多自由度并联式减振平台的设计.doc

2013-2014 学年 第一学期 中国矿业大学科研创新设计论文中国矿业大学科研创新设计论文 题目：多自由度并联式减振平台的设计题目：多自由度并联式减振平台的设计 学 院：机电工程学院 专 业：机械设计及自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2013 年 12 月 2 目目 录录 1 1 选题的背景和意义选题的背景和意义3 3 2 2 国内外研究现状及存在的问题国内外研究现状及存在的问题4 4 2.12.1 国内外研究现状国内外研究现状4 2.1.12.1.1 被动座椅悬架被动座椅悬架4 2.1.22.1.2 半主动座椅悬架半主动座椅悬架6 2.1.32.1.3 主动座椅悬架主动座椅悬架7 2.22.2 存在问题存在问题 9 3 3 课题研究的内容与方法课题研究的内容与方法9 9 3.13.1 三维座椅减振平台的主体结构三维座椅减振平台的主体结构9 3.23.2 三维座椅减振平台的运动学分析三维座椅减振平台的运动学分析.10 3.2.13.2.1 机构的自由度计算机构的自由度计算.10 3.2.23.2.2 位置逆解分析位置逆解分析.11 3.2.33.2.3 机构的机构的 JacobianJacobian 矩阵分析矩阵分析 .11 3.33.3 三维座椅减振平台的工作空间分析三维座椅减振平台的工作空间分析.11 3.43.4 三维座椅减振平台的奇异位形分析三维座椅减振平台的奇异位形分析.11 3.53.5 三维座椅减振平台的三维座椅减振平台的灵巧度分析灵巧度分析.12 3.63.6 三维座椅减振平台的三维座椅减振平台的尺寸优化尺寸优化.12 3.73.7 三维座椅减振平台的三维座椅减振平台的振动分析振动分析.13 3.83.8 三维座椅减振平台的三维座椅减振平台的阻尼控制系统阻尼控制系统.14 4 4 预期成果预期成果1515 5 5 论文结构安排论文结构安排1616 6 6 进度安排进度安排1717 7 7 参考文献参考文献1717 3 1 选题的背景和意义选题的背景和意义 高强度的全身振动会对人体的腰椎、脊柱、胃和肾脏等器官造成伤害，而 最易遭受这种振动伤害的是车辆的驾驶员。汽车在作业和行驶过程中产生强烈 的振动，致使驾驶员长时间承受低频(28Hz)高强度的乘坐振动，从而引发脊 椎畸变、胃病等职业性疾病，严重地损害驾驶员的身心健康，降低工作效率。 为了改善驾驶员的乘坐环境，国际标准化组织自 1974 年制订了国际标准 ISO2631人体承受全身振动的评价指南后，又相继制订了一系列针对机械 的标准，这些标准对驾驶员所承受振动的测量方法和评价体系做出了具体的规 定。为了满足这些标准中车辆乘坐舒适性提出的要求，改善驾驶员的乘坐环境， 人们一直在尝试从车辆的轮胎、底盘悬架、发动机悬置、驾驶室悬置和座椅等 各个环节寻找解决问题的方案。 研究发现，降低轮胎气压，减小轮胎的垂向刚度对提高车辆的乘坐舒适性 具有一定的作用。但综合考虑其它因素，这种方法在实际中并不可取：因为轮 胎气压的降低会增大轮胎的变形，导致轮胎滚动阻力增加，在轮胎内部产生大 量的热量，从而降低轮胎的使用寿命。采用发动机悬置对车辆乘坐舒适性的改 善效果也不显著。对车辆的驾驶员来说，振动伤害主要来自粗糙地面引起的低 频大振幅振动，而不是由发动机产生的高频振动。理论分析和工程实践表明对 这些载重量大、作业和行驶于恶劣环境中的车辆来说，提高其乘坐舒适性的最 可行的方法是在底盘、驾驶室或座椅上装备弹性悬架。国内外在这方面的尝试 一直没有停止过，并已有部分研究成果应用于生产实际。美国的 JohnDeere 司 不仅在前轴上采用油气悬架，还在驾驶室与后轴之间装备了油气悬置；意大利 Carraro 公司、德国 Fendt 公司和柏林工业大学等单位相继研制了半主动悬架 系统；半主动控制的空气弹簧也已被应用到驾驶室悬置和座椅悬架中。 