拖拉機(jī)安全舒適座椅設(shè)計(jì)全套圖紙

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論文(全套CAD圖紙) QQ 36396305 編號(hào)（學(xué)號(hào)）：12254013 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） （ 2012 屆本科） 題 目： 拖拉機(jī)安全舒適座椅設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日

2、期： 2013 年 6 月 4 日 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書(shū) 論文(設(shè)計(jì)) 題目 拖拉機(jī)安全舒適座椅設(shè)計(jì) 下發(fā)任務(wù)日期 2013.05.01 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 教授 一. 論文（設(shè)計(jì)）主要內(nèi)容 對(duì)座椅的設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)和部分零部件的設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)包括對(duì)座椅的設(shè)計(jì)最優(yōu)方案選擇、座椅設(shè)計(jì)內(nèi)容的確定；部分零部件的設(shè)計(jì)可分為座椅底座設(shè)計(jì)、座椅靠背設(shè)計(jì)、座椅減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用Ansys軟件對(duì)減震系統(tǒng)的截錐螺旋壓縮彈簧進(jìn)行分析，得出它在受到載荷時(shí)應(yīng)力的分布、共振頻率，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)指導(dǎo)座椅的設(shè)計(jì)。并且建立人—座椅模型來(lái)模擬駕駛員的工作

3、狀態(tài)，得出座椅的仿真運(yùn)動(dòng)，以此指導(dǎo)座椅的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 二.論文（設(shè)計(jì)）的基本要求 1.有關(guān)資料的收集： 要求盡量收集第一手資料，資料要真實(shí)、可靠、有代表性。 2 資料的整理與分析： 要求條理清晰，數(shù)據(jù)分析詳盡。 3 查閱相關(guān)文獻(xiàn)： 要求貼近主題，有參考價(jià)值。 4 認(rèn)真撰寫(xiě)論文，字?jǐn)?shù)在10000字以上。 三.論文（設(shè)計(jì)）工作進(jìn)度安排 階段 論文（設(shè)計(jì)）各階段名稱(chēng) 日期 1 座椅在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀的資料收集 2012.4.1—2012.4.15 2 查閱相關(guān)文獻(xiàn) 2012.4.16—2012.4.20 3 座椅總體設(shè)計(jì) 2012.4.21—2012.

4、5.1 4 撰寫(xiě)論文初稿 2012.5.1—2012.5.10 5 集合總體設(shè)計(jì)，對(duì)座椅的零件進(jìn)行設(shè)計(jì) 2012.5.10—2012.5.25 6 論文完成 2012.5.26 —2012.6.12 備注： 四.應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)（指導(dǎo)教師指定） 1、拖拉機(jī)駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)文獻(xiàn) 2、自動(dòng)控制原理文獻(xiàn) 3、拖拉機(jī)座椅系統(tǒng)動(dòng)態(tài)舒適性的設(shè)計(jì)綜述研究資料 說(shuō)明：此任務(wù)由指導(dǎo)教師填寫(xiě)一式兩份，一份發(fā)給學(xué)生，一份發(fā)給指導(dǎo)教師留存。 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）選題審批表 選題名稱(chēng) 拖拉機(jī)安全舒適座椅設(shè)計(jì) 題目來(lái)源 指導(dǎo)老師提供 學(xué)號(hào)

5、12254013 姓名 余東 專(zhuān)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 張本華 職稱(chēng) 教授 研 究 內(nèi) 容 1.座椅底座尺寸設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2.座椅靠背尺寸設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 3.座椅減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 4.座椅關(guān)鍵零件分析。 研 究 計(jì) 劃 1.先從網(wǎng)絡(luò)、圖書(shū)館和指導(dǎo)老師處收集與拖拉機(jī)座椅安全舒適設(shè)計(jì)相關(guān)的文獻(xiàn)資料，對(duì)這些文獻(xiàn)資料進(jìn)行篩選、歸納，總結(jié)自己所需要的文獻(xiàn)資料。 2.對(duì)座椅進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最優(yōu)方案選擇、零部件設(shè)計(jì)，及其減震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 3.對(duì)座椅的設(shè)計(jì)編寫(xiě)任務(wù)說(shuō)明書(shū)，對(duì)照任務(wù)說(shuō)明書(shū)對(duì)座椅的零件進(jìn)行校核。 4.對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行進(jìn)一步分析

