一種基于振動(dòng)舒適性的山地自行車后懸架參數(shù)設(shè)計(jì)方法

1、第41卷 第6期 2008年6月 天 津 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Journal of Tianjin University V ol.41 No.6 Jun. 2008收稿日期:2007-11-21;修回日期:2008-01-25.一種基于振動(dòng)舒適性的山地自行車后懸架參數(shù)設(shè)計(jì)方法項(xiàng)忠霞1,卜研1,張玉環(huán)2,黃田1(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300072;2. 天津理工大學(xué)理學(xué)院,天津 300191摘 要:采用實(shí)驗(yàn)方法,比較了在不同頻率簡諧激勵(lì)下后懸架配有不同類型減振器時(shí)全減振山地自行車車架的振動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)在一定頻率范圍內(nèi)彈簧減振器具有良好的減振效果.通過對具有彈簧減振器后懸架山地車的車架振動(dòng)

2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該車架動(dòng)態(tài)仿真模型的正確性,在此基礎(chǔ)上建立了整車動(dòng)態(tài)仿真模型.借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631-1中人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)方法,給出了自行車騎行過程中振動(dòng)舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo).采用均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)法進(jìn)行了整車動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn),并通過逐步回歸分析找到了減振器剛度和結(jié)構(gòu)尺寸等后懸架設(shè)計(jì)參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的映射關(guān)系,同時(shí)利用規(guī)劃求解方法對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.研究過程為山地自行車后懸架的設(shè)計(jì)提供了一種有效方法. 關(guān)鍵詞:山地自行車;后懸架;振動(dòng)舒適性;均勻設(shè)計(jì);動(dòng)態(tài)仿真;逐步回歸分析;優(yōu)化設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào):U484;TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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山地自行車(簡稱山地車是一類對動(dòng)態(tài)性能和舒適性要求很高的產(chǎn)品,也是我國自行車出口的主流產(chǎn)品1.山地車的振動(dòng)會(huì)引起騎行者的生理效應(yīng),從而影響騎行的安全性和操控性2-3.為減少不平路面對車體振動(dòng)的影響,20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)了前后都帶有懸架的全減振山地車,研究表明,該類

9、山地車的多方面性能均優(yōu)于無懸架的早期山地車4-7.受操控性的影響,山地車前懸架一般采用簡單的伸縮筒式結(jié)686 天 津 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第41卷 第6期構(gòu),而后懸架的設(shè)計(jì)具有一定的靈活性,且其對振動(dòng)舒適性影響較大,因此近年來備受關(guān)注.根據(jù)后懸架與主車架、后輪軸的連接方式,可將山地車后懸架分為兩大類:單鉸結(jié)構(gòu)(singly piv-oted structure ;四桿鉸接機(jī)構(gòu)(pivoted four bar linkage ,簡稱四桿機(jī)構(gòu).單鉸結(jié)構(gòu)后懸架僅通過單鉸點(diǎn)與主車架相連,結(jié)構(gòu)簡單,但其扭擺剛度較差;四桿機(jī)構(gòu)后懸架與主車架通過兩個(gè)鉸點(diǎn)連接,具有較好的扭擺剛度,且可通過調(diào)整鉸點(diǎn)位置改變懸架的

10、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已成為最流行的山地車車型.雖然山地車后懸架機(jī)構(gòu)的專利不斷推出8-13,但懸架設(shè)計(jì)方面的研究還鮮見報(bào)道.筆者采用動(dòng)態(tài)仿真手段,借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631-1中人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)方法14,研究山地車后懸架系統(tǒng)參數(shù)對振動(dòng)舒適性的影響規(guī)律.總體思路:通過山地車車架實(shí)驗(yàn),比較不同減振器條件下車架振動(dòng)特性,選擇其中一種減振器,建立車架的動(dòng)態(tài)仿真模型,在此基礎(chǔ)上建立整車仿真模型,利用該整車模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),尋求山地車后懸架系統(tǒng)參數(shù)對振動(dòng)舒適性的影響 規(guī)律.1 振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法機(jī)械振動(dòng)對人體的健康和舒適性有很大影響.國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631-1中給出了人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)14.該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)

