山地车减振方法研究

　　低频振动对人的影响非常大,人体对4～8Hz频率的振动能量传递率最大,这主要由胸部共振产生,其生理效应最大;人体腹部对10～12Hz频率的振动的生理效应次之;对频率为20～25Hz的振动感到不舒适。此后,随着频率的增高,其生理效应也相应减弱。随着人们生活水平的不断提高,山地车渐渐成为人们在野外郊游与交通的常用工具。然而,野外较差的道路所产生的振动给人们带来非常有害的影响,必须探索和采用现代设计方法来开发质高价廉的新产品。实验表明,由于山地车在路面较差的郊外和山区行驶,因此,它的减振问题是其动态设计的关键。本文通过建立目标函数对系统性能参数进行优化,以降低振动对人体的影响。

　　1　系统频率响应函数

　　车辆在一定速度下行驶时,路面激励可看成平稳随机过程,且具有各态历经和正态分布性质。对于线性系统,当输入平稳各态历经的正态随机过程时,系统的输出仍保持这些特性。因此,只要确定了响应的均值和方差,整个过程的统计规律就可确定。为此,首先求出系统频率响应函数。

　　假设系统运动微分方程

其中:M,C,K分别为n阶的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,F为n维外力向量。

　　对式(1)进行拉普拉斯变换,得

　　假设系统是稳定的,将s以jω代之,即得到广义坐标X对激励的频率响应函数为

其中:Hki(ω)(k=1, 2,…,n,　i=1, 2,…,n)表示广义坐标xk对yi的频率响应函数。选定一系列的ω值代入,计算前面非齐次代数方程组的解,得到一系列相应的频率响应函数值构成H(ω)。当求得H(ω)之后,根据给定的激励功率谱密度函数矩阵,就可以计算出各自由度之间的响应功率谱密度函数矩阵。

　　假设前轮激励f1与后轮激励f2完全相同,仅在时间上滞后τ0,根据随机振动理论,广义位移xi的功率谱密度为

其中:v(m/s)为车行驶速度;τ0=l/v,l为前后轮轴距。

　　利用式(5)可求各点位移的功率谱密度。各点的加速度功率谱密度为

　　2　优化设计的数学模型

　　根据人机工程学的观点[1],振动对人体的影响主要取决于振动的强度、振动频率和暴露时间等因素。振动强度一般是用加速度有效值来计量的。实验证明,人体对频率为4～8Hz的振动最敏感,频率高于8Hz或低于4Hz,敏感性就逐渐减弱。对于同强度、同频率的振动来说,振动的影响还同振动的暴露时间有关,短暂时间内可以容忍的振动,时间一长就很可能不能容忍。ISO2631标准将暴露于振动环境下的人体疲劳程度用人体所受的振动加速度均方根值、振动频率及人体在该振动环境下能忍受的时间三者间的关系图线表示。