上述技术方案对改善车辆的乘坐舒适性具有显而易见的效果，但其是以高 成本为代价的。在底盘或驾驶室上装备悬架系统，其效果在一定程度上优于座 椅悬架，但前者的成本远高于后者；而且对于车辆来说，由于其特殊的底盘结 构和有限的悬架布置空间，在底盘上装备悬架存在着一定的困难。比较而言， 4 采用座椅悬架提高车辆的乘坐舒适性是最为简单直接和经济的方法。所以，深 入研究驾驶员座椅悬架系统，采用切实可行的技术措施，隔离由于地面激励而 引起的通过车辆底盘和座椅传递到人体的振动，是提高车辆乘坐舒适性的一个 重要而实际的课题。 2 2 国内外研究现状国内外研究现状及存在的问题及存在的问题 2.12.1 国内外研究现状国内外研究现状 车辆在行驶过程中由于路面不平引起上下颠簸，在制动时引起车体前后振 动, 在汽车拐弯转向时引起车体左右振动，这些振动综合起来可视为三维 x 、y、z 方向的振动。目前有关座椅的多维减振的方法还不多见，徐晓美等研究 了一种剪式座椅的振动特性，姚为民等研究了空气悬挂式座椅的减振特性，刘 会英等研究了人体座椅系统的主动振动控制系统模型，但上述研究均只考虑了 垂直方向车辆振动的影响。还有一种救护车用三维防振架，采用机械多层单自 由度减振装置，分层各自实现独立方向的减振，结构十分复杂由于并联机构是 一种多输入和多输出的多自由度系统，假设并联机构平台受到多维振动激励， 在并联机构运动输入的原动件处装配可控的弹性阻尼减振系统，整个机构即可 实现多方向的多自由度减振效果。基于并联机构的运动特点，这种多维减振平 台具有结构紧凑、承载能力大、控制精度高、能够满足多种多维减振场合的需 求，如陈修祥等就提出采用多自由度的并联机构实现车载设备的多维振动控制。 近年来基于 Stewart 并联机构的 6 自由度振动控制研究比较活跃，但针对少自 由度的多维减振研究较少，对于车载座椅等少于六维的空间耦合振动，若采用 上述装置则显得装置复杂、成本高，且会导致多余的非期望振动出现，为此， 必须研究按实际所需减振维数的多维减振装置。车辆座椅的动态舒适性与座椅 及人体的振动特性密切相关。研究表明: 座椅的共振频率一般在 2 4 H z 左右， 人体的振动响应分布在低频 30 Hz 以下，4 8 Hz 是人体对垂直方向振动的最敏 感区域，此时身体各部分容易产生共振。因此，提高座椅动态舒适性的原则就 是合理地选择(或控制)弹性和阻尼参数，避开人体最敏感频段，同时尽量吸收 振动能量。无论是被动、主动、半主动型座椅悬架都是按照上述原则设计和控 制。本文按照被动型、半主动型、主动型 3 种座椅悬架的分类详细地介绍座椅 5 悬架的研究进展。 2.1.12.1.1 被动座椅悬架被动座椅悬架 被动座椅悬架如图 1 所示，其内部无能源供给装置，其弹性和阻尼系数按 经验或优化设计的方法确定，参数确定后不随外部状态而变化。被动座椅悬架 的研究集中在悬架参数的测定、分析、优化等方面，并且以悬架弹性特性研究 为主。已有研究包括对拖拉机、工程机械、货车等车辆的被动座椅悬架进行优 化设计、分析、测试和评价，把悬架刚度设计成非线性弹性特性以弥补线性特 性的缺陷， 增加适应能力。例如高爱云等对非线性座椅悬架的动态参数进行了 优化，他们以传给人体的加速度均方根值最小为优化目标，用 9 次奇次多项式 表示非线性弹性特性力，采用随机方向法进行优化得到了最优的多项式系数， 采用优化后的动态参数制成的新座椅经实验测试隔振能力提高 40% 左右。 具有代表性的非线性弹性特性实现方法有：采用变螺距、变直径、变螺旋 角螺旋弹簧，采用组合弹簧及磁力弹簧等。另外一种实现非线性弹性的方法是 通过悬架机构设计来实现, 德国 Grammer 公司(其座椅悬架参见图 2)、英国 Bostrum 公司、我国河南科技大学等研究了用水平线性拉簧和凸轮、挤压滚轮、 曲面板配合, 借助机构运动关系实现非线性弹性特性。 