6、，校核。 5.對(duì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行修改，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行論證。 6.設(shè)計(jì)完成。 特 色 1.利用截錐螺旋壓縮彈簧對(duì)座椅進(jìn)行非常有效的減震設(shè)計(jì)。 2.座椅靠背和座椅底座采用凹凸面設(shè)計(jì)。 指 導(dǎo) 教 師 意 見(jiàn) 教 研 室 意 見(jiàn) 學(xué) 院 意 見(jiàn) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)記錄 學(xué)生姓名 余東 專(zhuān)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名 張本華 職稱(chēng) 教授 本年度指導(dǎo)畢業(yè)生人數(shù) 論文（設(shè)計(jì)）題目 拖拉機(jī)安全舒適座椅設(shè)計(jì) 時(shí)間 地點(diǎn) 指導(dǎo)內(nèi)容

7、 學(xué)生簽字： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）考核表 論文題目：拖拉機(jī)安全舒適座椅設(shè)計(jì) 姓名：余東 學(xué)號(hào)：12254013 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 指導(dǎo)教師（簽字）：? 年 月 日 評(píng)閱人評(píng)審意見(jiàn)：

8、 評(píng)閱人（簽字）：? 年 月 日 答辯委員會(huì)意見(jiàn)： 主任委員（簽字）：? ? 年 月 日 注：答辯委員會(huì)意見(jiàn)除填寫(xiě)簡(jiǎn)要評(píng)語(yǔ)

9、、給出成績(jī)外，還要提出是否授予學(xué)位的建議。 目 錄 中文摘要（關(guān)鍵詞）………………………………………………………………………1 Abstract……………………………………………………………………………………2 前言…………………………………………………………………………………………3 1 拖拉機(jī)安全舒適座椅總體設(shè)計(jì) ………………………………………………………4 1.1 拖拉機(jī)安全舒適座椅理論設(shè)計(jì)思路……………………………………………4 1.2 座椅的設(shè)計(jì)內(nèi)容…………………………………………………………………5 1.3 座椅設(shè)計(jì)方案比較………………………………………

10、………………………5 1.3.1 座椅采用普通壓縮彈簧與座椅采用截錐壓縮彈簧方案比較………………6 1.3.2 座椅采用整體式與座椅采用框架式方案比較 ……………………………10 2 拖拉機(jī)座椅零部件設(shè)計(jì)………………………………………………………………12 2.1 座椅底座設(shè)計(jì) …………………………………………………………………12 2.1.1 座椅底座主動(dòng)振動(dòng)仿真分析 ………………………………………………12 2.1.2 座椅底座高度、寬度、長(zhǎng)度、傾角的尺寸設(shè)計(jì) …………………………15 2.2 座椅靠背結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………………………16

11、 2.3 座椅靠背寬度、高度、傾角尺寸設(shè)計(jì) ………………………………………16 3 拖拉機(jī)座椅截錐螺旋壓縮彈簧分析…………………………………………………19 3.1 截錐螺旋壓縮彈簧實(shí)體模型的建立 …………………………………………19 3.2 截錐螺旋壓縮彈簧靜力分析 …………………………………………………19 3.3 截錐螺旋壓縮彈簧的自振頻率計(jì)算 …………………………………………21 4 結(jié)論……………………………………………………………………………………22 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………23 致

12、謝 ………………………………………………………………………………………25 附錄 ………………………………………………………………………………………26 [鍵入文字] [鍵入文字] [鍵入文字] 摘 要 拖拉機(jī)座椅是拖拉機(jī)駕駛員工作的第一環(huán)境，以往的拖拉機(jī)座椅都是直接采用座墊保證座椅的安全舒適，但本篇論文是通過(guò)對(duì)拖拉機(jī)駕駛員的身體幾何尺寸的分析，設(shè)計(jì)出拖拉機(jī)座椅的合適座椅底座寬度，座椅底座長(zhǎng)度，座椅底座高度，座椅靠背寬度，座椅靠背高度靠背與座椅底座角度及座椅底座自身角度。利用solidworks軟件對(duì)座椅整體進(jìn)行模擬繪制，確定座椅整體及零部件尺寸；利用cad軟件對(duì)座椅整體

