何澤夏02008102畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目挖掘機(jī)駕駛室座椅的負(fù)剛度隔振設(shè)計(jì)學(xué)生姓名何澤夏 學(xué)號(hào)02008102指導(dǎo)教師 張建潤(rùn) 顧問(wèn)教師 孫小娟 2012年03月09日論文題目 挖掘機(jī)駕駛室座椅的負(fù)剛度隔振設(shè)計(jì)一、 選題背景和意義：工程機(jī)械一般行駛于無(wú)路和少路條件，作業(yè)的場(chǎng)地條件較差。駕駛室設(shè)計(jì)是工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要部分，其舒適性一直倍受關(guān)注，因?yàn)橹苯雨P(guān)系駕駛員的安全、效率、舒適和健康。于是，提高車輛減振效果是提高車輛動(dòng)態(tài)舒適性的重要環(huán)節(jié)。車輛振動(dòng)系統(tǒng)主要由輪胎，汽車懸架和座椅三個(gè)減振環(huán)節(jié)，少部分車輛同時(shí)使用駕駛室懸置。降低輪胎氣壓，減少輪胎垂直高度雖然有利于提高汽車的平順性，但輪胎氣壓受到汽車承載能力的限制不允許有太大變化，另外輪胎氣壓的降低會(huì)增加輪胎的變形，影響其使用壽命。降低懸架剛度，增加阻尼，有利于提高汽車的平順性，但是懸架剛度的改變會(huì)影響汽車操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性，而這些性能對(duì)懸架參數(shù)的要求往往是相互矛盾的，改動(dòng)余地很小。值得說(shuō)明的是，對(duì)于工程車輛而言，工作環(huán)境惡劣，在其行進(jìn)或作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，而且由于承載能力要求和結(jié)構(gòu)上的限制，更加局限了懸架等減振的效果，因此座椅的減振更為重要。此外，就座椅本身而言，其為外部環(huán)境與人體最后的直接接觸，其承載著人體的重量，緩解由路面不平傳遞給人的沖擊以及隨之而來(lái)的振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)等等。直接關(guān)系到駕駛員的工作條件。對(duì)于高檔轎車、客車以及長(zhǎng)期行駛于路況較好路面上的車輛，由于其底盤(pán)懸架的減振效果已經(jīng)相當(dāng)優(yōu)良，故對(duì)其座椅懸架系統(tǒng)的要求不高。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)駕駛員座椅懸架系統(tǒng)的研究較多的是針對(duì)農(nóng)用車輛及工程機(jī)械進(jìn)行的。挖掘機(jī)作為最常見(jiàn)的工程機(jī)械之一，廣泛地應(yīng)用于各種土方施工中，同時(shí)挖掘機(jī)幾乎完成工程施工中60%的土方石量。從20世紀(jì)后期開(kāi)始，國(guó)際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。同時(shí)提倡以人為本，加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行挖掘機(jī)用專業(yè)駕駛室設(shè)計(jì)。而駕駛座椅作為其中重要的環(huán)節(jié)之一，保證其良好的舒適性和駕駛安全性也是挖掘機(jī)的重要發(fā)展方向。座椅減振兀件從控制方面可以分為主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。其中被動(dòng)控制又可為線性和非線性。線性振動(dòng)是指彈性恢復(fù)力與運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位移、速度）成線性關(guān)系，否則成為非線性振動(dòng)。傳統(tǒng)的線性被動(dòng)控制減振元件結(jié)構(gòu)鋼簡(jiǎn)單，成本低，但隔振頻帶窄，自適應(yīng)性差；新型的主動(dòng)、半主動(dòng)控制減振元件隔振效果好，但耗能大，可靠性不高。而非線性被動(dòng)隔振元件，它既能克服主動(dòng)控制元件耗能大的缺點(diǎn)，又能改善彈簧的自適應(yīng)性，彈簧可以根據(jù)振動(dòng)特性設(shè)計(jì)，呈非線性。負(fù)剛度結(jié)構(gòu)并聯(lián)彈簧減振機(jī)構(gòu)作為一種新興的非線性隔振元件，具有很多優(yōu)先，可以顯著提高隔振效果，特別是低頻隔振效果更好。本文基于正負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計(jì)，對(duì)于行駛環(huán)境差的挖掘機(jī)減振具有重要意義。課題關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)：對(duì)負(fù)剛度、負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的理解。提出合理的含負(fù)剛度座椅結(jié)構(gòu)，對(duì)含負(fù)剛度座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析。