基于功率键合图理论的仿生馈能减震座椅设计.pdf
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1、第2 7 卷第2 期2024年4月扬州大学学报(自然科学版)Journal of Yangzhou University(Natural Science Edition)Vol.27 No.2Apr.2024基于功率键合图理论的仿生馈能减震座椅设计吴倩雯,关栋1*,杨征葳?(1。扬州大学机械工程学院,江苏扬州2 2 512 7;2.中国北方车辆研究所,北京10 0 0 7 2)摘要:为有效衰减工程机械车辆的低频振动,设计了一种应用于重型车辆的馈能减震座椅.首先,模仿袋鼠下肢骨骼的多连杆串联结构设计“X”型减震结构;其次,利用功率键合图建立减震座椅模型,通过MATLAB/Simulink模块进行
2、数值仿真;最后,采用SolidWorks建立三维模型,导人ADAMS进行运动仿真,并与数值仿真结果进行对比分析.仿真结果表明:振动频率越大,能量回收系统的输出功率越高;当振动频率为2 Hz时,峰值输出功率为0.7 5W,能够为车辆内各传感器供电,进而实现减震和馈能该设计为减震座椅的馈能特性研究提供了新思路。关键词:减震座椅;功率键合图;仿真;仿生中图分类号:TH113.1D0I:10.19411/j.1007-824x.2024.02.001车辆长期处于低频振动行驶状态会导致驾驶员的腰椎损伤17,甚至诱发病变2,故衰减车辆振动极为重要.传统载具通常采用悬架缓冲各种不平整路面传给车架或车身的冲击
3、力,并减少由此引起的振动,以提高汽车行驶的平顺性和缓解驾驶员疲劳感.然而,对于挖掘机、推土机等工程机械,驾驶室与底盘一般采用刚性连接,车轮或履带的冲击力将直接传导至驾驶室.为此,Hostens等3 采用空气弹簧和储气罐改进了一种安装在移动农业车辆上的空气悬架座椅,通过节流阀降低结构的固有频率和空气阻尼;Sun等4设计了一种用于履带式工程车辆的气动人工肌肉阻尼座椅,采用自校正模糊比例-积分-微分(proportion-integral-differential,PID)控制器对气动人工肌肉阻尼座椅进行控制;Ning等51研发了一种节能型可变阻尼座椅悬架系统,其座椅悬架的避震性能不仅优于最高阻尼和
4、最低阻尼座椅悬架,也优于传统的被动式座椅悬架.目前,国内外关于减震座椅的研究已取得一定进展,但结合馈能减震器的减震座椅设计鲜有报道.本文拟提出一种应用于挖掘机等重型车辆的馈能减震座椅,模仿袋鼠下肢骨骼的多连杆串联结构,并结合馈能减震器和能量回收系统实现减震和馈能。1减震座椅的基本结构袋鼠下肢骨骼可以看作一种多连杆串联结构,在袋鼠进行跳跃运动时,振动由足部向上传播,多连杆串联结构的各连杆能够有效分担振动,致使各连杆进行上下方向的运动,此时袋鼠下肢肌肉进行拉伸和收缩(肌腱作用),缓解了各连杆的上下运动,从而有效减少振动.本文通过模拟袋鼠下肢的骨骼结构,设计“X”型减震结构的工程车辆减震座椅,如图1
5、所示。图2 为所设计减震座椅的具体结构示意图.减震座椅包括座椅支架和电磁减震器两部分,其中座椅支架与连接件的一端固定,减振器的齿条与连接件的另一端固定,通过螺丝固定在滑块上,电收稿日期:2 0 2 3-0 9-11.联系人,E-mail:d o n g g u a n y z u.e d u.c n.基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 0 0 543 3);江苏省产学研合作资助项目(BY20231480);扬州市科技计划资助项目(YZ2023213).引文格式:吴倩雯,关栋,杨征葳.基于功率键合图理论的仿生馈能减震座椅设计J.扬州大学学报(自然科学版),2 0 2 4,27(2):1-8
6、.文献标志码:A文章编号:10 0 7-8 2 4X(2 0 2 4)0 2-0 0 0 1-0 82磁减震器由外壳、长轴、短轴、支架、单向轴承、电机、齿轮、齿条和滑块等组成.当座椅有上下晃动的趋势时,座椅支架移动,带动滑块作直线运动,滑块移动方向与齿条平行,通过连接件带动齿条作相对于机架的直线运动.运动状态下,齿条左右移动,齿轮1、齿轮3 与齿条接触,当齿条沿图2(b)中绿色箭头方向移动时,由于单向轴承作用,齿轮1带动长轴转动;当齿条沿图2(b)中橙色箭头方向移动时,齿轮1空转,齿轮3 带动齿轮2 转动,进而带动长轴转动,故无论齿条沿任何方向移动,长轴均持续单向旋转.长轴通过联轴器带动电机输