13、裝配圖進(jìn)行繪制及座椅的重要零部件繪制，確定部分零部件的精確尺寸及裝配條件；在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于座椅最重要的零件截錐彈簧，采用ANSYS軟件對(duì)截錐螺旋壓縮彈簧進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，通過(guò)ANSYS的建模、加載、求解、結(jié)果分析等的過(guò)程，并與理論解進(jìn)行比較，判斷求解精度; 利用前饋型自適應(yīng)控制系統(tǒng)的最小均方值算法,對(duì)座椅振動(dòng)實(shí)施主動(dòng)控制,以改善座椅的動(dòng)態(tài)舒適性。建立六自由度人體—座椅系統(tǒng)模型和主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)模型,并在Simulink 下進(jìn)行仿真。 關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)；模擬繪制；靜力分析；主動(dòng)振動(dòng)控制仿真分析 Abstract Tract

14、or seat is the first work environment to Tractor driver , the traditional tractor seat directly uses seat cushion to ensure the seat safe and comfortable . In this article , through the analysis of the tractor driver’s body geometry size , designing the right seat base width of the tractor seat, sea

15、t base length , seat base height , the seat back width and height , the angle of the seat back and seat base. Use solidworks software to simulate drawing the whole seat , determine the seat parts and the whole ‘s sizes of the seat . Use CAD software to draw the whole seat assembly and important pain

16、t components ,determine the exact dimensions of the seat parts and the assembly conditions to the seat . In the designing process , for the seat the most important seat parts is the cut cone helical spring , use ansys software to analysis the cut cone helical spring’s static and modal characteritics

17、 , through the process of ansys modeling, loading, solving, result analysis, etc,then compared with the theoretical solution,judge the precision . Based on the minimum mean square value filter of feedforward adaptive control system,and take active controlment for the implementation of seat vibration

18、 in order to improve the dynamic comfort seat . Set up six degrees of freedom, human body -seat system model and active vibration control system model ,and simulated in Simulink. Key words: Design; Simulation draw；Static analysis；Active vibration control simulation analysis

19、前言 駕駛座椅設(shè)計(jì)的良好與否直接影響著駕乘者的健康。長(zhǎng)時(shí)間坐在拖拉機(jī)座椅中，若是脊椎得不到應(yīng)有的支持，則腰部就會(huì)因弓彎而造成椎骨、椎盤(pán)、肌腿的負(fù)荷，進(jìn)而導(dǎo)致慢性肌肉疲勞并產(chǎn)生酸痛;再加上長(zhǎng)時(shí)間維持相同坐姿，還會(huì)造成脊椎壓力過(guò)大而導(dǎo)致椎間盤(pán)突出，若是壓迫到神經(jīng)，容易發(fā)生麻痹的想象。然而，在駕乘拖拉機(jī)的過(guò)程中，脊椎除了不一定保持停滯狀態(tài)外，也會(huì)跟著路況的變化而改變，這些情況下，脊椎的變化也就更加復(fù)雜，其所導(dǎo)致坐姿不良的狀況，會(huì)引起腰酸背疼或慢性的肌肉發(fā)炎，加上拖拉機(jī)工作環(huán)境比較惡劣，所以駕乘拖拉機(jī)時(shí)，對(duì)人體健康影響很大[1]。 拖拉機(jī)座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要因素。舒適而操作方便的駕駛

