一种基于振动舒适性的山地自行车后悬架参数设计方法

1、第41卷 第6期 2008年6月 天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University V ol.41 No.6 Jun. 2008收稿日期:2007-11-21;修回日期:2008-01-25.一种基于振动舒适性的山地自行车后悬架参数设计方法项忠霞1,卜研1,张玉环2,黄田1(1. 天津大学机械工程学院,天津 300072;2. 天津理工大学理学院,天津 300191摘 要:采用实验方法,比较了在不同频率简谐激励下后悬架配有不同类型减振器时全减振山地自行车车架的振动特性,发现在一定频率范围内弹簧减振器具有良好的减振效果.通过对具有弹簧减振器后悬架山地车的车架振动

2、实验验证了该车架动态仿真模型的正确性,在此基础上建立了整车动态仿真模型.借鉴国际标准ISO2631-1中人体承受全身振动的评价方法,给出了自行车骑行过程中振动舒适性的评价指标.采用均匀设计试验法进行了整车动态仿真实验,并通过逐步回归分析找到了减振器刚度和结构尺寸等后悬架设计参数与评价指标之间的映射关系,同时利用规划求解方法对设计参数进行了优化.研究过程为山地自行车后悬架的设计提供了一种有效方法. 关键词:山地自行车;后悬架;振动舒适性;均匀设计;动态仿真;逐步回归分析;优化设计 中图分类号:U484;TH122 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(200806-0685-05Vibr

3、ant Comfort -Based Parameterization forMountain Bike Rear SuspensionXIANG Zhong-xia 1,BU Yan 1,ZHANG Yu-huan 2,HUANG Tian 1(1. School of Mechanical Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China ;2. College of Science ,Tianjin University of Technology ,Tianjin 300191,China Abstract :The effec

4、t of shock absorbers was investigated by comparing the measured dynamic responses of the mountain bike frame mounted different shock absorbers subjected to harmonic excitation. The experimental results show that the per-formance of the spring absorber is as good as those of the oil absorber and the

5、gas absorber within specific frequency ranges.The dynamic model of the mountain bike frame ,which was verified by the experiment ,was then developed to the whole model of the mountain bike for the dynamic simulation. In the optimization of the mountain bike rear suspension ,the evalu-ating standard

6、of vibrant comfort was presented by referring to the ISO2631-1 Mechanical Vibration and Shock-Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration. Based on the dynamic simulation of the mountain bike ,the mapping relation-ship between the standard of vibrant comfort and the design parameters for th

7、e rear suspension ,such as the stiffness of the rear suspension absorber and the dimensions of the suspension structure ,was obtained using uniform design and stepwise regression analysis ,and the optimized parameters were also determined. This study provides an available method to the de-sign of mo

8、untain bike rear suspension.Keywords :mountain bike ;rear suspension ;vibrant comfort ;uniform design ;dynamic simulation ;stepwise regression analysis ;optimal design山地自行车(简称山地车是一类对动态性能和舒适性要求很高的产品,也是我国自行车出口的主流产品1.山地车的振动会引起骑行者的生理效应,从而影响骑行的安全性和操控性2-3.为减少不平路面对车体振动的影响,20世纪90年代初出现了前后都带有悬架的全减振山地车,研究表明,该类

9、山地车的多方面性能均优于无悬架的早期山地车4-7.受操控性的影响,山地车前悬架一般采用简单的伸缩筒式结686 天 津 大 学 学 报 第41卷 第6期构,而后悬架的设计具有一定的灵活性,且其对振动舒适性影响较大,因此近年来备受关注.根据后悬架与主车架、后轮轴的连接方式,可将山地车后悬架分为两大类:单铰结构(singly piv-oted structure ;四杆铰接机构(pivoted four bar linkage ,简称四杆机构.单铰结构后悬架仅通过单铰点与主车架相连,结构简单,但其扭摆刚度较差;四杆机构后悬架与主车架通过两个铰点连接,具有较好的扭摆刚度,且可通过调整铰点位置改变悬架的

10、拓扑结构,目前已成为最流行的山地车车型.虽然山地车后悬架机构的专利不断推出8-13,但悬架设计方面的研究还鲜见报道.笔者采用动态仿真手段,借鉴国际标准ISO2631-1中人体承受全身振动的评价方法14,研究山地车后悬架系统参数对振动舒适性的影响规律.总体思路:通过山地车车架实验,比较不同减振器条件下车架振动特性,选择其中一种减振器,建立车架的动态仿真模型,在此基础上建立整车仿真模型,利用该整车模型进行仿真实验,寻求山地车后悬架系统参数对振动舒适性的影响 规律.1 振动舒适性评价方法机械振动对人体的健康和舒适性有很大影响.国际标准ISO2631-1中给出了人体承受全身振动的评价标准14.该标准规

