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1、毕业设计（论文）开题报告机械工程学院机械工程及自动化专业设计（论文）题目 挖掘机驾驶室座椅的负刚度隔振设计学生姓名 何泽夏学号02008102指导教师 张建润顾问教师孙小娟2012 年 03 月 09 日论文题目挖掘机驾驶室座椅的负刚度隔振设计一、选题背景和意义：工程机械一般行驶于无路和少路条件，作业的场地条件较差。驾驶室设计是工程机械设 计中的重要部分，其舒适性一直倍受关注，因为直接关系驾驶员的安全、效率、舒适和健康。 于是，提高车辆减振效果是提高车辆动态舒适性的重要环节。车辆振动系统主要由轮胎，汽 车悬架和座椅三个减振环节，少部分车辆同时使用驾驶室悬置。降低轮胎气压，减少轮胎垂 直高度虽然
2、有利于提高汽车的平顺性，但轮胎气压受到汽车承载能力的限制不允许有太大变 化，另外轮胎气压的降低会增加轮胎的变形，影响其使用寿命。降低悬架刚度，增加阻尼， 有利于提高汽车的平顺性，但是悬架刚度的改变会影响汽车操纵稳定性和制动性，而这些性 能对悬架参数的要求往往是相互矛盾的，改动余地很小。值得说明的是，对于工程车辆而言， 工作环境恶劣，在其行进或作业过程中会产生强烈的振动，而且由于承载能力要求和结构上 的限制，更加局限了悬架等减振的效果，因此座椅的减振更为重要。此外，就座椅本身而言，其为外部环境与人体最后的直接接触，其承载着人体的重量， 缓解由路面不平传递给人的冲击以及随之而来的振动、发动机引起的
3、振动等等。直接关系到 驾驶员的工作条件。对于高档轿车、客车以及长期行驶于路况较好路面上的车辆，由于其底 盘悬架的减振效果已经相当优良，故对其座椅悬架系统的要求不高。目前国内外对驾驶员座 椅悬架系统的研究较多的是针对农用车辆及工程机械进行的。挖掘机作为最常见的工程机械之一，广泛地应用于各种土方施工中，同时挖掘机几乎完 成工程施工中60%的土方石量。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动 化的方向发展。同时提倡以人为本，加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件，根 据人机工程学原理进行挖掘机用专业驾驶室设计。而驾驶座椅作为其中重要的环节之一，保 证其良好
4、的舒适性和驾驶安全性也是挖掘机的重要发展方向。座椅减振兀件从控制方面可以分为主动控制、半主动控制和被动控制。其中被动控制又 可为线性和非线性。线性振动是指弹性恢复力与运动参数（位移、速度）成线性关系，否则 成为非线性振动。传统的线性被动控制减振元件结构钢简单，成本低，但隔振频带窄，自适 应性差；新型的主动、半主动控制减振元件隔振效果好，但耗能大，可靠性不高。而非线性 被动隔振元件，它既能克服主动控制元件耗能大的缺点，又能改善弹簧的自适应性，弹簧可 以根据振动特性设计，呈非线性。负刚度结构并联弹簧减振机构作为一种新兴的非线性隔振 元件，具有很多优先，可以显著提高隔振效果，特别是低频隔振效果更好。
5、本文基于正负刚 度结构的隔振设计，对于行驶环境差的挖掘机减振具有重要意义。课题关键问题及难点： 对负刚度、负刚度结构的理解。 提出合理的含负刚度座椅结构，对含负刚度座椅结构进行理论分析。 对MATLAB的学习和应用，并使用MATLAB解微分方程并绘制图表 建立挖掘机座椅负刚度结构的力学模型。 对绘图软件（UG、SW、ProE三选一）和动力学仿真软件ADAMS的学习和应用。 使用ADAMS对设计的结构进行动力学分析。三、文献综述（或调研报告）：（4000字以上）1. 工程车辆的减振1.1工程车辆的减振途径为了改善驾驶员的乘坐环境，国际标准化组织自1974年制定了国际标准ISO2631人体 承受全