20、座椅, 可以減少駕駛員疲勞程度,降低故障的發(fā)生率，拖拉機(jī)駕駛員座椅設(shè)計(jì)優(yōu)劣與否直接關(guān)系到駕駛質(zhì)量[2]。 拖拉機(jī)中的座椅是人與車(chē)接觸的界面,人們駕駛拖拉機(jī)的舒適性主要與座椅有關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高,人們對(duì)工作、生活、休息質(zhì)量的要求不斷提高,以前的那種從拖拉機(jī)座椅到拖拉機(jī)座椅設(shè)計(jì)模式已不能滿(mǎn)足日益豐富的工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)以及廣大消費(fèi)者對(duì)它的期望[3]。 這就要求拖拉機(jī)座椅設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候能充分將人的因素、產(chǎn)品使用的環(huán)境因素甚至整個(gè)社會(huì)的文明文化合理地、科學(xué)地運(yùn)用其中。在設(shè)計(jì)中必須始終將人的因素貫穿在整個(gè)設(shè)計(jì)的始終。技術(shù)的發(fā)展要圍繞人的需求來(lái)展開(kāi),產(chǎn)品和環(huán)境的設(shè)計(jì)要更好地適應(yīng)和

21、滿(mǎn)足人類(lèi)的生理和心理的特點(diǎn),這已逐漸在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)者和消費(fèi)者中形成共識(shí)[4]。 因?yàn)榭勘持饕邱{駛員放松時(shí)用來(lái)承載力的，所以座椅靠背設(shè)計(jì)寬些[5]?，F(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計(jì)師意識(shí)到:產(chǎn)品是否能夠被用戶(hù)接受及被接受的程度不但取決于產(chǎn)品的市場(chǎng)因素如技術(shù)特征、價(jià)格和服務(wù),而且越來(lái)越多地取決于產(chǎn)品的外觀造型和人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)[6]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的提高，越來(lái)越多的拖拉機(jī)已走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。拖拉機(jī)座椅設(shè)計(jì)的好壞直接影響著駕駛員身體的健康狀況。因此設(shè)計(jì)出一種能夠適合我國(guó)廣大拖拉機(jī)駕駛員的拖拉機(jī)座椅意義很大[7]。 1 拖拉機(jī)座椅總體設(shè)計(jì) 1.1 拖拉機(jī)安全舒適座椅理論設(shè)計(jì)思路 拖拉機(jī)

22、座椅安全舒適設(shè)計(jì)原理：通過(guò)一套從座椅底座到座墊的減震裝置使拖拉機(jī)在行駛時(shí)，將拖拉機(jī)自身及其外部對(duì)拖拉機(jī)作用產(chǎn)生的震動(dòng)消除，通過(guò)拖拉機(jī)座椅左邊的拉桿向里壓，使座椅底座和座椅靠背連接處空套連接，這時(shí)就可以調(diào)節(jié)座椅靠背的傾角，此外，通過(guò)調(diào)節(jié)座椅在滑道上前后位置以滿(mǎn)足體型不同的駕駛員，對(duì)座椅進(jìn)行四向調(diào)節(jié)，使駕駛員舒適駕駛；在駕駛過(guò)程中，在座椅兩側(cè)加上擋板，避免拖拉機(jī)側(cè)翻將駕駛員壓住，使駕駛員安全駕駛，座椅初步設(shè)計(jì)圖1，如下 圖1 座椅整體設(shè)計(jì) 拖拉機(jī)座椅的設(shè)計(jì)要考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能要求[8]。一個(gè)舒適的拖拉機(jī)座椅要求如下: (1)座椅底座應(yīng)該提供一個(gè)舒適的坐姿和控制姿勢(shì)。 (2)它應(yīng)該降對(duì)低

23、操作員的機(jī)械沖擊和振動(dòng)。 (3)它應(yīng)該穩(wěn)固操作員并提供容易控制機(jī)器的作用。 (4)它的位置相對(duì)于拖拉機(jī),為駕駛員提供足夠的視野,讓駕駛員安全快速的完成工作。 (5)座椅底座支持大腿的重量和上身，座椅底座和座椅靠背須支撐體重大部分。 圖2 股骨在正常位置的縮略圖 (6)一個(gè)好座椅應(yīng)該支持脊柱姿勢(shì)接近正確的曲率（圖2）。不應(yīng)該是軟的靠背調(diào)整到后面,防止疾病。 (7)座墊前面的膝蓋和臀部肌肉應(yīng)該去改變駕駛員的位置,這樣來(lái)緩解壓力和對(duì)肌肉的擠壓。 (8)拖拉機(jī)座椅能為身體在連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)提供舒適環(huán)境。這就要求調(diào)整座位以適應(yīng)不同的人群。 拖拉機(jī)上發(fā)生的大量的運(yùn)動(dòng)都是由駕駛員用不同的身