图 1 被动座椅悬架 6 总体来说，被动座椅悬架通过设计成非线性弹性特性等方法，隔振效果有 较大改进，且对工况适应能力有所提高，但刚度和阻尼不能实时调节，其隔振 效果还达不到最佳，因此座椅悬架研究逐渐转向刚度和阻尼实时可调的半主动、 主动座椅悬架。 2.1.22.1.2 半主动座椅悬架半主动座椅悬架 半主动悬架由可控的阻尼元件(减振器)和弹簧组成，参见图 3，其无动力源 且通常只能调节阻尼力。早在 1973 年, 美国的 Crosby 和 Karnopp 首先提出半 主动悬架的概念。随着智能材料和电子控制技术的发展,半主动座椅悬架及其控 制技术的研究逐渐兴起并取得了较大进展。S.B.Choi 和 J.H.Choi 等研究了基 于电流变液( ER )阻尼器半主动座椅悬架,建立了阻尼器的宾汉姆模型并采用滑 模控制方法，基于整车模型的仿真表明该座椅悬架具有较好的减振效果，但是 电流变需要高压电源( 2 5 kV )，因此实际应用比较困难。磁流变液具有良好的 可控性能和力学性能，和电流变液相比，其屈服强度高( 50 100 kPa)、驱动电 压低( 2 25 V )，因而具有极高的应用价值。基于磁流变的半主动悬架逐渐成为 座椅隔振研究的热点。 图 2 凸轮控制的非线性弹性座椅悬架 7 Carlson 等研究用于货车座椅的可控磁流变液减振器，使座椅振幅降低程 度最大达到 50%。2002 年 Lord 公司研究开发了磁流变液阻尼器及基于该阻尼器 的汽车磁流变半主动座椅悬架 MotionMaster。该系统由磁流变阻尼器和集成位 移传感器的控制器组成, 如图 4 所示。实验测试表明该系统可以有效降低 40% 的振动和 49% 的冲击。Choi 和 Wereley 对磁流变半主动座椅悬架在振动和冲击 载荷下的人体反应进行了研究。Song 和 Ahmadian 等对磁流变座椅采用了非线 性自适应控制算法, 并对其参数选取进行了仿真分析。 以上研究表明, 基于磁流变技术的半主动悬架能够对座椅阻尼力实施控制, 不仅能量消耗较低，而且结构简单、成本低廉、可靠性高，具有较好应用前景。 图 3 半主动型座椅悬架 图 4 M otionM aster 系统及其部件 8 2.1.32.1.3 主动座椅悬架主动座椅悬架 主动座椅悬架可以采取两种形式，一种是在被动悬架中附加一个产生可控 制作用力的装置,参见图 5，该装置的执行机构一般是液压缸或电动滚珠丝杠等 力发生器，其可根据路面状况，借助控制算法实时调节悬架的刚度和阻尼，使 其处于最佳减振状态。另一种形式不用弹簧和固定阻尼,只采用可控力发生器连 接。 图 5 主动型座椅悬架 Stein 等对电液式主动驾驶员座椅悬架进行了系统的研究。McCormac 等人 基于电液作动器搭建了双轴式主动座椅悬架系统。Johnson 则建立了一种用于 减小驾驶员背部损伤的电液式主动式驾驶员座椅悬架系统。Kawana 等研究了基 于电动伺服马达和滚珠丝杠的主动座椅悬架系统,该系统用于重型卡车,实验结 果表明座椅悬架上板加速度加权平均值降低接近 50% 。Guclua 和 Gulezb 则采 用永磁同步马达构建了主动座椅悬架。刘会英等建立了包括主动作动器的人体 座椅六自由度模型并给出了前馈型自适应控制策略,曹君等探讨了座椅主动悬架 的鲁棒控制方法，张红新等提出了用于主动座椅的电致作动器。总体来看，主 动悬架属于力控制，需要直接提供控制力的能源, 耗能大、结构和控制技术较 复杂, 成本较高，这些缺点限制了其在座椅上的应用。 综上所述，被动座椅悬架的研究集中在参数优化和非线性弹性设计方面， 主要通过调节弹性参数设定频率来实现有效隔振，悬架参数不能实时调节，因 此减振效果相对差些。半主动座椅悬架通过实时调节阻尼来实现最佳减振，隔 9 振效果相对被动悬架有较大提升。主动座椅悬架通过力控制实现对弹性与阻尼 的联合调节，效果最好, 但能耗大、成本高。目前来看半主动座椅悬架具有更 好应用前景， 但是其缺点是只采用单一变阻尼方法，采用刚度和阻尼联合调节 有可能会较大改善隔振效果。 