一种新型农用车辆减震座椅的设计

章丽萍，张培培，孟晓丽，席朦朦，李梦晗

（浙江农林大学工程学院，浙江 杭州 311300）

一种新型农用车辆减震座椅的设计

章丽萍，张培培，孟晓丽，席朦朦，李梦晗

（浙江农林大学工程学院，浙江 杭州 311300）

随着人们对人体健康逐渐重视，对农用车辆的舒适度进行改进显得迫不及待。本文充分考虑了振动幅度和动挠度两个方面，设计一种新型农用车辆减震座椅，采用阻尼可调减震器代替现在农用车辆广泛使用的一般阻尼不可调减震器，将单刚度弹簧改换成双螺旋弹簧，从而改善座椅系统的动态振动特性。

农用车辆减震座椅；阻尼可调减震器；双弹簧

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

引言

农用车辆的工作场所主要在田间，工作环境非常恶劣。由于车子发动机固有的振动特点、车辆悬架性能以及总是工作在恶劣的路况下，仅采用结构简陋的被动座椅悬架的农用车辆在工作时有强烈振动，使驾驶者长时间承受低频高强度振动。[1]长期在这种环境下工作，会对人的生理和心理产生不良影响，从而降低工作效率，甚至导致交通事故。农用车辆一般没有悬架机构，致使其平顺性较差，很容易引发身体上的一些职业性疾病，这样会严重影响司机的身心健康，将座椅悬架作为减振环节，是提高乘坐舒适性的最直接的方法。部分车辆选择在座椅上装上软垫，但是很容易产生共振，不能有效解决座椅震动。对 3-5Hz 范围的振动频率，座椅的软垫不能进行有效的减振[2]；而对于 1-2Hz 的低频振动，座椅的海绵软垫不但不能进行减振，甚至会起到对振动的放大作用[3]。

1、农用车辆座椅悬架现状

1.1 被动座椅悬架系统

目前广泛使用的被动座椅悬架系统如图1所示，座椅悬架系统安装于座椅的底部，由于两个起支撑作用的连杆呈剪刀形状布置，这种座椅具有较高的可靠性，通常设置在地面移动车辆上，座椅中的上限位缓冲块和下限位缓冲块分别限制座椅在垂直方向移动的最大位置，一般为橡胶材料。座椅架上安装有海绵软垫，可使臀部和背部具有合理的体力分布，另外软垫与座椅架之间安装有弹簧。[4]

被动悬架系统参数固定，并且参数的取值范围很小，操纵稳定性和行驶平顺性仍不够理想。在多变的环境中工作时，难以满足期望的目标，甚至仅行驶舒适性也得不到保证。

1.2 主动座椅悬架系统

为了达到国际标准化组织对农用车辆制订的一系列标准，提高驾驶与乘坐的舒适性，减小对长期驾驶车辆的人员的伤害，在目前国内外研究的主动和半主动减振座椅悬架中，电液、电气动主动减振系统的执行机构的控制，随着座椅运动状态的改变，进而做出相应的变化。由于座椅主动悬架系统要求座椅悬架系统的驱动机构反应速度快等特点，就必然将导致主动控制系统结构复杂，成本高，而且系统能量消耗大，抗干扰能力差，如果在主动控制失效的情况下，整个主动悬架系统控制就形同虚设，相当于被动悬架，甚至可能导致减振效果还不如被动悬架，这些情况就使得主动、半主动座椅悬架的使用受到了限制[5]，制约了其在车辆上应用的普及性。如图2所示，为电气动主动悬架减震座椅。

主动悬架系统耗能大，价格高，应用于农用车辆使农用车辆的价格迅速上升，甚至超出农民的可支配收入，加重农民的经济负担。目前主动悬架系统的控制器的参数等比较复杂。因此，有待研究出一种价格较低、减震效果较为理想的减震座椅。

2、新型农用车辆减震座椅设计

2.1 车辆运动微分方程

隔振减震座椅力学模型如图3所示。图中,M代表车身质量，K代表隔振弹簧刚度,C代表减振器阻尼系数。

运动微分方程：

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

2.2 双级复式螺旋弹簧总刚度计算

设主、副螺旋弹簧弹性特性都是线性的，刚度分别为C1、C2，副螺旋弹簧与支架开始接触时主螺旋弹簧的静绕度为fk。

座椅受小振动时仅主螺旋弹簧工作，其固有频率为

式中PO—座椅悬架负荷。

座椅受大幅振动时，主、副螺旋弹簧共同工作，这时固有频率为

式中PM—主、副螺旋弹簧总负荷。PM= P1+ P2，P1为大振动时主螺旋弹簧的负荷。P2为大振动时副螺旋弹簧的负荷。当副螺旋弹簧刚接触支架时，如用线性方法计算悬架的固有频率，其值会产生突变，负荷前、后的频率值N1、N2为