6、身振动的评价指南后，又相继制定了一系列针对农用车辆和土方机械等的标准，如 IS05008-1979农业轮式拖拉机-驾驶员座椅-传递振动的测量、ISO7096-1982土方机械- 司机座椅-振动的传递等，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。为了满足上述标准中对工程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。图1车辆悬架系统的可能位置研究发现，降低轮胎气压，减小轮胎的垂直刚度对提高车辆的乘坐舒适性具有一定的作 用。但综合考虑其他因素，这种办法在实际中并不可取：因为轮
7、胎的气压的降低会增大轮胎 的变形，导致轮胎滚动阻力的增加，在轮胎内部产生大量的热量，从而降低轮胎的使用寿命 。采用发动机悬置对工程车辆乘坐舒适性的改善效果也不显著。对工程车辆的驾驶员来说, 振动主要来自粗糙地面引起的低频大幅振动，而不是发动机的高频振动。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工程车辆来说, 提高其乘坐舒适性的最可行方法是在底盘、驾驶室或座椅上安装弹性悬架。1.2挖掘机发展趋势及座椅减振的必要性。挖掘机为常见的工程机械之一，如图2、3所示。其可根据操作者意愿按照一定顺序间隙 地或连续地进行挖掘、装车和平整地面等一系列作业，在各种土方施工中广泛应用。图2轮
8、式挖掘机 图3履带式挖掘机挖掘机技术含量相对较高,近年来中国挖掘机市场的竞争主要在日美与韩国企业间开展。 国内挖掘机大都应用外国液压系统，自制结构、外观件，其他国内外配套，各企业特点各异。 国内挖掘机随着近几年的跟随发展，产品技术正日趋稳定。挖掘机企业开发节奏时刻也没停 止过，现在开发节奏明显加快，各公司新品种不断推出，随着技术进步和市场要求的发展， 产品型号也在更新改进，几乎每年都有新机型的出现。其具体提高不仅仅体现在高作业率、 高耐久性、性能保养维护方便、先进的液压系统等方面。良好的舒适性及安全性保障也是挖 掘机发展的重要方向。(1) 根据人机工程学原理进行挖掘机用专业驾驶室设计，注重其宽
9、敞舒适、视野广阔、 进出方便、隔热隔噪、安全减振等要求，永远是挖掘机开发研究的一个方向。某些企业把扩 大驾驶室操作空间作为一项显著特点推介，很多企业将驾驶室安装在硅油橡胶基座上，既减 小了驾驶室的振动，又可使操作人员免受作业场地艰苦环境的影响。(2) 进行与驾驶室相配套的内部附件优化选择安装，室内装有带高靠背、可操纵扶手的 可调悬浮座椅，某些机型还应用了全自动空调、安装位置鲜明的监控器、易调整、易操作的 开关盘和操纵杆方便操作。从而创造舒适宜人的操作空间，大大减轻了工作疲劳。(3) 根据用户需求，可选择防倾翻、防落物功能的钢制驾驶棚和驾驶室等，有利于事故 发生时减少对驾驶员的伤害。先进的液压系
10、统及其控制加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶 员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的 弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。2. 乘坐舒适性2.1振动环境对驾驶员及其操作的影响驾驶室的主要振源是路面的低频激振和发动机不平衡惯性力中的中、高频激振，驾驶员 受到各种类型振动、冲击，长时间在这种振动环境下工作，是产生身体不适甚至引发疾病的 主要原因之一，如腰部疾病、胃病等，从而使工作效率下降，甚至导致错误操作而引发事故。从人体振动传递看，人体是一个复杂的共振系统，表14列出了人体各器官和系统的共振 频率，当人体某一部位的固有频率接近或等于所承受的振动频率时，就会使