7、入轴转动,电机轴转动产生感应电动势,将机械能转化为电能,达到馈能发电效果,故该结构能够保证输出轴单向旋转,从而提高电机发电效率.电机转动时会产生较大的电磁阻尼力,能够有效衰减座椅震动,起到减震作用.一齿轮酒条外壳齿轮2单向轴承滑块连接件支架齿轮2滑块长联轴轴支架连接件器齿条(a)座椅支架Fig.2 A schematic of the structure of the damping seat2基于功率键合图理论的能量模型2.1功率键合图模型键合图理论为解决复杂工程系统的建模问题提供了有效途径6-8.将减震座椅的物理模型转换为相应的功率键合图模型前,先根据功率键合图的特点分析减震座椅各部件的力
8、学特性,具体如下:1)作用在座椅底座的力为动力源;2)座椅上平台与“X”型结构的连接端为多通口转换器1,将平移运动转换为旋转运动,座椅“X”型结构与减震器齿条的连接端为多通口转换器2,将旋转运动转换为平移运动,工作过程应考虑扭转刚度;3)对负载进行集中质量处理,考虑负载的拉压刚度.以“X”型结构为边界,系统从平移部分到旋转部分再到减震器,建立减震座椅的功率键合图模型,主要分为袋鼠下肢仿生“X”型结构连杆及减震器两个模块,具体如图3 所示.袋鼠下肢仿生扬州大学学报(自然科学版)电机(b)电磁减震器图2 减震座椅的结构示意图第2 7 卷(a)模型图(b)实物图图1减震座椅Fig.1Damping
9、seat长轴齿轮1短轴齿轮1齿轮3第2 期“X”型结构连杆模块中,利用负载质量及弹簧模拟袋鼠的重量及肌肉弹性,通过座椅上下平移运动转化为连杆旋转运动模拟袋鼠躯干转换至下肢的弯曲运动,通过连杆旋转运动转化为连接件平移运动模拟下肢转换至底部的相对平移运动.减震器模块分为拉伸和压缩两种情况.图3 中,MTF为多通口转换器;TF为变换器;F和T为键上的势变量;mi为负载质量;ki为弹簧的刚度系数;K,为齿条的刚度系数;Kg1,K g 2 和Kgs分别为齿轮2、齿轮3 和齿轮1的刚度系数;K。为联轴器的刚度系数;JI和J2分别为上、下支撑条的转动惯量;J.为齿条的转动惯量;Jgl,Jg 2 和Jg分别为
10、齿轮2、齿轮3 和齿轮1的转动惯量;J。为联轴器的转动惯量;I2为负载转动惯量的功率键合图元素;I,和I1o分别为上、下支撑条转动惯量的功率键合图元素;I12为齿条转动惯量的功率键合图元素;Iig,I2 4,I19分别为齿轮1、齿轮2 和齿轮3 转动惯量的功率键合图元素;I23和I28为联轴器转动惯量的功率键合图元素;CA为弹簧刚度系数的功率键合图元素;Ci4为齿条刚度系数的功率键合图元素;Ci7,C2 2,C17分别为齿轮1、齿轮2 和齿轮3 刚度系数的功率键合图元素;C21和C26为联轴器刚度系数的功率键合图元素;S.为发电机的电磁转矩.吴倩雯等:基于功率键合图理论的仿生馈能减震座椅设计3
11、I:m,C:K,S:F1重力及肌躯干转换驱动力肉弹性至下肢袋鼠下肢仿生“X型结构连杆模块1,:J,618MTFHMTF下肢转换至底部14:1/K齿条转换器齿轮3减震器模块(a)压缩状态7:1/K19:J.22:1/K.123:J.23联轴器S.:T一电磁转矩门:mIS:F!10HMTF驱动力,重力及肌躯干转换肉弹性至下肢袋鼠下肢仿生“X”型结构连杆模块图3 不同减震器状态下仿生馈能减震座椅的功率键合图Fig.3Power bond graphs of bionic energy harvesting damping seat in different states2.2状态方程减震器处于压缩状
12、态下仿生馈能减震座椅的功率键合图模型中共有8 个储能元件,分别为惯性元件I2,I z,I 12,I 19,I 2 3 和容性元件Cio,C 14,C 2 1.根据各元件设立系统状态变量X=p q1o pQu4 p1sQ2 paT,输人变量U=Sel SeaJT.根据功率键合图推导状态方程的原则,得到减震器压缩状态下仿生馈能减震座椅的状态方程p2=Sel-M,M2q10/Cio,p7=M2q10/Ci0o,Q10o=MM,Co p2/Iz(MiMC+Cio)-M,Cio /LI,(MMC+Co)-Clo P12/LI12(MMC+Cio),p12=q10/Cio+q14/Ci4,q14=Crp1