對(duì)MATLAB的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，并使用MATLAB解微分方程并繪制圖表建立挖掘機(jī)座椅負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。對(duì)繪圖軟件（UG、SW、ProE三選一）和動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。使用ADAMS對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。三、 文獻(xiàn)綜述（或調(diào)研報(bào)告）：（4000字以上）工程車輛的減振1.1工程車輛的減振途徑為了改善駕駛員的乘坐環(huán)境，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織自1974年制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631《人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)指南》后，又相繼制定了一系列針對(duì)農(nóng)用車輛和土方機(jī)械等的標(biāo)準(zhǔn)，如IS05008-1979《農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)-駕駛員座椅-傳遞振動(dòng)的測(cè)量》、ISO7096-1982《土方機(jī)械-司機(jī)座椅-振動(dòng)的傳遞》等，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)駕駛員所承受振動(dòng)的測(cè)量方法和評(píng)價(jià)體系做出了具體的規(guī)定。為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)工程車輛乘坐舒適性提出的要求，改善駕駛員的乘坐環(huán)境，人們一直在嘗試從車輛的輪胎、底盤(pán)懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、駕駛室懸置和座椅等各個(gè)環(huán)節(jié)尋找解決問(wèn)題的方案。圖1車輛懸架系統(tǒng)的可能位置⑴研究發(fā)現(xiàn)，降低輪胎氣壓，減小輪胎的垂直剛度對(duì)提高車輛的乘坐舒適性具有一定的作用。但綜合考慮其他因素，這種辦法在實(shí)際中并不可取：因?yàn)檩喬サ臍鈮旱慕档蜁?huì)增大輪胎的變形，導(dǎo)致輪胎滾動(dòng)阻力的增加，在輪胎內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，從而降低輪胎的使用壽命⑵。采用發(fā)動(dòng)機(jī)懸置對(duì)工程車輛乘坐舒適性的改善效果也不顯著。對(duì)工程車輛的駕駛員來(lái)說(shuō),振動(dòng)主要來(lái)自粗糙地面引起的低頻大幅振動(dòng)，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻振動(dòng)。理論分析和工程實(shí)踐表明，對(duì)這些載重量大、作業(yè)和行駛于惡劣環(huán)境中的工程車輛來(lái)說(shuō),提高其乘坐舒適性的最可行方法是在底盤(pán)、駕駛室或座椅上安裝彈性懸架。1.2挖掘機(jī)發(fā)展趨勢(shì)及座椅減振的必要性。挖掘機(jī)為常見(jiàn)的工程機(jī)械之一，如圖2、3所示。其可根據(jù)操作者意愿按照一定順序間隙地或連續(xù)地進(jìn)行挖掘、裝車和平整地面等一系列作業(yè)，在各種土方施工中廣泛應(yīng)用。圖2輪式挖掘機(jī)圖3履帶式挖掘機(jī)挖掘機(jī)技術(shù)含量相對(duì)較高,近年來(lái)中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)主要在日美與韓國(guó)企業(yè)間開(kāi)展。國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)大都應(yīng)用外國(guó)液壓系統(tǒng)，自制結(jié)構(gòu)、外觀件，其他國(guó)內(nèi)外配套，各企業(yè)特點(diǎn)各異。國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)隨著近幾年的跟隨發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)正日趨穩(wěn)定。挖掘機(jī)企業(yè)開(kāi)發(fā)節(jié)奏時(shí)刻也沒(méi)停止過(guò)，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)節(jié)奏明顯加快，各公司新品種不斷推出，隨著技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)要求的發(fā)展，產(chǎn)品型號(hào)也在更新改進(jìn)，幾乎每年都有新機(jī)型的出現(xiàn)。