一種基于振動舒適性的山地自行車后懸架參數(shù)設計方法

1、第41卷 第6期 2008年6月 天 津 大 學 學 報 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.基金項目:天津市科技發(fā)展計劃資助項目( 043186211 . 作者簡介:項忠霞(1964 ,女,碩士,副教授. 通訊作者:項忠霞,xiangzhx.一種基于振動舒適性的山地自行車后懸架參數(shù)設計方法項忠霞1,卜研1,張玉環(huán)2,黃田1(1. 天津大學機械工程學院,天津 300072;2. 天津理工大學理學院,天津 300191摘 要:采用實驗方法,比較了在不同頻率簡諧激勵下

2、后懸架配有不同類型減振器時全減振山地自行車車架的振動特性,發(fā)現(xiàn)在一定頻率范圍內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實驗驗證了該車架動態(tài)仿真模型的正確性,在此基礎上建立了整車動態(tài)仿真模型.借鑒國際標準ISO2631-1中人體承受全身振動的評價方法,給出了自行車騎行過程中振動舒適性的評價指標.采用均勻設計試驗法進行了整車動態(tài)仿真實驗,并通過逐步回歸分析找到了減振器剛度和結構尺寸等后懸架設計參數(shù)與評價指標之間的映射關系,同時利用規(guī)劃求解方法對設計參數(shù)進行了優(yōu)化.研究過程為山地自行車后懸架的設計提供了一種有效方法. 關鍵詞:山地自行車;后懸架;振動舒適性;均勻設計;

3、動態(tài)仿真;逐步回歸分析;優(yōu)化設計 中圖分類號:U484;TH122 文獻標志碼:A 文章編號:0493-2137(200806-0685-05Vibrant 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

4、,Tianjin University of Technology ,Tianjin 300191,China Abstract :The effect 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-forma

5、nce of the spring absorber is as good as those of the oil absorber and the 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 o

6、ptimization of the mountain bike rear suspension ,the evalu-ating standard 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-sh

7、ip between the standard of vibrant comfort and the design parameters for the 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 al

8、so determined. This study provides an available method to the de-sign of mountain 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態(tài)性能和舒適性要求很高的產品,也是我國自行車出口的主流產品1.山地車的振動會引起騎行

9、者的生理效應,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的影響,20世紀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686 天 津 大 學 學 報 第41卷 第6期構,而后懸架的設計具有一定的靈活性,且其對振動舒適性影響較大,因此近年來備受關注.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:單鉸結構(singly piv-oted structure ;四桿鉸接機構(pivoted four bar linkage ,簡稱四桿機構.單鉸結構

10、后懸架僅通過單鉸點與主車架相連,結構簡單,但其扭擺剛度較差;四桿機構后懸架與主車架通過兩個鉸點連接,具有較好的扭擺剛度,且可通過調整鉸點位置改變懸架的拓撲結構,目前已成為最流行的山地車車型.雖然山地車后懸架機構的專利不斷推出8-13,但懸架設計方面的研究還鮮見報道.筆者采用動態(tài)仿真手段,借鑒國際標準ISO2631-1中人體承受全身振動的評價方法14,研究山地車后懸架系統(tǒng)參數(shù)對振動舒適性的影響規(guī)律.總體思路:通過山地車車架實驗,比較不同減振器條件下車架振動特性,選擇其中一種減振器,建立車架的動態(tài)仿真模型,在此基礎上建立整車仿真模型,利用該整車模型進行仿真實驗,尋求山地車后懸架系統(tǒng)參數(shù)對振動舒適性

11、的影響 規(guī)律.1 振動舒適性評價方法機械振動對人體的健康和舒適性有很大影響.國際標準ISO2631-1中給出了人體承受全身振動的評價標準14.該標準規(guī)定了人體坐姿受振模型,其中包括3個輸入點共12個軸向的振動.根據(jù)人體對不同頻率和不同軸向振動敏感程度的不同,該標準將加權加速度均方根值w a 作為評價振動對人體舒適和健康影響的基本指標. 在山地車騎行過程中,如忽略車體的左右擺動,視人-車為平面運動系統(tǒng),同時假設人體為坐姿狀態(tài),車勻速行駛,借鑒文獻14中的人體坐姿受振模型,騎行者的振動情況可簡化為鞍座和腳蹬兩輸入點的2軸垂直線振動和鞍座部位單軸角振動.考慮到人體在騎行過程中的自我調節(jié)能力較強,鞍座