13、2/I12(mC,+C1a)一mCrp1g/LI1。(mC,+Ciu),p1g=mq14/Ci4+q21/C21,q21=p19/I1gp23/23,(p23=Se24+p21/C21.12:J,Ci4:1/k.Hi13下肢转换齿条转换器齿轮1转换器齿轮2至底部减震器模块(b)拉伸状态Ci:1/KIio:J.9TF1C2:1/Kei12112224T.2128TFHK29S:T联轴器电磁转矩12:1/K.I2J.4式中m为转换器模数,此处为1;M为多通口转换器MTF的模数,Mi=1/(4I)-,其中l为座椅连杆长度,为座椅振幅;M为多通口转换器MTF的模数,M,=lsin0,其中为座椅连杆与水
14、平线间的夹角。建立减震器压缩状态下仿生馈能减震座椅的数学模型00CloM200p2M,M,CioI,(MiM;C,+Cio)Q100P12Q14p19q21力2 3减震器处于拉伸状态下仿生馈能减震座椅的功率键合图模型中共有10 个储能元件,分别为惯性元件I2,I7,I12,Ii g 9,I2 4,I2 s 和容性元件Cio,C14,C2 2,C2 6.根据各元件设立系统状态变量X=p Q1o P12Q14 19Q2224Q26 2sT,输人变量U=SelSe2T.根据功率键合图推导状态方程的原则,得到减震器拉伸状态下仿生馈能减震座椅的状态方程p2=Sel-MiM2q10/Cio,p1=M2q1
15、o/Cio,q1o=M,M,Co 2/I2(MiMC+Cio)-M,Cio /I,(MMC+Cio)J-Clo P12/LI12(MMC+Clo),p12=q10/Cio+q14/Ci4,q14=C,p12/I12(mC,+Ci4)一mC,P1/I1g(mC,+Ci4),p19=mq14/Ci4一mq22/C22,q22=mp19/I1gp24/124,p24=q22/C22q26/C26,q26=p24/I242s/I28,(p28=Se29+P26/C26.建立减震器压缩状态下仿生馈能减震座椅的数学模型扬州大学学报(自然科学版)M.MCloM.Cio0I,(MiMC,+Cio)10C000
16、00000第2 7 卷0000Cio0Ii2(MiM;C,+Clo)10CC0I12(mC,+Cm)000000P210P700q100P120q1400P1900q2100P23LO10000000mc0Ii(mC,+Cu)m0C1011900SeSe2400000010C101231C210第2 期M,M,CioI,(MMC,+Co)Pq10P12914922Q26Lp283减震座椅动态特性为验证本文建立的功率键合图数学模型的正确性,首先在ADAMS软件中进行虚拟样机模拟,得出电机输出轴的转速以及受力情况,计算减震座椅的输出功率;然后通过MATLAB中的Simu-link模块对功率键合图进
17、行建模与仿真,得出输出功率曲线;最后通过比较虚拟样机模拟的仿真结果与数值分析结果,验证所搭建的功率键合图数学模型的正确性。3.1虚拟样机模拟通过对减震座椅进行测绘,确定减震座椅各部件的尺寸,利用SolidWorks软件建立三维模型,导人ADAMS中进行仿真模拟,并对座椅支架和减震器施加约束.座椅支架部分的约束如下:对减震座椅上平台施加50 0 6 0 0 N的力,用来模拟驾驶员的体重,上下平台之间添加拉压弹簧阻尼器,设置刚度系数为2 5Nmm-1;上平台与“X型结构之间和“X”型结构与滑块连接件之间分别添加转动副约束,滑块与滑块连接件之间添加固定副约束,滑块与平台之间添加移动副约束.减震器部分
18、的约束情况如表1所示.3.2基于键合图的仿真分析根据键合图元和方块图单元的对应关系,将仿生馈能减震座椅的功率键合图模型转换为减震座椅方块图,结果如图4所示,图中s为时间函数的拉普拉斯变换,和表示键上的流变量,经过多吴倩雯等:基于功率键合图理论的仿生馈能减震座椅设计M.M0000M.CioI,(MiMC,+Cio)0000000000000500CioM0I12(MMC+Cio)10CC,0Tie(mC,+Cu)000000P2P7q10P12q14P19q22P24q26力2 8000Cio01C0Ig(mC,+Ct)Cm000000000700000000000000_01000000mc,
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