其具體提高不僅僅體現(xiàn)在高作業(yè)率、高耐久性、性能保養(yǎng)維護(hù)方便、先進(jìn)的液壓系統(tǒng)等方面。良好的舒適性及安全性保障也是挖掘機(jī)發(fā)展的重要方向。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行挖掘機(jī)用專業(yè)駕駛室設(shè)計(jì)，注重其寬敞舒適、視野廣闊、進(jìn)出方便、隔熱隔噪、安全減振等要求，永遠(yuǎn)是挖掘機(jī)開(kāi)發(fā)研究的一個(gè)方向。某些企業(yè)把擴(kuò)大駕駛室操作空間作為一項(xiàng)顯著特點(diǎn)推介，很多企業(yè)將駕駛室安裝在硅油橡膠基座上，既減小了駕駛室的振動(dòng)，又可使操作人員免受作業(yè)場(chǎng)地艱苦環(huán)境的影響。進(jìn)行與駕駛室相配套的內(nèi)部附件優(yōu)化選擇安裝，室內(nèi)裝有帶高靠背、可操縱扶手的可調(diào)懸浮座椅，某些機(jī)型還應(yīng)用了全自動(dòng)空調(diào)、安裝位置鮮明的監(jiān)控器、易調(diào)整、易操作的開(kāi)關(guān)盤(pán)和操縱桿方便操作。從而創(chuàng)造舒適宜人的操作空間，大大減輕了工作疲勞。根據(jù)用戶需求，可選擇防傾翻、防落物功能的鋼制駕駛棚和駕駛室等，有利于事故發(fā)生時(shí)減少對(duì)駕駛員的傷害。先進(jìn)的液壓系統(tǒng)及其控制加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。液壓挖掘機(jī)采用帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾⑶。乘坐舒適性2.1振動(dòng)環(huán)境對(duì)駕駛員及其操作的影響駕駛室的主要振源是路面的低頻激振和發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡慣性力中的中、高頻激振，駕駛員受到各種類型振動(dòng)、沖擊，長(zhǎng)時(shí)間在這種振動(dòng)環(huán)境下工作，是產(chǎn)生身體不適甚至引發(fā)疾病的主要原因之一，如腰部疾病、胃病等，從而使工作效率下降，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤操作而引發(fā)事故。從人體振動(dòng)傳遞看，人體是一個(gè)復(fù)雜的共振系統(tǒng)，表1[4]列出了人體各器官和系統(tǒng)的共振頻率，當(dāng)人體某一部位的固有頻率接近或等于所承受的振動(dòng)頻率時(shí)，就會(huì)使這一部位產(chǎn)生共振，增大生理效應(yīng)。在正常重力環(huán)境中，人體生理效應(yīng)對(duì)于垂直方向4Hz-8Hz的振動(dòng)能量傳遞率最大，稱為人體的第一共振峰，對(duì)10Hz-12Hz的振動(dòng)頻率出現(xiàn)第二共振峰，生理效應(yīng)僅次于第一共振峰，所以人體尤其對(duì)10Hz以下的低頻振動(dòng)非常敏感。表1⑶人體及各部位、系統(tǒng)的固有頻率項(xiàng)目固有頻率(Hz)項(xiàng)目固有頻率(Hz)人體垂直振動(dòng)4-8神經(jīng)系統(tǒng)250人體水平振動(dòng)(前后，左右)1-2胸腹系統(tǒng)3-4頭與頸部垂直方向20-30手臂系統(tǒng)2-5頭與頸部水平方向1.5-2.0軀干系統(tǒng)垂直方向4-5眼球18-50軀干系統(tǒng)水平方向1.5-2.0竇腔與鼻腔1000-1500脊柱垂直方向4-6心臟4-6平衡器官0.5-1.3胃2-3骨盆垂直方向4-6腎6-8骨盆水平方向1.5-2.0除了振動(dòng)頻率，振動(dòng)對(duì)人的影響主要決定于振動(dòng)強(qiáng)度，一般用加速度有效值來(lái)度量。振動(dòng)對(duì)人體的影響，因振幅或加速度的不同而表現(xiàn)出不同效應(yīng)。振動(dòng)頻率較高時(shí)，振幅起主要作用；振動(dòng)頻率較低時(shí)，振動(dòng)加速度起主要作用。人體在勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下無(wú)不適感覺(jué)，而處于變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，就會(huì)受到影響。變速運(yùn)動(dòng)對(duì)人體振動(dòng)的影響以重力加速度g(g=9.8m/s2)為基準(zhǔn)。此外，振動(dòng)暴露時(shí)間也是一個(gè)非常重要的因素；試驗(yàn)證明，對(duì)于同強(qiáng)度、同頻率的振動(dòng)來(lái)說(shuō)，振動(dòng)的影響同振動(dòng)暴露時(shí)間有關(guān)，短暫時(shí)間內(nèi)可以容忍的振動(dòng)，時(shí)間一長(zhǎng)就很可能變成不能容忍。長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下，人體的神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)等方面都會(huì)發(fā)生病癥，同時(shí)也會(huì)引起人的心理反應(yīng)。