11、定了人體坐姿受振模型,其中包括3個(gè)輸入點(diǎn)共12個(gè)軸向的振動(dòng).根據(jù)人體對不同頻率和不同軸向振動(dòng)敏感程度的不同,該標(biāo)準(zhǔn)將加權(quán)加速度均方根值w a 作為評(píng)價(jià)振動(dòng)對人體舒適和健康影響的基本指標(biāo). 在山地車騎行過程中,如忽略車體的左右擺動(dòng),視人-車為平面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),同時(shí)假設(shè)人體為坐姿狀態(tài),車勻速行駛,借鑒文獻(xiàn)14中的人體坐姿受振模型,騎行者的振動(dòng)情況可簡化為鞍座和腳蹬兩輸入點(diǎn)的2軸垂直線振動(dòng)和鞍座部位單軸角振動(dòng).考慮到人體在騎行過程中的自我調(diào)節(jié)能力較強(qiáng),鞍座處的俯仰振動(dòng)較小,故將單軸角振動(dòng)忽略.在騎行過程中,由于腳部處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài),故將腳部振動(dòng)簡化為中軸部位的振動(dòng).對于車把傳入人體的振動(dòng),應(yīng)參照文獻(xiàn)15

12、進(jìn)行人體局部振動(dòng)評(píng)價(jià),考慮到自行車騎行速度較低,路面不平引起的振動(dòng)頻率較低,手傳振動(dòng)對人體的影響很小,故暫不考慮.綜上所述,山地車的振動(dòng)舒適性可近似用鞍座和中軸處垂直方向振動(dòng)的加權(quán)加速度均方根值w1a 和w 2a 的加權(quán)值v a 進(jìn)行評(píng)價(jià).另外人在騎自行車的過程中既是受振對象又是動(dòng)力源,與靜止?fàn)顟B(tài)下被動(dòng)承受振動(dòng)的人體來說對振動(dòng)的反應(yīng)有所不同,因此文獻(xiàn)14中所規(guī)定的加權(quán)加速度均方根的限定值并不完全適合自行車騎行者,故筆者只對振動(dòng)舒適性做出相對評(píng)價(jià),即v a 值越小,表明振動(dòng)舒適性越好.根據(jù)自行車檢測標(biāo)準(zhǔn)16,可用鞍座和中軸處垂直方向振動(dòng)的加速度均方根值rms1a 和rms 2a 代替w1a 和w

13、 2a .由文獻(xiàn)14中提供的軸加權(quán)系數(shù)可得v a 的表達(dá)式為v rms1rms 20.4=+a a a (12 山地車車架振動(dòng)實(shí)驗(yàn)與仿真2.1車架實(shí)驗(yàn)方法與儀器設(shè)備選擇某型鋁合金全減振山地車為研究對象,圖1 車架振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Vibration testing system of the bike frame2.2 安裝不同類型減振器時(shí)車架的振動(dòng)特性選擇普通彈簧、液壓及氣壓3類常用減振器作為后懸架減振元件,其主要參數(shù)見表1.前叉減振彈簧的剛度為15 N/mm .以頻率為橫坐標(biāo),加速度均方根值為縱坐標(biāo),繪制不同頻率激勵(lì)條件下鞍座處的加速度響應(yīng)曲線,結(jié)果如圖2所示.2008年6月項(xiàng)忠霞等

14、:一種基于振動(dòng)舒適性的山地自行車后懸架參數(shù)設(shè)計(jì)方法687表 1減振器主要參數(shù)Tab.1Main parameters of shock absorbers性能參數(shù)減振器類型剛度/(Nmm-1阻尼/(Nsmm-1普通彈簧減振器 148.75 0液壓減振器 131.25 4.00氣壓減振器 100.00 10.00圖2連接不同減振器時(shí)鞍座處加速度均方根值比較Fig. 2Comparison of the root-mean-square acceleration atthe seat when mounted different shock absorbers一般路面不平度的空間頻率范圍為0.01

15、12.83m-117,普通自行車平均行駛速度為20km/h,路面對普通自行車的激振頻率范圍為0.007 62.3 車架仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果比較采用Pro/ENGINEER和ADAMS軟件建立如圖3所示的車架系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái),選擇彈簧減振器作為后懸架減振元件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).仿真系統(tǒng)建模時(shí)做如下簡化:根據(jù)材料估算各運(yùn)動(dòng)副間摩擦;忽略配重連接件質(zhì)量和材料本身的彈性;將車架視為剛體,并假設(shè)彈性元件存在很小的阻尼.仿真實(shí)驗(yàn)所施圖3車架實(shí)驗(yàn)仿真模型Fig. 3Bike frame model for dynamic simulation加的載荷和激勵(lì)條件與前述實(shí)驗(yàn)相同.采用與圖3同樣的坐標(biāo)系統(tǒng),繪制鞍座處實(shí)測和仿真

16、的加速度均方根值曲線,如圖4所示.通過實(shí)測值與仿真值的比較發(fā)現(xiàn), 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^準(zhǔn)確地反映真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.鑒于仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果振動(dòng)特性規(guī)律的一致性,可在實(shí)驗(yàn)頻率范圍內(nèi)任意選取一固定值作為激勵(lì)頻率進(jìn)行振動(dòng)舒適性研究. 圖4鞍座處加速度均方根實(shí)測值與仿真值比較Fig. 4Comparison between simulation and testing results of the root-mean-square acceleration at the seat when mounted spring absorber3 人-山地車系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化在車架仿真模型的基礎(chǔ)上增加車輪、車座及腳蹬