12、處的俯仰振動較小,故將單軸角振動忽略.在騎行過程中,由于腳部處于不斷運動狀態(tài),故將腳部振動簡化為中軸部位的振動.對于車把傳入人體的振動,應參照文獻15進行人體局部振動評價,考慮到自行車騎行速度較低,路面不平引起的振動頻率較低,手傳振動對人體的影響很小,故暫不考慮.綜上所述,山地車的振動舒適性可近似用鞍座和中軸處垂直方向振動的加權加速度均方根值w1a 和w 2a 的加權值v a 進行評價.另外人在騎自行車的過程中既是受振對象又是動力源,與靜止狀態(tài)下被動承受振動的人體來說對振動的反應有所不同,因此文獻14中所規(guī)定的加權加速度均方根的限定值并不完全適合自行車騎行者,故筆者只對振動舒適性做出相對評價,

13、即v a 值越小,表明振動舒適性越好.根據(jù)自行車檢測標準16,可用鞍座和中軸處垂直方向振動的加速度均方根值rms1a 和rms 2a 代替w1a 和w 2a .由文獻14中提供的軸加權系數(shù)可得v a 的表達式為v rms1rms 20.4=+a a a (12 山地車車架振動實驗與仿真2.1車架實驗方法與儀器設備選擇某型鋁合金全減振山地車為研究對象,該車后懸架采用四桿機構,前叉采用普通套筒式減振裝置.采用駿諺精機股份有限公司生產的CY-6715型快速振動疲勞試驗機進行車架振動實驗,實驗系統(tǒng)如圖1所示.文獻16給出了車架振動實驗的頻率范圍為6.610Hz ,且規(guī)定可在該頻率范圍內任選一頻率值進行

14、振動實驗.由于人體對2.57Hz 頻率振動的能量傳遞率較大17,為探索一定頻率范圍內車架的振動特性,故選擇振動頻率范圍為2.57Hz .根據(jù)自行車常規(guī)檢測標準16,將人體簡化為集中質量分布在車架上,載荷分配為:車把處5kg ;中軸處20kg ;鞍座處40kg .車架后輪施加正弦位移激勵,振幅為10mm .采用LMS 公司生產的SC 305型動態(tài)測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與處理.采用ICP 加速度傳感器測量垂直方向加速度,并取相同條件下3次測量平均值作為實驗值進行統(tǒng)計和分析,測量時間為120s .圖1 車架振動實驗系統(tǒng)Fig.1 Vibration testing system of the bike

15、 frame2.2 安裝不同類型減振器時車架的振動特性選擇普通彈簧、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,加速度均方根值為縱坐標,繪制不同頻率激勵條件下鞍座處的加速度響應曲線,結果如圖2所示.2008年6月項忠霞等:一種基于振動舒適性的山地自行車后懸架參數(shù)設計方法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.

16、00圖2連接不同減振器時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0.0112.83m-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0.007 615.722Hz.山地車騎行路況惡劣(如顛簸的山路,當騎行速度較快時,路面對山地車激振頻率普遍大于5Hz,從圖2可以看出,當激振頻率大于5Hz時,彈簧減振器的減振效果并不亞于氣壓和液壓減振器,而前者的價

17、格要比后兩者低廉得多.2.3 車架仿真實驗及結果比較采用Pro/ENGINEER和ADAMS軟件建立如圖3所示的車架系統(tǒng)仿真實驗臺,選擇彈簧減振器作為后懸架減振元件進行仿真實驗.仿真系統(tǒng)建模時做如下簡化:根據(jù)材料估算各運動副間摩擦;忽略配重連接件質量和材料本身的彈性;將車架視為剛體,并假設彈性元件存在很小的阻尼.仿真實驗所施圖3車架實驗仿真模型Fig. 3Bike frame model for dynamic simulation加的載荷和激勵條件與前述實驗相同.采用與圖3同樣的坐標系統(tǒng),繪制鞍座處實測和仿真的加速度均方根值曲線,如圖4所示.通過實測值與仿真值的比較發(fā)現(xiàn), 仿真實驗能較準確地