強(qiáng)振動(dòng)對(duì)人的操作帶來(lái)的影響主要表現(xiàn)為視覺(jué)操作效率下降和操作動(dòng)作精確性差。振動(dòng)傳給人體，會(huì)使人手腳的穩(wěn)定性變差，操作動(dòng)作精度差，而且振幅越大，其影響越大。在人-機(jī)系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用的是駕駛員視覺(jué)器官的視覺(jué)特性，包括視角、視力、視野、視距和視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等［5］。由表1知,眼球的固有頻率為18Hz-50Hz,若振動(dòng)頻率在這個(gè)范圍時(shí)，就會(huì)引起眼球共振，視力下降；研究資料表明，振動(dòng)頻率為10Hz-30Hz時(shí)，對(duì)視覺(jué)干擾最大［2］。駕駛員在操作過(guò)程中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視覺(jué)器官（眼睛）始終處于注意力集中的緊張狀態(tài)：不斷進(jìn)行信息收集、分析、判斷、發(fā)出指令等處理過(guò)程。信息接收-分析-處理過(guò)程是引起眼睛疲勞和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疲勞的主要因素。同時(shí)，由于工程機(jī)械行駛工況的頻繁變換，執(zhí)行器官操作控制系統(tǒng)，引起局部肌肉疲勞。該過(guò)程既有精神做功，又有體力做功。隨著操作時(shí)間的延長(zhǎng)，精神疲勞與肌肉疲勞程度隨之加重。2.2駕駛員-座椅界面設(shè)計(jì)對(duì)駕駛員-座椅界面設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)選擇合理舒適的駕駛姿勢(shì)，降低靜力學(xué)負(fù)荷及做功。正確的駕駛姿勢(shì)是保持脊柱正常生理彎曲，避免腰部彎曲或變形。進(jìn)行座椅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)座椅靠背、座椅減振、座面、座高、座深和椅面傾角等進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量滿足大多數(shù)人，保證駕駛員最舒適的駕駛姿勢(shì)。駕駛員最舒適的駕駛姿勢(shì)如圖2⑷。座椅振動(dòng)能量集中在10Hz以下的低頻，人體對(duì)這個(gè)范圍的振動(dòng)非常敏感；0.5-5HZ的超低頻振動(dòng)對(duì)人體健康和人的行為更加有害和危險(xiǎn)［5］，因?yàn)榇蟛糠謨?nèi)臟器官的固有頻率在這個(gè)范圍內(nèi)（如表1），容易產(chǎn)生共振。因此，在各種車輛的座椅、懸架等結(jié)構(gòu)的隔振設(shè)計(jì)中，人們對(duì)低頻、尤其超低頻隔振更加感興趣。設(shè)計(jì)座椅時(shí)，應(yīng)考慮減小座椅共振頻率，降低對(duì)人體最有影響的高頻區(qū)，降低共振時(shí)的振動(dòng)傳遞率，更進(jìn)一步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將路面-輪胎、懸架、座椅-人三者整體看作一個(gè)大動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，尋求在各種路面隨機(jī)輸入情況下使駕駛員舒適的最優(yōu)結(jié)構(gòu)；座椅的動(dòng)態(tài)特性還應(yīng)與其他減振系統(tǒng)相匹配，使人體處于更合適的振動(dòng)環(huán)境。改善座椅表面的溫濕度特性，同樣對(duì)提高駕駛員的工作舒適性非常重要。座椅制造商正試圖提咼座椅材料的呼吸能力，如杜邦公司正對(duì)會(huì)呼吸的聚酯材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提咼這種材料的透氣性。而奔馳轎車采用主動(dòng)通風(fēng)式座椅，使人體與座椅接觸區(qū)保持適宜的溫濕度。圖4駕駛員最舒適的駕駛姿勢(shì)⑹座椅懸架減振發(fā)展及現(xiàn)狀最早的汽車座椅沒(méi)有專門(mén)的減振機(jī)構(gòu)，只有在座椅上放一個(gè)坐墊。然后汽車舒適性受到廣泛關(guān)注后，剛性連接的駕駛座椅已經(jīng)被具有彈性懸架結(jié)構(gòu)的座椅所取代。因此，再進(jìn)一步提高座椅動(dòng)態(tài)舒適性的原則就是合理地選擇（或控制）彈性和阻尼參數(shù)，懸架的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而避開(kāi)人體最敏感頻段，同時(shí)盡可能吸收振動(dòng)。3.1被動(dòng)座椅懸架被動(dòng)座椅懸架如圖4所示，其內(nèi)部無(wú)能源供給裝置，其彈性和阻尼系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定，參數(shù)確定后不隨外部狀態(tài)而改變。被動(dòng)座椅懸架的研究集中在懸架參數(shù)的測(cè)