2.22.2 存在问题存在问题 1、多年来，人们曾采用特殊橡胶或塑料以期能达到多自由度减振的目 的,但遗憾的是它们易老化,失去原来特性。 2、若采用常规单自由度弹性阻尼减振装置，则需要多层结构组合，才 能达到多自由度减振的目的，这种装置为了达到相互不干涉，势必 使结构复杂。 3、基于 6 自由度并联减振平台结构已有初步研究，少自由度并联减振 装置的系统研究刚刚开始，但应用于车辆座椅多维振动要求的少自 由度减振座椅未见报道。 4、长期以来由于普通车辆座椅的减振装置设计比较简单，主要以简单 X 结构为主，其仅能完成竖直方向的减振，而对其他方向的振动则 是束手无策。 因此如果能够设计出一种可以完成多维隔振的减振装置，能够减弱多个方 向的振动，那么这个装置一定具有十分重要的研究意义及应用前景。 3 3 课题研究的内容与方法课题研究的内容与方法 针对以上所分析的现状及问题，结合已有的并联减振平台，本文针对三维 减振平台进行分析研究, 采用并联机构作为减振平台的主体机构, 从三维减振 平台机构以下几个方面进行分析研究。 3.13.1 三维座椅减振平台的主体结构三维座椅减振平台的主体结构 车载座椅的三维减振平台采用一个 3-PRRP(4R)并联机构和弹性阻尼装置组 成,并联机构由上下平台和 3 个单开链组成,每个单开支链均由单自由度的移动 副或转动副组成,上平台与座椅相连,它相对于下平台可产生 x 、y、z 3 个方向 10 的平移,在主动移动 P 副处安装弹性阻尼减振器,这里采用空气弹簧可调黏滞阻 尼器,通过设计弹簧刚度可调整系统的固有频率,通过可调阻尼器消耗车辆振动 冲击的能量来实现减振。考虑机构设计的对称性, 3 个支链对称布置,且结构参 数相同。座椅三维减振平台简图见图 6。这种结构的优越性是, 它克服了各转 动副的间隙及累加误差,可提高减振平台的灵敏度; 可有利于各副恢复原来平衡 位置状态, 有利于减振的衰减。 图 6 座椅三维减振平台简图 3.23.2 三维座椅减振平台的运动学分析三维座椅减振平台的运动学分析 多自由度并联机构属于空间多环机构，因此，建立并联机构动力学方程就 是一个复杂而困难的工作。 3.2.13.2.1 机构的自由度计算机构的自由度计算 该机构中,由于与动平台相连的平行四杆机构存在虚约束, 故计算自由度时 应去掉平行四杆中平行的杆及其两端的两个转动副, 机构的自由度计算采用Kut zbachGrubler 公式, 即 6 ) 1( 1 d fgndM g i i 式中, d 为机构阶数; 为机构公共约束数目; n 为构件数; g 为运动副 11 数; 为第 i 个运动副的相对自由度数。 i f 3.2.23.2.2 位置逆解分析位置逆解分析 运动学的逆解是在给定了已知的满足某工作要求，机构参数确定的情况下， 求解对应的各关节转角。在下平台和上平台的形心分别建立固定参考系和动参 考,取机构的单开链进行分析, 在杆长、动静平台半径已知的情况下，逆解出相 应关节的转角。 3.2.33.2.3 机构的机构的 JacobianJacobian 矩阵分析矩阵分析 Jacobian 矩阵是机器人学中的一个重要概念,它反映了机器人操作空间和 关节空间之间的映射关系。机器人的许多性能指标如工作空间分析、可操作性 度量、奇异性分析等都是通过 Jacobian 矩阵来分析计算的,同时它也是轨迹规 划、刚度和运动精度等的计算依据。通过 Jacobian 矩阵可以描述了机构的几何 特征。 3.3 三维座椅减振平台的工作空间分析三维座椅减振平台的工作空间分析 工作空间是指操作器末端端点所能达到的空间点的集合,它是衡量机器性能 的重要指标之一。由于该并联机构能够实现三维平动,故动平台相对静平台的姿 态是固定的,所以该并联结构的可达工作空间和灵活工作空间是重合的。 并联机构的工作空间分析依赖于机构位置逆解,通过位姿逆解可求出各关节 变量,然后判定这些关节变量是否满足约束条件,可搜索出机构的工作空间。