11、定了人体坐姿受振模型,其中包括3个输入点共12个轴向的振动.根据人体对不同频率和不同轴向振动敏感程度的不同,该标准将加权加速度均方根值w a 作为评价振动对人体舒适和健康影响的基本指标. 在山地车骑行过程中,如忽略车体的左右摆动,视人-车为平面运动系统,同时假设人体为坐姿状态,车匀速行驶,借鉴文献14中的人体坐姿受振模型,骑行者的振动情况可简化为鞍座和脚蹬两输入点的2轴垂直线振动和鞍座部位单轴角振动.考虑到人体在骑行过程中的自我调节能力较强,鞍座处的俯仰振动较小,故将单轴角振动忽略.在骑行过程中,由于脚部处于不断运动状态,故将脚部振动简化为中轴部位的振动.对于车把传入人体的振动,应参照文献15

12、进行人体局部振动评价,考虑到自行车骑行速度较低,路面不平引起的振动频率较低,手传振动对人体的影响很小,故暂不考虑.综上所述,山地车的振动舒适性可近似用鞍座和中轴处垂直方向振动的加权加速度均方根值w1a 和w 2a 的加权值v a 进行评价.另外人在骑自行车的过程中既是受振对象又是动力源,与静止状态下被动承受振动的人体来说对振动的反应有所不同,因此文献14中所规定的加权加速度均方根的限定值并不完全适合自行车骑行者,故笔者只对振动舒适性做出相对评价,即v a 值越小,表明振动舒适性越好.根据自行车检测标准16,可用鞍座和中轴处垂直方向振动的加速度均方根值rms1a 和rms 2a 代替w1a 和w

13、 2a .由文献14中提供的轴加权系数可得v a 的表达式为v rms1rms 20.4=+a a a (12 山地车车架振动实验与仿真2.1车架实验方法与仪器设备选择某型铝合金全减振山地车为研究对象,图1 车架振动实验系统Fig.1 Vibration testing system of the bike frame2.2 安装不同类型减振器时车架的振动特性选择普通弹簧、液压及气压3类常用减振器作为后悬架减振元件,其主要参数见表1.前叉减振弹簧的刚度为15 N/mm .以频率为横坐标,加速度均方根值为纵坐标,绘制不同频率激励条件下鞍座处的加速度响应曲线,结果如图2所示.2008年6月项忠霞等

14、:一种基于振动舒适性的山地自行车后悬架参数设计方法687表 1减振器主要参数Tab.1Main parameters of shock absorbers性能参数减振器类型刚度/(Nmm-1阻尼/(Nsmm-1普通弹簧减振器 148.75 0液压减振器 131.25 4.00气压减振器 100.00 10.00图2连接不同减振器时鞍座处加速度均方根值比较Fig. 2Comparison of the root-mean-square acceleration atthe seat when mounted different shock absorbers一般路面不平度的空间频率范围为0.01

15、12.83m-117,普通自行车平均行驶速度为20km/h,路面对普通自行车的激振频率范围为0.007 62.3 车架仿真实验及结果比较采用Pro/ENGINEER和ADAMS软件建立如图3所示的车架系统仿真实验台,选择弹簧减振器作为后悬架减振元件进行仿真实验.仿真系统建模时做如下简化:根据材料估算各运动副间摩擦;忽略配重连接件质量和材料本身的弹性;将车架视为刚体,并假设弹性元件存在很小的阻尼.仿真实验所施图3车架实验仿真模型Fig. 3Bike frame model for dynamic simulation加的载荷和激励条件与前述实验相同.采用与图3同样的坐标系统,绘制鞍座处实测和仿真

16、的加速度均方根值曲线,如图4所示.通过实测值与仿真值的比较发现, 仿真实验能较准确地反映真实的实验现象.鉴于仿真结果与实测结果振动特性规律的一致性,可在实验频率范围内任意选取一固定值作为激励频率进行振动舒适性研究. 图4鞍座处加速度均方根实测值与仿真值比较Fig. 4Comparison between simulation and testing results of the root-mean-square acceleration at the seat when mounted spring absorber3 人-山地车系统仿真实验及参数优化在车架仿真模型的基础上增加车轮、车座及脚蹬

17、等零部件,并以五杆刚体代替车架实验中简化为集中质量的人体,各刚体的质量分配参见文献4.在ADAMS中建立如图5所示的人-车仿真系统模型并进行动态实验,通过对实验数据的处理分析,探讨山地车后悬架系统参数对振动舒适性的影响规律.图5人-山地车系统仿真模型Fig. 5 Rider-mountain bike system for dynamic simulation 以山地车后悬架与主车架的连接点D为坐标原点,建立坐标系,见图6.其中DGr是自行车中轴与后轮轴之间的距离,是由自行车的型号决定的,受轮距的限制不宜改变,为403mm;为保证强度,C点与G点的距离不宜过大,故DCr不变,为386mm;考虑