定、分析、優(yōu)化等方面，而且以懸架彈性特性研究為主。已有研究包括對(duì)拖拉機(jī)、工程機(jī)械、圖4被動(dòng)座椅懸架⑺貨車等車輛的被動(dòng)做以懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試和評(píng)價(jià)。把懸架剛度設(shè)計(jì)為非線性彈性特性以彌補(bǔ)線性特性的缺陷，增加適應(yīng)能力。圖4被動(dòng)座椅懸架⑺總體來(lái)講，被動(dòng)座椅懸架通過(guò)設(shè)計(jì)成非線性彈性特性等方法，隔振效果有較大改進(jìn)，且對(duì)工況適應(yīng)能力有所提高，但是剛度和阻尼不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其隔振效果還達(dá)不到最佳，因此座椅懸架研究逐漸轉(zhuǎn)向剛度和阻尼實(shí)時(shí)可調(diào)的半主動(dòng)、主動(dòng)座椅懸架。3.2半主動(dòng)座椅懸架半主動(dòng)懸架由可控的阻尼元件(減振器)和彈簧組成，其無(wú)動(dòng)力源且通常只能調(diào)節(jié)阻尼力，如圖5所示。S.B.choi和j.h.choi等研究了基于電流變液(ER)阻尼器半主動(dòng)座椅懸架，建立了阻尼器的賓漢姆模型并采用滑模控制方法，基于整車模型的仿真表明該座椅懸架具有較好的減振效果，但是電流變需要高壓電源(2-5kV),因此實(shí)際應(yīng)用比較困難。磁流變液具有良好的可控性和力學(xué)性，和電流變液相比，其屈服強(qiáng)度高(50-100kpa)、驅(qū)動(dòng)電壓低(2-25v)，因而具有極高的應(yīng)用價(jià)值?；诖帕髯兊陌胫鲃?dòng)懸架逐漸成為座椅研究的熱點(diǎn)。目前的半主動(dòng)懸架具有只采用單一變阻尼的方法，采用剛度和阻尼聯(lián)合調(diào)節(jié)會(huì)更好，其實(shí)時(shí)性也有待進(jìn)一步研究。圖5半主動(dòng)座椅懸架⑺3.3主動(dòng)座椅懸架主動(dòng)座椅懸架可以采取兩種形式，一種是在被動(dòng)懸架中附加一個(gè)產(chǎn)生可控制作用力的裝TK億感器土可控力發(fā)十黠置，如圖5所示。該裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是液壓缸或電動(dòng)滾珠絲杠等力發(fā)生器，其可根據(jù)路面狀況，借助控制算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，使其處于最佳減振狀態(tài)。另一種形式不用彈簧和固定阻尼，只米用可控力發(fā)生器連接。TK億感器土可控力發(fā)十黠主動(dòng)座椅懸架通過(guò)力控制實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性與阻尼的聯(lián)合調(diào)節(jié)，效果最好，但能耗大，成本高。非線性剛度被動(dòng)懸架一一負(fù)剛度隔振技術(shù)4.1國(guó)內(nèi)外負(fù)剛度研究現(xiàn)狀正負(fù)剛度并聯(lián)隔振作為一種非線性被動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)很早就被提出，其原理為在正剛度彈簧上并聯(lián)負(fù)剛度彈簧機(jī)構(gòu)。正剛度彈簧作為承載彈簧，負(fù)剛度彈簧用于動(dòng)態(tài)時(shí)抵消正剛度,從而使減振系統(tǒng)的總剛度減小，固有頻率降低。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可靠性高且適用面廣。但由于負(fù)剛度機(jī)構(gòu)共尺寸設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算復(fù)雜，所以一直處于理論研究中，未得到廣泛應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算和仿真技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算和驗(yàn)證更加簡(jiǎn)便。近年來(lái)出現(xiàn)了連桿彈簧機(jī)構(gòu)、倒立擺機(jī)構(gòu)、歐拉壓桿機(jī)構(gòu)等負(fù)剛度機(jī)構(gòu)并得到了迅速的發(fā)展。目前，已廣泛應(yīng)用于航空航天、空間微重力、引力波探測(cè)等領(lǐng)域。

早在1979年斯里蘭卡科倫坡大學(xué)的j.vanEijk就將負(fù)剛度用于板簧的機(jī)械設(shè)計(jì)中，以減小系統(tǒng)的總剛度⑻。1985年杭州電子工業(yè)學(xué)院的范元卿，顧培民研制出了一種正負(fù)剛度彈性元件并聯(lián)的減振裝置，該裝置利用正負(fù)剛度相消的原理，將正負(fù)剛度彈性元件并聯(lián)使用，其剛度可以做到任意低，而且還可以通過(guò)調(diào)節(jié)正負(fù)剛度彈性元件的預(yù)變形量，實(shí)現(xiàn)對(duì)減振裝置額定載荷能力的大幅度調(diào)整。從而為減振尤其是低頻及超低頻減振提供了有效的手段％20世紀(jì)末美國(guó)航空和航天局langley研究中心采用了這一技術(shù)為航天飛行器研制隔振器,使最低頻率達(dá)到10Hz以下，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)與沖擊十分理想的隔離效果。