平顺性好要求固有频率变化小。一是整个负荷变化范围内频率的变化应最小；二是副螺旋弹簧接触支架前、后的频率突变不能太大。因座椅悬架大振动时需较好的平顺性，所

以应使副螺旋弹簧与前、后支架错开接触，使副螺旋弹簧前、后段的应力有所不同。

假设螺旋弹簧大振动时的固有频率与副螺旋弹簧接触支架前的相等，即NM=N1；螺旋弹簧小振动时的固有频率与副螺旋弹簧接触支架后的相等，即N0=N2。如图3即令，

代入式（5）中，解得

由式可见，Pk为P0和Pm的两点频率，令两对高、低频率分别相等。这样，副螺旋弹簧接触支架时的频率突变值与大、小振动时的频率差值相同，即

用这种方法确定的C1、C2及fk值，可使大、小振动载时的固有频率差值较小，但副螺旋弹簧接触支架前、后的频率突变较大。

主、副螺旋弹簧的负载分配计算：

式中P01、P02分别为小振动时主、副螺旋弹簧的负荷；P1、P2分别为大振动时主、副螺旋弹簧的负荷。

式中C1、C2—主、副螺旋弹簧刚度；Pm—大振动时主、副螺旋弹簧总载荷；Nm—大振动时主、副螺旋弹簧共同工作时固有频率。[7]

2.3 变阻尼系数阻尼器的设计

阻尼可调减震器在原减振器中使用空心连杆结构，通过设在连杆外部的调整机构（图5），驱动连杆内部针阀（图6），调节针阀阻尼孔大小，从而改变减振器阀系油液流通面积，改变阀系原有固定阻尼状态，调整减振器阻尼力，将人体受到的振动减到最小。

减振器正常时，弹簧将定位钢球压在定位螺栓槽内，调整杆被锁死，档位固定，调整机构锁定，针阀阀芯不动，阻尼孔流通面积固定，阻尼力不变化；旋转调整杆改变工作档位，定位钢球受力顶弹簧后退，取消锁定，调整杆转动，调到所需档位重新锁定。增加阻尼力时，转动调整杆驱动调整螺栓，调整螺栓在连杆中前进，通过芯杆推动阀芯前进阀芯前进进入阀座，针阀阻尼孔流通面积减少，与减振器阀系共同作用下，阻尼力增加；减少阻尼力时，调整螺栓在连杆中后退，芯杆带动阀芯后退，阀阻尼孔流通面积增大，与减振器阀系共同作用下，产生的阻尼力增加。阻尼力的变化与阀芯结构设计有关，不同的线性设计，能调节阻尼孔流通面积变化速率，导致不同的阻尼变化曲率，最终改变减振器外特性。[8]

2.4 新型减震座椅力学模型

车辆平顺性主要体现在振动幅度和经座椅传至人体的加速度。为了提高车辆的乘坐舒适性和安全性的同时保证结构简单、造价低，我们提出一种新型农用车辆减震座椅，如图7所示，采用阻尼可调减震器来代替目前农用车辆上普遍使用的一般减震器。此减震器通过改变减震器的阻尼孔，具有结构简单、成本不高和无噪音等特点,因此是目前发展的主要方向。当车辆的振幅发生变化时，通过改变阻尼孔的大小来改变阻尼系数，从而改变阻尼力，将人体受到的振动减到最小；用双螺旋弹簧代替一般单刚度弹簧，当车辆处于小振动状态时，仅主螺旋弹簧起减震作用，当车辆处于大振动状态时，主、副螺旋弹簧共同起作用，从而改善座椅系统的动态振动特性。同时，螺旋弹簧还能控制振动幅度，把人体受到的振动减小到所能承受的、甚至在长期情况下也不会影响身体健康的范围。这种座椅具备结构简单、成本低廉、性价比高的优点，它只需外界输入少量能量,就可以在较大的范围内实现对座椅悬架系统上减震器的阻尼器的阻尼系数和双螺旋弹簧的刚度进行适当的调节, 可保证车辆在多种工况下的缓冲减震效果，能在较大的振动范围内都能起到较好的减震作用等。

3、结论

本文通过改进减震器和弹性元件来提高农用车辆座椅的减振效果。建立车辆运动微分方程，运用改变减震器阻尼孔的大小来调节阻尼系数原理，设计阻尼可调减震器代替普遍使用的一般减震器，实现更好的减震效果。计算双级复式螺旋弹簧总刚度，通过用双螺旋弹簧代替一般单刚度弹簧，改善座椅悬架系统的动态振动特性。

[1] 叶雄兵,高文中,潘存治等. 基于磁流变阻尼器的座椅减振控制系统研究与设计[J]. 工程机械, 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] 张志勇. 半主动座椅悬架控制理论与实验研究[D]. 湖南大学2008.

[5] 万伟. 农用车辆磁流变半主动减振座椅的建模与仿真研究[D].华中农业大学 2012.

[6] 余志生. 汽车理论(第5版)[M]. 机械工业出版社 2009.

[7] 章炳芳. 双级复式钢板弹簧的设计计算[J]. 河海大学机械学院学报 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

章丽萍，就职于浙江农林大学工程学院。