该 并联机构的关节变量主要应满足以下约束条件: (1)驱动杆长的约束。驱动杆是机构的主动件, 驱动杆的伸长范围越大则机 构的工作空间也越大,但是该减振平台的驱动杆伸缩范围有确定的极限值,根据 主动副的行程及长度,计算出这里每个驱动杆的位移范围。 (2) 转动副转角的约束。由于受机构运动和结构安装的限制,同时也考虑到 机构运动过程中连杆转动角的影响,机构中转动副应有一定的转动范围。 最后在 MATLAB 中通过坐标搜索,得到该并联机构的工作空间。 3.4 三维座椅减振平台的奇异位形分析三维座椅减振平台的奇异位形分析 奇异位形，也称特殊位形，是机构的固有性质也是机器人机构的一个十分 重要的运动学特性，机器人的运动、受力、控制以及精度等诸方面的性能都与 12 机构的奇异位形密切相关。因此有必要对并联机构的奇异位形做更深入的研究， 以减少和消除奇异位形的影响，进一步提高并联机构的性能，促进并联机构的 实用化和产品化的发展。奇异位形是并联机器人机构学研究的一项重要内容， 同串联机器人一样，并联机器人也存在奇异位形，当机构处于奇异位形时其 Jacobian 矩阵为奇异阵，行列式值为零，此时机构速度反解不存在，存在某些 不可控的自由度。另外当机构处于奇异位形附近时，关节驱动力将趋于无穷大 从而造成并联机器人的损坏，因此在设计和应用并联机器人时应避开奇异位形。 由于并联机构在奇异位形位置时会使机构刚度丧失以及自由度发生变化、 动力学性能恶化等,在设计和应用减振平台时其工作位置应尽量避开奇异位形位 置。有学者在研究了一般并联机构的奇异位形问题后,根据 Jacobian 矩阵行列 式方程的不同形式,提出了三种类型的奇异位形,即边界奇异、构形奇异和位形 奇异。由于并联机构的 Jacobian 矩阵是机构位姿的函数,Jacobian 矩阵的奇 异性分析是非常复杂的,这里通过 MA TLAB 的工作空间搜索,直接寻求满足 det J = 0 的点,如果是在工作空间内没有找到 Jacobian 矩阵奇异的点,表明该 并联机构在可达的工作空间中均不存在奇异点。 3.5 三维座椅减振平台的三维座椅减振平台的灵巧度分析灵巧度分析 由于减振需要,要求平台机构在正向运动和反向运动中均不自锁,具有较高 的传动效率,因此该减振平台应具有较好的操作灵活性。并联机构的灵活度是通 过条件数、可操作度、最小奇异值等指标反映的,其中 Jacobian 矩阵 J 的条件 数被认为是最适合评价操作性能的指标, 并可定义为： min max Jk 其中, 若 J 为非奇异阵,则为 J 谱范数的最大奇异值, 为谱范数的 max min 1 J 最小奇异值.从 3- PRRP( 4R) 并联机构的工作空间取减振样机平台的工作平衡 位置, 即 z P 为 320mm 时分析机构的运动灵活度。通过坐标搜索,在机构的可 达工作空间内计算其雅可比矩阵的条件数。该条件数在工作截面上的分布,可以 看出机构的条件数的范围,其中在中间位置的机构条件数最小,即意味着机构在 13 中心处的灵活度最好,越远离中心则灵活度越差。 3.6 三维座椅减振平台的三维座椅减振平台的尺寸优化尺寸优化 并联机构的工作空间比较复杂,且其随着结构参数的变化而变化,通常只能 通过空间搜索得到工作的边界,考虑到该减振平台一般主要工作在平衡位置,同 时注意到垂直方向的位置改变并不改变该机构的 Jacobian 矩阵。首先分析机构 上下平台的结构参数对机构运动特性的影响。保持动平台半径 r 不变,改变下 平台的半径 R,计算机构在工作平面上条件数的平均值,通过在 MAT LAB 中计算 搜索, 得到平均条件数随下平台半径 R 的变化图。随着静平台半径 R 的增大, 平均条件数逐渐减小,机构的操作灵活性增大,但同时机构的总体尺寸亦随之增 大。其次分析连杆尺寸对机构运动特性的影响。若保持机构上下平台的参数不 变,改变连杆的尺寸,并分别计算在平台工作平面的平均条件数,得到平均条件数 随杆长的变化图。