利用正負(fù)彈簧并聯(lián)作為彈性元件的GDP型低頻隔振器和隔振與緩沖同時(shí)兼顧的GMH型隔振緩沖器也已應(yīng)運(yùn)而生。圖7負(fù)剛度彈簧結(jié)構(gòu)問(wèn)1989圖7負(fù)剛度彈簧結(jié)構(gòu)問(wèn)在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了含負(fù)彈簧的等頻振動(dòng)系統(tǒng)。負(fù)彈簧結(jié)構(gòu)如圖7所示［⑹。2004年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張建卓、董申研究了正負(fù)剛度并聯(lián)系統(tǒng)的力學(xué)及動(dòng)態(tài)特性，分析了正負(fù)剛度并聯(lián)各鎮(zhèn)系統(tǒng)的阻尼特性，提出了歐拉壓桿等多種實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度機(jī)構(gòu)共的力學(xué)模型，首次研制了多自由度超低頻隔振平臺(tái)，其垂直振動(dòng)方向固有頻率由原來(lái)的6Hz降低為0.75Hz，同時(shí)提高了系統(tǒng)產(chǎn)生內(nèi)共振的頻率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的超低頻寬頻帶振動(dòng)隔離，取得了很好的效果⑴-⑵。2007年韓國(guó)的C.M.Lee和俄羅斯的V.N.Goverdovskiy基于薄殼理論共同研制了帶有負(fù)剛度的座椅隔振機(jī)構(gòu)，并給出了理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了很好的效果［13］。該機(jī)構(gòu)將桿狀薄殼彈簧均勻地繞一個(gè)中心周圍排列，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的負(fù)剛度，如圖8所示。在理論分析的基礎(chǔ)上研制了應(yīng)用在汽車懸架及其座椅懸架的彈簧機(jī)構(gòu)，如圖9所示。圖8基于薄殼理論的負(fù)剛度結(jié)構(gòu)問(wèn)0.1140.0570.00()圖8基于薄殼理論的負(fù)剛度結(jié)構(gòu)問(wèn)0.1140.0570.00()-0.057-0.114-0.1710.2280.171-23 -17.25 -5.75 0 5.75 11.5 17.25 23Angleofrotation,(deg)(kNm)圖9基于薄殼理論的負(fù)剛度實(shí)物圖及有限元分析［13］2008年英國(guó)的A.Carrella,M.J.Brennan,I.PWaters和K.Shin共同研制出一種高靜剛度-低運(yùn)動(dòng)剛度的隔振系統(tǒng)，并建立了數(shù)學(xué)模型，給出了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。它的原理也是通

過(guò)增加負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，降低振動(dòng)頻率，提高隔振效果。該機(jī)構(gòu)的剛度是非線性的，但在平衡點(diǎn)附近較小振動(dòng)范圍內(nèi)是可近似為線性的。該機(jī)構(gòu)在正剛度彈簧的外端增加磁性裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度。被隔振物體放在了兩根垂直正剛度彈簧的中間，然后在彈簧的另外兩端加上磁鐵裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，應(yīng)用這種裝置可使系統(tǒng)的固有頻率從14hz降到7hz。其結(jié)構(gòu)如圖10所示［14］。Uppermagnet /SmoothbarLowermagnetattachediothehoststructureLowermagnetattachediothehoststructurespringsCentralmagnetsofmass,m(isolatedtuass)圖10高靜剛度一低動(dòng)剛度隔振系統(tǒng)MlInitialoosition'2012年韓國(guó)的ThanhDanhLe和KyoungKwanAhn正負(fù)彈簧并聯(lián)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出適用連桿一彈簧結(jié)構(gòu)的駕駛座椅負(fù)剛度減振的座椅模型，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。其主要特點(diǎn)在于，有完整的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為實(shí)際工程做鋪墊史-⑺。Initialoosition'圖11座椅隔振模型［⑸4.2實(shí)際生活中的負(fù)剛度現(xiàn)象及結(jié)構(gòu)4.2.1金屬材料拉伸時(shí)的負(fù)剛度現(xiàn)象金屬材料拉伸時(shí)，在超過(guò)極限屈服強(qiáng)度二時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)負(fù)剛度現(xiàn)象。其應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而減小，即是單位面積的力隨著單位長(zhǎng)度的增加減小。此時(shí)，材料產(chǎn)生了負(fù)剛度特性，如圖8所示。