18、反映真實的實驗現(xiàn)象.鑒于仿真結果與實測結果振動特性規(guī)律的一致性,可在實驗頻率范圍內任意選取一固定值作為激勵頻率進行振動舒適性研究. 圖4鞍座處加速度均方根實測值與仿真值比較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)仿真實驗及參數(shù)優(yōu)化在車架仿真模型的基礎上增加車輪、車座及腳蹬等零部件,并以五桿剛體代替車架實驗中簡化為集中質量的人體,各剛體的質量分配參見文獻4

19、.在ADAMS中建立如圖5所示的人-車仿真系統(tǒng)模型并進行動態(tài)實驗,通過對實驗數(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D為坐標原點,建立坐標系,見圖6.其中DGr是自行車中軸與后輪軸之間的距離,是由自行車的型號決定的,受輪距的限制不宜改變,為403mm;為保證強度,C點與G點的距離不宜過大,故DCr不變,為386mm;考慮安裝空間以及原車的主結構造型,規(guī)定A點的位置是固688天 津 大 學 學 報 第41

20、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 設計變量及可行域Fig. 6 Design variables and their ranges的常用剛度和后懸架的結構限制,確定設計變量及其變化范圍: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AB r 變化時,減振器的一端總是位于桿AB 的中點,且與AB 垂直,另一端與主車架相連,可在JK 范圍內變化.選定6.6Hz 作為激勵頻率進行仿真實驗.根據(jù)均勻設計表*828U (28的使用表17,采用三因素28水平均勻實驗表進行仿真實驗,得到鞍

21、座和中軸處加速度均方根值rms1a 和rms 2a ,結果列于表2. 表2 三因素28水平均勻設計仿真實驗結果Tab.2 Simulation results according to the uniform design *828(28U實 驗次 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

22、312.6 1.24 1.04 1.66 4 88 130.0 364.6 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

23、.61 1.34 2.15 13 117 94.5 380.0 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.

24、8 1.73 1.45 2.31 22 146 102.0 320.4 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)設計參數(shù)與加權加速度均方根值v a 之間的關系,利用表2中的數(shù)據(jù),選取二次回歸模型進行逐步

25、回歸分析,得到回歸方程為v 16.777150.024460.03834AB a k r =+220.084040.000130.000040.00010BC AB BC BC r r r k r + (2 采用F 檢驗法對式(2進行顯著性校驗,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 P6.2810-192008年6月 項忠

26、霞等:一種基于振動舒適性的山地自行車后懸架參數(shù)設計方法 689利用EXCEL 的規(guī)劃求解功能,以加權加速度均方根值v a 最小為目標函數(shù),對式(2進行優(yōu)化,得到后懸架設計參數(shù)分別為:減振器剛度k =78N/mm ;連架桿長度AB r =90mm ;連桿長度BC r =361.7mm ,此時預測結果v a =1.90842m/s .以優(yōu)化的參數(shù)值作為變量進行仿真實驗,得到仿真結果為v a =1.82782m/s ,仿真結果與預測結果的誤差為4.2%,說明預測結果比較準確.4 結 論(1在一定的頻率范圍內,彈簧減振器的減振效果并不亞于氣壓和液壓減振器,因而可選擇廉價的彈簧減振器作為普通山地車后懸架

27、的減振元件.(2山地車騎行過程中的振動舒適性可用鞍座和中軸處的加權加速度均方根值進行相對評價,該值越小表明振動舒適性越好.(3利用二次逐步回歸分析方法所建立的方程可以比較準確地描述山地車后懸架系統(tǒng)的設計變量與振動舒適性之間的映射關系,利用該方程可進行振動舒適性預估.(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舒適性達到最佳的后懸架設計參數(shù). 參考文獻:1 中自協(xié). 2006年18月自行車產銷量J .中國自行車,2006(10:19. Chinese Bicycle Institute. Bicycle produce and sale quan-tity from January t

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