24、體部位承擔(dān)[26]。其中一個(gè)例子是轉(zhuǎn)向的拖拉機(jī),座椅和控制機(jī)器的執(zhí)行和操作離合器、制動(dòng)器、液壓控制杠桿有一定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間差，這時(shí)，這些不同的機(jī)構(gòu)分別將運(yùn)動(dòng)作用給駕駛員的臀部、腿等不同身體部位。而拖拉機(jī)座椅是影響這些組成部分之一的因素，拖拉機(jī)座椅設(shè)計(jì)可以用來(lái)作為一種手段來(lái)修改荷載結(jié)構(gòu)來(lái)減輕操作人員身體的不適。盡管拖拉機(jī)處于振動(dòng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，但農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的駕駛要求駕駛員維持一個(gè)穩(wěn)定的姿態(tài)。可以發(fā)現(xiàn)舒適的拖拉機(jī)座椅上的應(yīng)變對(duì)拖拉機(jī)駕駛員在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的作用，與傳統(tǒng)拖拉機(jī)座椅相比：人體能量消耗將會(huì)減少13 - 29%來(lái)進(jìn)行駕駛拖拉機(jī)。結(jié)果表明, 提高正確設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)安全舒適座椅對(duì)保證駕駛員的工作效率和

25、舒適的操作有很大的幫助，進(jìn)行各方面的主觀試驗(yàn)拖拉機(jī)座椅設(shè)計(jì),從而使它適合不同的環(huán)境[27]。 1.2 座椅的設(shè)計(jì)內(nèi)容 座椅的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是從座椅機(jī)構(gòu)和座椅結(jié)構(gòu)這兩個(gè)方面考慮，主要內(nèi)容： （1）在座椅底部與座椅靠背連接支撐桿上加上一個(gè)拉桿機(jī)構(gòu)來(lái)將靠背調(diào)整一定的角度，適應(yīng)不同的人群，使拖拉機(jī)駕駛員以舒適的姿勢(shì)進(jìn)行操作。 （2）在座椅底部即承載駕駛員重量的下方采用網(wǎng)狀支架，不僅可以在拖拉機(jī)震動(dòng)時(shí)，均勻承載，緩慢卸去受力，使駕駛員有震感，而不會(huì)出現(xiàn)不舒服的感覺(jué)，從心理上設(shè)計(jì)可以提高駕駛員的注意力。此外，采用這種結(jié)構(gòu)還可以減少座椅的材料及其制作費(fèi)用，降低座椅制作的成本。 （3）座椅靠背采用下

26、寬上窄的結(jié)構(gòu)，駕駛員在操作過(guò)程中腰部和背部受力較大并且不均勻，靠背下方的部分將卸去大部分沖擊， （4）座椅底部盤(pán)向后傾斜一定角度。 （5）座椅底部采用凹面形式，使駕駛員在座椅上不易打滑。 （6）座椅靠背與座椅底部形成一定角度。 （7）座椅靠背采用凹面形式，使駕駛員腰部和背部較為均勻的接觸。 1.3 座椅設(shè)計(jì)方案比較 座椅的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分：座椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。座椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要設(shè)計(jì)之一是座椅底座設(shè)計(jì)，座椅底座是拖拉機(jī)駕駛員第一工作環(huán)境，對(duì)駕駛員的操作有著第一影響力的作用，設(shè)計(jì)出安全舒適的座椅從座椅底座的安全舒適出發(fā)就很重要了。由于拖拉機(jī)的振動(dòng)較為劇烈，對(duì)于座椅舒適性