圖12金屬材料拉伸特性曲線4.2.2歐拉壓桿實(shí)現(xiàn)的負(fù)剛度特性。如圖9所示，AB為一受壓聯(lián)合作用的細(xì)長(zhǎng)桿件，中點(diǎn)處受一橫向力F作用，兩端作用軸向力P。在AC和CB兩端內(nèi)，繞曲軸的微分方程是(4-3)y-Pv(0<r<(I-d)曲W—氏((】一0<^<o(4-3)式中右端第二項(xiàng)既表示軸向力對(duì)彎曲變形的影響，如壓力P取絕對(duì)值，因?yàn)椤肛?fù)值，所以軸向壓力事實(shí)上增大了彎矩的數(shù)值。引入記號(hào)(4-4)求出在：汀￡:-:的范圍內(nèi)，繞曲軸的方程式為vv=-^^sm(-kx)+7lx(4-5)求出在:「范圍內(nèi)，繞曲軸的方程式為v=v=—啤竺礬抽仏口-Q)+警位一町(4-6)在特殊情況下，橫向力F作用于中點(diǎn)，；=「：，由式求得界面C處的撓度§為(4-7)令1.=.<：二則§可寫(xiě)成(4-8)5=—2旦怙譏+竺=—止徉竺嚴(yán))Pk 4P 4SZ7Xti3丿(4-8)則壓桿在C點(diǎn)處的剛度K為(4-9)式中， ，為軸向力P=0時(shí)桿在C點(diǎn)處的橫向剛度。對(duì)幾何參數(shù)確定的負(fù)剛度結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)門(mén)是固定不變的，邛隨?變化而變化，若取門(mén)二】，二隨:變化曲線如圖10所示。圖14■'隨:?變化曲線由圖可知，由于軸向力P的作用，使桿在C點(diǎn)處的橫向剛度減小，在:工I二于二時(shí)出現(xiàn)負(fù)剛度。4.2.3水平彈簧受壓在豎直方向的負(fù)剛度特性在這里考慮時(shí)，該負(fù)剛度結(jié)構(gòu)去除了支撐彈簧和阻尼器且忽略了隔振設(shè)備的重量，如圖9所示。圖15隔振結(jié)構(gòu)示意圖該質(zhì)量塊在力F的驅(qū)動(dòng)下，從初始位置向下偏移x的位移。這樣導(dǎo)致水平彈簧被壓縮并產(chǎn)生豎直方向的回復(fù)力支撐質(zhì)量塊。該隔振設(shè)備在豎直方向產(chǎn)生的虛功導(dǎo)出如下：f匚二Fft— 甘:(4-10)根據(jù)虛功原理，該方程變換成：丁匕打一：廠：工.二甘:? (4—11)其中1 - 水平彈簧力甘——桿件與水平方向的夾角 水平彈簧的原長(zhǎng)-■——水平彈簧任意位置的長(zhǎng)度在這里忽略滑塊的長(zhǎng)度。在任意位置時(shí)，F(xiàn)由下式?jīng)Q定：(4-12)tun?)=(4-12)lh=lh=b一恥一（加d—尤尸(4-13)(4-14)將式（3）-（5）帶入（2）,該系統(tǒng)的回復(fù)力Fh導(dǎo)出如下：尸=2畸片=G ，—: 五 m+護(hù)如尸—刃（4-15）Ba1-Ch-Zn}:-xJ 冷!a2-口口三一債一乩尸一工） y將所有變量無(wú)因次化如下式（7）表達(dá)了無(wú)因次回復(fù)力與無(wú)因次位移的參數(shù)關(guān)系。圖3表達(dá)了表1中下一、下：各范圍內(nèi)無(wú)因次力與變形的特性關(guān)系：其中 -r——無(wú)因次回復(fù)力■■■■——無(wú)因次位移jy：——無(wú)因次空間配置參數(shù)二——支撐彈簧的無(wú)因次初始偏移量a——桿長(zhǎng)b——墻壁到質(zhì)量塊的距離由此，無(wú)因次回復(fù)力能寫(xiě)成：(4-16)(4-16)式（7）表達(dá)了（無(wú)因次）回復(fù)力與無(wú)因次位移的參數(shù)關(guān)系。圖11表達(dá)了表1中下」下：各范圍內(nèi)（無(wú)因次）力與變形的特性關(guān)系。我們能夠從圖11中得到一些關(guān)于負(fù)剛度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的啟示。當(dāng)下「:：】時(shí)，回復(fù)力總是隨著位移增加而減少，如圖11（a）所示。在這種情況下的結(jié)構(gòu)將具有負(fù)剛度特性，但是這個(gè)條件將不會(huì)在本設(shè)計(jì)模型的負(fù)剛度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮，其原因?qū)⒃谙乱徽略敿?xì)說(shuō)明。當(dāng)-三下「:：…二時(shí)，回復(fù)力在位置二和二分別存在最大和最小值。當(dāng)物體位移在:之內(nèi)，物體（無(wú)因次）回復(fù)力隨著物體（無(wú)因次）位移的增加而減少。而當(dāng)超出該區(qū)域時(shí)，物體（無(wú)因次）回復(fù)力隨著物體（無(wú)因次）位移的增加而增加。即是講，在這種情況下，該結(jié)構(gòu)的正負(fù)剛度特性取決于物體的位移。例如，當(dāng)：二時(shí)，在位移域I的剛度為負(fù)，而在位移域II的剛度

