架系統耗能大，價格高，應用于農用車輛使農用車輛的價格迅速上升，甚至超出農民的可支配收入，加重農民的經濟負擔。目前主動懸架系統的控制器的參數等比較復雜。因此，有待研究出一種價格較低、減震效果較為理想的減震座椅。

2、新型農用車輛減震座椅設計

2.1 車輛運動微分方程

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

運動微分方程：

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

2.2 雙級復式螺旋彈簧總剛度計算

設主、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主螺旋彈簧的靜繞度為fk。

座椅受小振動時僅主螺旋彈簧工作，其固有頻率為

式中PO—座椅懸架負荷。

座椅受大幅振動時，主、副螺旋彈簧共同工作，這時固有頻率為

式中PM—主、副螺旋彈簧總負荷。PM= P1+ P2，P1為大振動時主螺旋彈簧的負荷。P2為大振動時副螺旋彈簧的負荷。當副螺旋彈簧剛接觸支架時，如用線性方法計算懸架的固有頻率，其值會產生突變，負荷前、后的頻率值N1、N2為

平順性好要求固有頻率變化小。一是整個負荷變化范圍內頻率的變化應最小；二是副螺旋彈簧接觸支架前、后的頻率突變不能太大。因座椅懸架大振動時需較好的平順性，所

以應使副螺旋彈簧與前、后支架錯開接觸，使副螺旋彈簧前、后段的應力有所不同。

假設螺旋彈簧大振動時的固有頻率與副螺旋彈簧接觸支架前的相等，即NM=N1；螺旋彈簧小振動時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的兩點頻率，令兩對高、低頻率分別相等。這樣，副螺旋彈簧接觸支架時的頻率突變值與大、小振動時的頻率差值相同，即

用這種方法確定的C1、C2及fk值，可使大、小振動載時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、副螺旋彈簧的負載分配計算：

式中P01、P02分別為小振動時主、副螺旋彈簧的負荷；P1、P2分別為大振動時主、副螺旋彈簧的負荷。

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

2.3 變阻尼系數阻尼器的設計

阻尼可調減震器在原減振器中使用空心連桿結構，通過設在連桿外部的調整機構（圖5），驅動連桿內部針閥（圖6），調節針閥阻尼孔大小，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，調整減振器阻尼力，將人體受到的振動減到最小。

減振器正常時，彈簧將定位鋼球壓在定位螺栓槽內，調整桿被鎖死，檔位固定，調整機構鎖定，針閥閥芯不動，阻尼孔流通面積固定，阻尼力不變化；旋轉調整桿改變工作檔位，定位鋼球受力頂彈簧后退，取消鎖定，調整桿轉動，調到所需檔位重新鎖定。增加阻尼力時，轉動調整桿驅動調整螺栓，調整螺栓在連桿中前進，通過芯桿推動閥芯前進閥芯前進進入閥座，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，調整螺栓在連桿中后退，芯桿帶動閥芯后退，閥阻尼孔流通面積增大，與減振器閥系共同作用下，產生的阻尼力增加。阻尼力的變化與閥芯結構設計有關，不同的線性設計，能調節阻尼孔流通面積變化速率，導致不同的阻尼變化曲率，最終改變減振器外特性。[8]

2.4 新型減震座椅力學模型

車輛平順性主要體現在振動幅度和經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保證結構簡單、造價低，我們提出一種新型農用車輛減震座椅，如圖7所示，采用阻尼可調減震器來代替目前農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，具有結構簡單、成本不高和無噪音等特點,因此是目前發展的主要方向。當車輛的振幅發生變化時，通過改變阻尼孔的大小來改變阻尼系數，從而改變阻尼力，將人體受到的振動減到最小；用雙螺旋彈簧代替一般單剛度彈簧，當車輛處于小振動狀態時，僅主螺旋彈簧起減震作用，當車輛處于大振動狀態時，主、副螺旋彈簧共同起作用，從而改善座椅系統的動態振動特性。同時，螺旋彈簧還能控制振動幅度，把人體受到的振動減小到所能承受的、甚至在長期情況下也不會影響身體健康的范圍。這種座椅具備結構簡單、成本低廉、性價比高的優點，它只需外界輸入少量能量,就可以在較大的范圍內實現對座椅懸架系統上減震器的阻尼器的阻尼系數和雙螺旋彈簧的剛度進行適當的調節, 可保證車輛在多種工況下的緩沖減震效果，能在較大的振動范圍內都能起到較好的減震作用等。

3、結論

本文通過改進減震器和彈性元件來提高農用車輛座椅的減振效果。建立車輛運動微分方程，運用改變減震器阻尼孔的大小來調節阻尼系數原理，設計阻尼可調減震器代替普遍使用的一般減震器，實現更好的減震效果。計算雙級復式螺旋彈簧總剛度，通過用雙螺旋彈簧代替一般單剛度彈簧，改善座椅懸架系統的動態振動特性。

[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研究與設計[J]. 工程機械, 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. 半主動座椅懸架控制理論與實驗研究[D]. 湖南大學2008.

[5] 萬偉. 農用車輛磁流變半主動減振座椅的建模與仿真研究[D].華中農業大學 2012.

[6] 余志生. 汽車理論(第5版)[M]. 機械工業出版社 2009.

[7] 章炳芳. 雙級復式鋼板彈簧的設計計算[J]. 河海大學機械學院學報 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，就職于浙江農林大學工程學院。