27、的設(shè)計(jì)，結(jié)合大學(xué)所學(xué)的知識(shí)，我采用了彈簧減震元件，但彈簧種類(lèi)不同，其性能差異也比較大，因此，結(jié)合彈簧中的兩種類(lèi)型進(jìn)行全面分析，做出最佳彈簧方案的選擇。對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)來(lái)講，各種機(jī)械之間互換性配合是很重要的，而裝配時(shí)，由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員裝配和出廠后的裝配在整個(gè)裝配精度上有時(shí)會(huì)相差很大，對(duì)座椅的安全舒適性就會(huì)產(chǎn)生巨大影響，因此，對(duì)于座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用座椅整體裝配出廠和零部件出廠的方案進(jìn)行全面分析，選擇最佳方案。 1.3.1 座椅減震彈簧采用圓柱壓縮彈簧與座椅采用截錐壓縮彈簧方案比較 （1）圓柱壓縮彈簧 彈簧的材料參數(shù)為[9]： 彈簧采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲 E——彈性模量，2e11 Pa

28、λ——泊松比，0.3 ρ——材料密度，7800kg/m3 圓柱壓縮彈簧剛度: 表1 彈簧參數(shù)： 組別 D(mm) d(mm) N Nz t(mm) 1（圓） 25 6.5 4 1+1 11.5 圓柱彈簧受載后的軸向變形量 ： λ=8FD23 n/Gd4=8FC3n/Gd 式中n為彈簧的有效圈數(shù)；G為彈簧的切變模量。 這樣彈簧的圈數(shù)及剛度分別為 ： n=Gd4λ/8FD23=Gdλ/8FC3 k=F/λ=Fd4/8D23n=Gd/8C3n 對(duì)于拉伸彈簧，n1>20時(shí)，一般圓整為整圈數(shù)，n1<20時(shí)，可圓整為1/2圈；對(duì)于壓縮彈簧總?cè)?shù)n1的尾數(shù)宜取1

29、/4、1/2或整圈數(shù)，常用1/2圈。為了保證彈簧具有穩(wěn)定的性能，通常彈簧的有效圈數(shù)最少為2圈。C值大小對(duì)彈簧剛度影響很大。若其它條件相同時(shí)，C值愈小的彈簧，剛度愈大，彈簧也就愈硬；反之則愈軟。不過(guò)，C值愈小的彈簧卷制愈困難，且在工作時(shí)會(huì)引起較大的切應(yīng)力。此外，k值還和G、d、n有關(guān)，在調(diào)整彈簧剛度時(shí)，應(yīng)綜合考慮這些因素的影響[10]。 將彈簧參數(shù)帶入可得彈簧剛度：k=31500N/M 圓柱壓縮彈簧穩(wěn)定性計(jì)算： 壓縮彈簧的長(zhǎng)度較大時(shí)，受載后容易發(fā)生圖3)所示的失穩(wěn)現(xiàn)象，所以還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性的驗(yàn)算。 圖3 圓柱彈簧受力失穩(wěn) 為了便于制造和避免失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)，通常建議彈簧的長(zhǎng)徑比b=H

30、0/D2按下列情況取為： 彈簧兩端均為回轉(zhuǎn)端時(shí)，b≤2.6； 彈簧兩端均為固定端時(shí)，b≤5.3 ； 彈簧兩端一端固定而另一端回轉(zhuǎn)時(shí)，b≤3.7。 如果b大于上述數(shù)值時(shí)，則必須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，并限制彈簧載荷F小于失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fcr。一般取F=Fcr/(2～2.5)，其中臨界載荷可按下式計(jì)算： Fcr=CBkH0 式中，CB為不穩(wěn)定系數(shù)，由下圖查取。 如果F>Fcr，應(yīng)重新選擇有關(guān)參數(shù)，改變b值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax之值，以保證彈簧的穩(wěn)定性[11]。 表2 圓柱彈簧不穩(wěn)定系數(shù) 彈簧兩端均為固定端,所以，當(dāng)圓柱壓縮彈簧在受力時(shí)，b>=5.3 此時(shí)臨界載荷Fcr