為正，如圖12所示。當(dāng). 時(shí)，(無(wú)因次)回復(fù)力總是增加的。即是講，該剛度恒為正。因此，此種條件下不能作為負(fù)剛度結(jié)構(gòu)。當(dāng)下一上二時(shí)，此時(shí)的情況與--^2<丁湘似，該系統(tǒng)擁有一個(gè)負(fù)剛度區(qū)間，如圖11(b)所示。當(dāng)7.<二,該系統(tǒng)始終擁有正剛度。LL⑴o」2crtcrta)-up-s.ua)LUQ.2

-_1.00.2 0.4 0.6 0.8.20-4-0-40.1.0.o.o.aa-*72-1-75f =1.6LL⑴o」2crtcrta)-up-s.ua)LUQ.2

-_1.00.2 0.4 0.6 0.8.20-4-0-40.1.0.o.o.aa-*72-1-75f =1.6?2=441.375?21-2-?72-1-081.0*72=0.92.O

O..6丄fuo」2crt出亦一up-s亡aLU□1.60.4 0.8 1.21.2 1.4—*T-!=0.2—*7-1=0.4-10-6—%=0.81=1.0?1=1-2o

o.2.0 2.4DiniensiunIessdisplacementx圖16[15]-1.2RegionII7J/agionl[1-1.2RegionII7J/agionl[111-0.20.0 d衛(wèi) 0.4 0.&0.S 1.0 T.2 1.4Dimensionl&ssdisplacementx圖17mnO-.4O-.8-O-.8O-.40ParameterCase1:匚fiarigeofthevalueofC^se2.：匚h^ngeofrhevalueof嘰0.75U2-_0.4_U6_O.S,1.0and1.20.92,1.0,1.0S,1.2,1.37,1.44,1.5and1.751.21'.6表2口5］主要參考文獻(xiàn)［1］徐曉美.基于磁力彈簧的非公路車輛駕駛員座椅懸架系統(tǒng)研究［D］：［博士學(xué)位論文］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，2006J.Lines,M.StilesandR.Whyte.Wholebodyvibrationduringtractordriving[J].Journaloflowfrequencynoiseandvibration,1995(14);87-95李洪忠.淺析我國(guó)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展[J].礦山機(jī)械,9(2005),36-38豆立新，龔烈航.礦山工程機(jī)械駕駛室動(dòng)態(tài)舒適性理論及分析[J].礦山機(jī)械，3(1998),74-77［5］鄭艷玲.人機(jī)工程學(xué)在轎車駕駛室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)春理工大學(xué),2008,4丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2005徐曉美.基于磁力彈簧的非公路車輛駕駛員座椅懸架系統(tǒng)研究[D]：[博士學(xué)位論文].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，2006J.vanEijk,J.F.Dijksman.Platespringmechanismwitheconstantnegativestiffness.MechanismandMachineTheory,1979,14(1):1-9范元卿，顧培民?正負(fù)剛度彈性元件并聯(lián)的減振裝置，CN8510917.1985.11.01彭獻(xiàn)，陳樹(shù)年，宋福磐?負(fù)剛度工作原理的初期探討?湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1992,19(4):89-94張建卓，李旦，董申，陳明君?歐拉壓桿在超低頻垂直隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2004,26(3):237-241張建卓，李旦，董申，陳明君?精密儀器用超低頻非線性并聯(lián)隔振系統(tǒng)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2004,15(1):69-71A.Carrella,M.J.Brennan,T.PWaters,K.ShinOnthedesignofahigh-static-low-dynamicstiffnessisolatorusinglinearmechanicalspringsandmagnets,JournalofSoundandVibration,2008,315:712-720C.-M.Lee,V.N.Goverdovskiy,A.I.Temnikov.Designofspringswith‘'negative''stiffnesstoimprovevehicledrivervibrationisolationJournalofSoundandVibration,2007,302:865-874LeTD,AhnKK.Avibrationisolationsysteminlowfrequencyexcitationregionusingnegativestiffn