11、这一部位产生共 振，增大生理效应。在正常重力环境中，人体生理效应对于垂直方向4Hz-8Hz的振动能量传 递率最大，称为人体的第一共振峰，对10Hz-12Hz的振动频率出现第二共振峰，生理效应仅 次于第一共振峰，所以人体尤其对10Hz以下的低频振动非常敏感。表1人体及各部位、系统的固有频率项目固有频率(Hz)项目固有频率(Hz)人体垂直振动4-8神经系统250人体水平振动(前后，左右)1-2胸腹系统3-4头与颈部垂直方向20-30手臂系统2-5头与颈部水平方向1.5-2.0躯干系统垂直方向4-5眼球18-50躯干系统水平方向1.5-2.0窦腔与鼻腔1000-1500脊柱垂直方向4-6心脏4-6平
12、衡器官0.5-1.3胃2-3骨盆垂直方向4-6肾6-8骨盆水平方向1.5-2.0除了振动频率，振动对人的影响主要决定于振动强度，一般用加速度有效值来度量。振 动对人体的影响，因振幅或加速度的不同而表现出不同效应。振动频率较高时，振幅起主要 作用；振动频率较低时，振动加速度起主要作用。人体在匀速运动状态下无不适感觉，而处 于变速运动状态下，就会受到影响。变速运动对人体振动的影响以重力加速度g (g=9.8m/s2) 为基准。此外，振动暴露时间也是一个非常重要的因素；试验证明，对于同强度、同频率的 振动来说，振动的影响同振动暴露时间有关，短暂时间内可以容忍的振动，时间一长就很可 能变成不能容忍。长
13、期暴露在强振动环境下，人体的神经系统、心血管系统、骨骼系统和听觉系统等方面 都会发生病症，同时也会引起人的心理反应。强振动对人的操作带来的影响主要表现为视觉 操作效率下降和操作动作精确性差。振动传给人体，会使人手脚的稳定性变差，操作动作精 度差，而且振幅越大，其影响越大。在人-机系统中，起主导作用的是驾驶员视觉器官的视觉特性，包括视角、视力、视野、 视距和视觉的运动规律等5。由表1 知,眼球的固有频率为18Hz-50Hz,若振动频率在这个 范围时，就会引起眼球共振，视力下降；研究资料表明，振动频率为10Hz-30Hz时，对视觉 干扰最大2。驾驶员在操作过程中，中枢神经系统和视觉器官（眼睛）始终
14、处于注意力集中 的紧张状态：不断进行信息收集、分析、判断、发出指令等处理过程。信息接收-分析-处理 过程是引起眼睛疲劳和中枢神经系统疲劳的主要因素。同时，由于工程机械行驶工况的频繁 变换，执行器官操作控制系统，引起局部肌肉疲劳。该过程既有精神做功，又有体力做功。 随着操作时间的延长，精神疲劳与肌肉疲劳程度随之加重。2.2驾驶员-座椅界面设计对驾驶员-座椅界面设计时，首先应选择合理舒适的驾驶姿势，降低静力学负荷及做功。 正确的驾驶姿势是保持脊柱正常生理弯曲，避免腰部弯曲或变形。进行座椅设计时应对座椅 靠背、座椅减振、座面、座高、座深和椅面倾角等进行设计，尽量满足大多数人，保证驾驶 员最舒适的驾驶
15、姿势。驾驶员最舒适的驾驶姿势如图2。座椅振动能量集中在10Hz以下的低频，人体对这个范围的振动非常敏感；0.5-5HZ的超 低频振动对人体健康和人的行为更加有害和危险5，因为大部分内脏器官的固有频率在这个 范围内（如表1），容易产生共振。因此，在各种车辆的座椅、悬架等结构的隔振设计中，人 们对低频、尤其超低频隔振更加感兴趣。设计座椅时，应考虑减小座椅共振频率，降低对人 体最有影响的高频区，降低共振时的振动传递率，更进一步设计时，应将路面-轮胎、悬架、 座椅-人三者整体看作一个大动力学系统，寻求在各种路面随机输入情况下使驾驶员舒适的最 优结构；座椅的动态特性还应与其他减振系统相匹配，使人体处于更合适的振动环境。改善座椅表面的温湿度特性，同样对提高驾驶员的工作舒适性非常重要。座椅制造商正 试图提咼座椅材料的呼吸能力，如杜邦公司正对会呼吸的聚酯材料进行实验，提咼这种材料 的透气性。而奔驰轿车采用主动通风式座椅，使人体与座椅接触区保持适宜的温湿度。图4驾驶员最舒适的驾驶姿势3. 座椅悬架减振发展及现状最早的汽车座椅没有专门的减振机构，只有在座椅上放一个坐垫。然后汽车舒适性受到 广泛关注后，刚性连接的驾驶座椅已经被具有弹性悬架结构的座椅所取代。因此，再进一步 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，悬架的