31、=0.5X31500X63=992N 因此，所受力F=496N (2)截錐螺旋彈簧： 彈簧的材料參數(shù)為： 彈簧采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲 E——彈性模量，2e11 Pa λ——泊松比，0.3 ρ——材料密度，7800kg/m3 設(shè)計(jì)模型中的各物理參數(shù)： a、b——截錐渦卷螺旋彈簧彈簧板材料厚度和寬度（截面為矩形） d——截錐螺旋壓縮彈簧材料直徑（截面為圓形） R2——為彈簧最外層的半徑 R1——為彈簧最內(nèi)層的半徑， t——為彈簧節(jié)距 n——為彈簧的有效圈數(shù) nz——彈簧支撐圈數(shù) G——質(zhì)量塊m重力 等節(jié)距截錐螺旋壓縮彈簧（較小，不自鎖）； 彈簧剛

32、度 表3 彈簧參數(shù)： 組別 R1(mm) R2(mm) d(mm) N nz t(mm) 1（圓） 20 30 6.5 4 1+1 11.5 由于截錐螺旋壓縮彈簧的螺旋角比較小，當(dāng)彈簧受到軸向荷載作用時(shí)，可近似地看做各彈簧圈材料截面受到如下扭矩 （1） 在單位軸向荷載作用時(shí)，材料截面所受扭矩 （2） 將上兩式代入彈簧軸向變形的一般積分公式得：

33、 （3） 又 又根據(jù)截錐螺旋壓縮彈簧的彈簧圈半徑表達(dá)式可得 （4） 從而得 （5） 將此式代入（3）式，并改取積分限由到，得變形計(jì)算式 （6） 對(duì)于圓形截面材料，極慣性矩，代入上式，得 （7） 由此可得截錐螺旋彈簧的剛度計(jì)算式為

34、 （8） 其中，將彈簧參數(shù)代入可求得彈簧剛度為：F’=33010N/m。 截錐螺旋彈簧穩(wěn)定性： 變剛度彈簧以其獨(dú)特的剛度特性在工業(yè)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，截錐螺旋彈簧是這種非線(xiàn)性特性螺旋彈簧的典型代表[11]。這種彈簧在受荷載初期，特性線(xiàn)是直線(xiàn)，即剛度不變，當(dāng)荷載逐漸增大時(shí)，彈簧從大圈開(kāi)始逐漸接觸，有效工作圈數(shù)隨之減少，而剛度逐漸增大，直到所有彈簧圈壓并為止。該彈簧的變剛度特性引起了彈簧自振頻率變化，使得在不同外擾頻率作用力下彈簧變剛度運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)較寬頻率范圍內(nèi)為共振峰，可以有利于消除或緩和共振。 圖4為截錐螺旋壓縮彈簧及其特性線(xiàn)[12]。這種彈簧

35、在受力后特性線(xiàn)的OA段是直線(xiàn)，當(dāng)荷載逐漸增大時(shí)彈簧的大圈開(kāi)始逐漸接觸，有效工作圈數(shù)減少而剛度逐漸增大，一直到所有的彈簧圈完全壓并為止。其特性線(xiàn)AB段為漸增型。這種彈簧的剛度是變值，所以自振頻率也是變值，有利于防止發(fā)生共振，因而多用于需要減振的場(chǎng)合。 圖4 截錐螺旋彈簧及其特性曲線(xiàn) 經(jīng)過(guò)上面的比較可以得出以下結(jié)論：選擇剛度接近的圓柱壓縮彈簧和截錐螺旋彈簧，圓柱壓縮彈簧可承載受力值為50kg,這不能滿(mǎn)足廣大駕駛員的身體尺寸值，此外，截錐螺旋彈簧的穩(wěn)定性比圓柱壓縮彈簧的強(qiáng)，所以，選擇截錐螺旋彈簧方案較好。 1.3.2 座椅采用整體式與座椅采用框架式方案比較

36、 從理論上分析，座椅采用框架式可以使得部件到了一個(gè)地方進(jìn)行裝配，這樣可以在運(yùn)送過(guò)程中將總的座椅質(zhì)量分成幾部分，減輕每次的運(yùn)送量；如果座椅的零部件壞了，可以直接拆卸，重新購(gòu)買(mǎi)零部件裝配，這些都是整體式座椅不能實(shí)現(xiàn)的。但整體式座椅在使用時(shí)，可以方便準(zhǔn)確的安裝，它安裝精度較高。 從受力方面進(jìn)行分析（圖5）： （a）框架式 (b) 整體式 圖5 座椅結(jié)構(gòu)比較受力圖 圖中框架式結(jié)構(gòu)將座椅所受的力的轉(zhuǎn)移到座椅支撐結(jié)構(gòu)上，而整體式結(jié)構(gòu)中座椅受力都分給了座椅座墊等機(jī)構(gòu)上，由于框架式中的支撐機(jī)構(gòu)采用的都是強(qiáng)度較大構(gòu)件，其支