18、安装空间以及原车的主结构造型,规定A点的位置是固688天 津 大 学 学 报 第41卷 第6期定的,即DA r 保持恒定,为207mm .另外根据减振器 图6 设计变量及可行域Fig. 6 Design variables and their ranges的常用刚度和后悬架的结构限制,确定设计变量及其变化范围:减振器刚度k 为78165N/mm ;连架杆长度AB r 为 90130mm ;连杆长度BC r 为310380mm . 当AB r 变化时,根据均匀设计表*828U (28的使用表17,采用三因素28水平均匀实验表进行仿真实验,得到鞍座和中轴处加速度均方根值rms1a 和rms 2a

19、,结果列于表2. 表2 三因素28水平均匀设计仿真实验结果Tab.2 Simulation results according to the uniform design *828(28U实 验次 数 减振器刚度k /(Nmm -1杆 长AB r /mm 杆 长BC r /mm 鞍座处加速度 rms1a /(2m s 中轴处加速度 rms2a /(2m s 加权加速度均方根值v a /(2m s 1 78 99.0 359.4 1.02 0.85 1.36 2 81 109.5 336.0 1.13 0.94 1.51 3 84 120.0 312.6 1.24 1.04 1.66 4 88

20、130.0 364.6 1.26 1.05 1.68 5 91 97.5 341.2 1.17 0.98 1.56 6 94 108.0 317.8 1.36 1.14 1.827 97 118.5 369.8 1.27 1.06 1.69 8 101 129.0 346.4 1.38 1.16 1.84 9 104 96.0 323.0 1.48 1.24 1.97 10 107 106.5 375.0 1.37 1.15 1.83 11 110 117.0 351.6 1.43 1.20 1.91 12 113 127.5 328.2 1.61 1.34 2.15 13 117 94.5

21、380.0 1.43 1.19 1.91 14 120 105.0 356.8 1.49 1.24 1.99 15 123 115.5 333.4 1.67 1.39 2.23 16 126 126.0 310.0 1.86 1.56 2.48 17 130 93.0 362.0 1.55 1.29 2.07 18 133 103.5 338.6 1.69 1.41 2.25 19 136 114.0 315.2 1.93 1.61 2.57 20 139 124.5 367.2 1.84 1.54 2.46 21 142 91.5 343.8 1.73 1.45 2.31 22 146 10

22、2.0 320.4 2.02 1.69 2.70 23 149 112.5 372.4 1.84 1.54 2.46 24 152 123.0 349.0 2.04 1.70 2.72 25 155 90.0 325.6 1.97 1.65 2.63 26 159 100.5 377.6 1.86 1.56 2.48 27 162 111.0 354.2 1.95 1.63 2.60 28165121.5330.82.101.762.80为寻求后悬架系统设计参数与加权加速度均方根值v a 之间的关系,利用表2中的数据,选取二次回归模型进行逐步回归分析,得到回归方程为22+ (2 采用F 检验法

23、对式(2进行显著性校验,由回归方差分析表3可知,该方程非常显著.表3 回归方差分析表Tab. 3 Regression analysis of variance差异源回归 残差 总和 df 6 21 27 SS 4.584 217 0.057 183 4.641 400MS 0.764 036 0.002 723F 280.584 6 P6.28×10-192008年6月 项忠霞等:一种基于振动舒适性的山地自行车后悬架参数设计方法 689利用EXCEL 的规划求解功能,以加权加速度均方根值v a 最小为目标函数,对式(2进行优化,得到后悬架设计参数分别为:减振器刚度k =78N/mm

24、 ;连架杆长度AB r =90mm ;连杆长度BC r =361.7mm ,此时预测结果v a =1.90842m/s .以优化的参数值作为变量进行仿真实验,得到仿真结果为v a =1.82782m/s ,仿真结果与预测结果的误差为4.2%,说明预测结果比较准确.4 结 论(1在一定的频率范围内,弹簧减振器的减振效果并不亚于气压和液压减振器,因而可选择廉价的弹簧减振器作为普通山地车后悬架的减振元件.(2山地车骑行过程中的振动舒适性可用鞍座和中轴处的加权加速度均方根值进行相对评价,该值越小表明振动舒适性越好.(3利用二次逐步回归分析方法所建立的方程可以比较准确地描述山地车后悬架系统的设计变量与振

25、动舒适性之间的映射关系,利用该方程可进行振动舒适性预估.(4通过规划求解,借助逐步回归分析建立方程可得到使振动舒适性达到最佳的后悬架设计参数. 参考文献:1 中自协. 2006年18月自行车产销量J .中国自行车,2006(10:19. Chinese Bicycle Institute. Bicycle produce and sale quan-tity from January to August in 2006J .China Bicycle, 2006(10:19(in Chinese . 2 Chen C H ,Lin M C ,Chen D Y ,et al. The comfo

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