17、等零部件,并以五桿剛體代替車架實(shí)驗(yàn)中簡化為集中質(zhì)量的人體,各剛體的質(zhì)量分配參見文獻(xiàn)4.在ADAMS中建立如圖5所示的人-車仿真系統(tǒng)模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析,探討山地車后懸架系統(tǒng)參數(shù)對振動(dòng)舒適性的影響規(guī)律.圖5人-山地車系統(tǒng)仿真模型Fig. 5 Rider-mountain bike system for dynamic simulation 以山地車后懸架與主車架的連接點(diǎn)D為坐標(biāo)原點(diǎn),建立坐標(biāo)系,見圖6.其中DGr是自行車中軸與后輪軸之間的距離,是由自行車的型號(hào)決定的,受輪距的限制不宜改變,為403mm;為保證強(qiáng)度,C點(diǎn)與G點(diǎn)的距離不宜過大,故DCr不變,為386mm;考慮

18、安裝空間以及原車的主結(jié)構(gòu)造型,規(guī)定A點(diǎn)的位置是固688天 津 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第41卷 第6期定的,即DA r 保持恒定,為207mm .另外根據(jù)減振器 圖6 設(shè)計(jì)變量及可行域Fig. 6 Design variables and their ranges的常用剛度和后懸架的結(jié)構(gòu)限制,確定設(shè)計(jì)變量及其變化范圍:減振器剛度k 為78165N/mm ;連架桿長度AB r 為 90130mm ;連桿長度BC r 為310380mm . 當(dāng)AB r 變化時(shí),根據(jù)均勻設(shè)計(jì)表*828U (28的使用表17,采用三因素28水平均勻?qū)嶒?yàn)表進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),得到鞍座和中軸處加速度均方根值rms1a 和rms 2a

19、,結(jié)果列于表2. 表2 三因素28水平均勻設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Simulation results according to the uniform design *828(28U實(shí) 驗(yàn)次 數(shù) 減振器剛度k /(Nmm -1桿 長AB r /mm 桿 長BC r /mm 鞍座處加速度 rms1a /(2m s 中軸處加速度 rms2a /(2m s 加權(quán)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為尋求后懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)與加權(quán)加速度均方根值v a 之間的關(guān)系,利用表2中的數(shù)據(jù),選取二次回歸模型進(jìn)行逐步回歸分析,得到回歸方程為22+ (2 采用F 檢驗(yàn)法

23、對式(2進(jìn)行顯著性校驗(yàn),由回歸方差分析表3可知,該方程非常顯著.表3 回歸方差分析表Tab. 3 Regression analysis of variance差異源回歸 殘差 總和 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 項(xiàng)忠霞等:一種基于振動(dòng)舒適性的山地自行車后懸架參數(shù)設(shè)計(jì)方法 689利用EXCEL 的規(guī)劃求解功能,以加權(quán)加速度均方根值v a 最小為目標(biāo)函數(shù),對式(2進(jìn)行優(yōu)化,得到后懸架設(shè)計(jì)參數(shù)分別為:減振器剛度k =78N/mm

24、 ;連架桿長度AB r =90mm ;連桿長度BC r =361.7mm ,此時(shí)預(yù)測結(jié)果v a =1.90842m/s .以優(yōu)化的參數(shù)值作為變量進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),得到仿真結(jié)果為v a =1.82782m/s ,仿真結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的誤差為4.2%,說明預(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確.4 結(jié) 論(1在一定的頻率范圍內(nèi),彈簧減振器的減振效果并不亞于氣壓和液壓減振器,因而可選擇廉價(jià)的彈簧減振器作為普通山地車后懸架的減振元件.(2山地車騎行過程中的振動(dòng)舒適性可用鞍座和中軸處的加權(quán)加速度均方根值進(jìn)行相對評(píng)價(jià),該值越小表明振動(dòng)舒適性越好.(3利用二次逐步回歸分析方法所建立的方程可以比較準(zhǔn)確地描述山地車后懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變量與振

25、動(dòng)舒適性之間的映射關(guān)系,利用該方程可進(jìn)行振動(dòng)舒適性預(yù)估.(4通過規(guī)劃求解,借助逐步回歸分析建立方程可得到使振動(dòng)舒適性達(dá)到最佳的后懸架設(shè)計(jì)參數(shù). 參考文獻(xiàn):1 中自協(xié). 2006年18月自行車產(chǎn)銷量J .中國自行車,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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