机构的操作性能随连杆尺寸的减小而增大,但在减小连杆尺寸 的同时机构的工作空间亦随之减小。 设计中,我们希望机构的结构参数在能使平台达到规定的工作空间要求的前 提下,尽可能地使整个并联机构具有更好的操作运动灵活性,同时具有较小的机 构总体尺寸。因此以机构的结构参数为设计变量,取 X=(R/r,l/r,d/r ),其中设 计变量参数取为量纲一形式,动平台半径 r 相对不变。取工作平面的平均条件数 最小为目标函数,以一定的工作空间和结构尺寸( R、r)为约束条件,同时考虑到 运动副的约束,通过在 MATLAB 中进行全局搜索,得到机构的最优尺寸。在减振平 台的设计中,要求动平台至少在 x、y 方向具有15mm 左右的位移空间,平台上 下行程在 120 180mm 之间,下平台直径不超过 360mm,以方便车辆座椅的安装。 通过上述的全局优化搜索方法得到的机构结构设计参数,得出工作空间在工作平 面的投影图，看看是否满足减振平台的设计要求。 3.7 三维座椅减振平台的三维座椅减振平台的振动分析振动分析 在实际的问题应用中,对车辆座椅来说主要关心其减振性能,特别是由于路 面不平度引起的车辆随机激励下的振动特性。以图 6 所示的减振平台的动平台 为研究对象,不计各杆件质量,取 X = (xP,yP,zP)为广义坐标,列出系统的运动 微分方程。这里主要考虑在系统的静力平衡位置,此时动平台在承载后产生垂直 方向的位移,但不影响机构的 Jacobian 矩阵。列出系统参数在 MATLAB 中建立 14 多维随机激励下振动响应的 Simulink 仿真模型,其中增益 K 用来设置 3 个方 向的激励, 并同时施加 3 个方向的随机激励。在示波器中可求得动平台加速度 响应。图 11 所示为垂直 z 方向的响应, 经过运动变换还可求得主动副的输出, 最后 MATLAB 中求得系统在随机激励下的动平台 3 个方向的振动频率响应函数。 3.83.8 三维座椅减振平台的三维座椅减振平台的阻尼控制系统阻尼控制系统 三维座椅减振平台的阻尼控制系统可以根据不同的驾驶条件选择最优化的 悬架系统阻尼比(阻尼力)。阻尼控制系统的功能是实时监测车辆运动状况，如 车辆转弯时的侧倾和车辆制动时的前倾等，调节减振平台的阻尼，防止因路面 激励而引起的振动。 阻尼控制系统主要包括三部分，阻尼控制装置(执行器)、传感器和控制单 元。系统根据各种运行条件，确定最优阻尼力范围，以改进驾乘舒适性和操纵 稳定性。 (1)传感器 超声波路面传感器：该系统配置有超声波路面传感器，以实时监测路面情 况，为有效调整悬架阻尼力提供实时信息。超声波路面传感器，安装在车辆前 端，工作原理如图 7 所示。该传感器包括一个发射器和一个接收器。控制单元 发送脉冲触发发射器发送超声波并开始计时，超声波信号到达路面后返回接收 器，控制单元可以得到接收器收到信号的时刻。则传感器距路面高度 h 为： 15 图 7 超声波路面传感器工作原理 Cth 2 1 式中，t 为发射到接收的时间；C 为声波速度。超声波路面传感器到路面的 距离会随路面的起伏而变化，由此可以对路面状况做出判断。 压电效应传感器：安装在阻尼器内，路面的起伏变化使得压电效应传感器 产生与路面起伏方向相一致的电信号，从而使控制系统能够对路况作出判断。 (2)执行器 系统的每一个座椅均配置一个执行器(压电式减震器)，以尽可能快地调节阻 尼力的大小。压电式减震器由利用压电效应工作的压电传感器，利用逆压电效 应工作的压电执行器和阻尼变换器三个部分组成，阻尼变换器由活塞、挺杆和 阻尼阀组成。压电执行器安装于阻尼器的柱塞杆内。当高电压(500V)加在压电 执行器两端时，5ms 时间内该执行器可膨胀约 50um。由于逆压电效应，这种膨 胀导致活塞销由移动式液压偶件单元推出，活塞销向下移动打开阻尼力开关阀 的旁路，根据旁路流通截面积的不同，执行器动作产生的阻尼力可以有软模式、 中间模式和硬模式三种，分别对应悬架系统的不同阻尼值，软模式的阻尼最小， 硬模式的最大。 (3)控制系统 控制单元可以根据汽车低频部件和高频部件振动幅值的大小，判断路面条 件，以选择合适的阻尼力控制模式。路面条件判断逻辑如表 1 所示。 表 1 路面条件判断逻辑 4 4 预期成果预期成果 (1) 提出采用一种并联机构作为车辆座椅的三维减振平台,运动学分析表明 16 该三维减振平台可实现空间三平移运动,从而满足座椅的三维减振要求,另外, 三维减振平台的 Jacobian 矩阵与构的垂直位移无关。 (2) 该减振平台的工作空间均为灵活工作空间,可以满足座椅空间三维的使 用要求,并且在可达的工作空间内无奇异位形。 (3) 该减振平台的操作灵活性随结构参数和工作位姿而改变,随着下平台半 径的增大以及连杆长度的减小,机构的操作灵活度变好,但同时机构的工作空间 变小,故在使机构的结构参数满足动平台达到规定的工作空间要求的前提下,尽 可能地使整个并联机构具有更好的操作运动灵活性,同时尽量减小机构的总体尺 寸。 (4) 为了分析减振平台的减振性能,以动平台的位移、速度为状态变量,加 速度为观测输出,建立了多维减振系统的状态方程,并在 MATLAB 中建立了随机激 励下的系统振动仿真模型,仿真结果表明该平台具有良好的三维减振效果。 5 5 论文结构安排论文结构安排 第一章 绪论（5 页） （1）课题的研究目的和意义； （2）课题的研究背景和当前国内外研究现状； 第二章 整体思路（2 页） 课题的整体研究思路，需要用的方法，对论文的整体论述。 第三章 机构的分析（40 页） （1）三维座椅减振平台的主体结构； （2）三维座椅减振平台的运动学分析； (3) 三维座椅减振平台的工作空间分析； (4) 三维座椅减振平台的奇异位形分析； (5) 三维座椅减振平台的灵巧度分析； （6）三维座椅减振平台的尺寸优化； （7）三维座椅减振平台的振动分析； 第四章 机构的阻尼控制系统（10 页） 设计相应阻尼的控制系统。 第五章 结语（2 页） 17 第六章 参考文献（2 页） 工作量：整体结构图 A0 一张、单链结构图 A0 一张、电路图 A0 一张、阻尼 器结构 A1 一张、论文一篇（60 页） 6 6 进度安排进度安排 2013 年 12 月2014 年 2 月 学校图书馆和互联网上查询并收集有关的资料查阅资料 ，了解多自由度并联式 减振平台的相关知识，对课题有初步的了解。 2014 年 2 月2 月中旬 完成任务书、开题报告及文献综述的撰写 2014 年 2 月中旬4 月中旬 针对既定目标和研究方向查资料，调研，对资料进行分类整理，在此基础上明 确毕业设计的内容，并在导师的指导下，进入毕业设计的构思阶段。之后，不 断修改和完善毕业设计，直至最后完成。 2014 年 4 月中旬5 月中旬 修改、调整毕业设计，进行排版。请导师最后审阅。制作 ppt，准备答辩。 2014 年 5 月底 进行答辩。 7 7 参考文献参考文献 1 徐晓美, 朱思洪, 一种剪式座椅振动特性的理论分析 J .中国机械工程, 2006, 17 ( 8) : 802-804. 2 白胜勇, 靳晓雄. 工程机械悬置式座椅动态参数设计研究 J . 同济大学学报, 1999, 27( 1 ) : 74-77 3 麻文众, 王羽, 于向军. 货车座椅动态参数优化设计试验研究 J . 汽车技术, 2003 ( 7) : 17-18 18 4 袁清坷. 拖拉机座椅悬架系统的研究及应用 J . 农业机械学报, 1995, 26 ( 4) : 31-35 5 陈修祥, 马履中, 等. 两平移两转动四自由度减振平台设计、仿真与测试 J . 振动与冲击, 2006, 25( 6) : 143146. 6 姚为民, 孙丹丹, 林逸. 卧姿人体垂直振动模型的研究 J . 汽车技术,2002( 6) : 10- 12. 7 刘会英, 盖玉先, 郑超.