37、撐能力大，而整體式結(jié)構(gòu)中座椅座墊等主要受力構(gòu)件其強(qiáng)度不大，對(duì)其毀壞作用較大。但采用整體式可以將駕駛員的作用力減弱，提高其座椅舒適性。 經(jīng)過(guò)上面的比較可以得出以下結(jié)論：座椅安裝不需較高的精度，有截錐螺旋彈簧進(jìn)行主要減震工作，整體式結(jié)構(gòu)就沒(méi)有框架式結(jié)構(gòu)明顯，所以，采用框架式結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案。 與傳統(tǒng)拖拉機(jī)座椅相比，本次設(shè)計(jì)的座椅主要是在座椅底座加了兩側(cè)板防止拖拉機(jī)側(cè)翻直接壓住駕駛員造成駕駛員的傷害（圖6）；取消拖拉機(jī)座椅頭枕，簡(jiǎn)化拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)，降低座椅制造成本(圖7)；采用截錐螺旋壓縮彈簧元件，將提高了座椅的舒適性。 圖6 本次設(shè)計(jì)拖拉機(jī)座椅 （a） (b) 圖

38、7 傳統(tǒng)拖拉機(jī)座椅 2 拖拉機(jī)座椅零部件設(shè)計(jì) 根據(jù)不同身體尺寸數(shù)據(jù)得出座椅的幾何參數(shù)，即座位尺寸(長(zhǎng)度、寬度)及其曲率和傾角,靠背的大小(高度和寬度)及其曲率與傾角,設(shè)計(jì)出一個(gè)安全舒適的座椅[28]。座椅的特點(diǎn)會(huì)影響駕駛員的姿勢(shì)和靜態(tài)的舒適性。座墊和封裝材料也會(huì)極大地影響駕駛員的舒適性感覺(jué)。根據(jù)對(duì)農(nóng)業(yè)工人人體測(cè)量數(shù)據(jù)(圖8)設(shè)計(jì)適合的拖拉機(jī)座椅高度、臀部寬度、 座椅寬度、座椅靠背寬度和高度以及座椅靠背傾角。座椅的幾何參數(shù)是通過(guò)在我國(guó)拖拉機(jī)座椅設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上編制完成人體測(cè)量數(shù)據(jù),回顧相關(guān)文獻(xiàn),遵循是ISO(4253)標(biāo)準(zhǔn)[29] ，確定的。圖8為人體測(cè)量的尺寸，在設(shè)計(jì)拖拉機(jī)座椅時(shí)，根據(jù)人體

39、測(cè)量資料書(shū)可獲得：(一) 拖拉機(jī)座椅高度、座椅長(zhǎng)度、 座椅寬度、座椅靠背寬度和高度以及座椅靠背傾角。結(jié)果和討論顯示，我國(guó)拖拉機(jī)駕駛員的平均年齡是33歲，選男性受試者±10年，平均身高和體重分別為1633±67毫米和54.5±8.7公斤。通過(guò)在設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，拖拉機(jī)座椅人體測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)我國(guó)駕駛員每15分座椅底座和靠背座位后改變一次，他們得到的最優(yōu)值是拖拉機(jī)座椅寬度、座椅長(zhǎng)度,靠背的寬度,座椅高度和靠背傾角。 圖8 人體測(cè)量的尺寸 2.1 座椅底座設(shè)計(jì) 座椅底座的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，它是駕駛員工作過(guò)程中一直接觸的第一工作環(huán)境，因此，它是影響駕駛員安全舒適駕駛的直接的、關(guān)鍵性的因

40、素，對(duì)座椅進(jìn)行仿真分析以獲得實(shí)際的數(shù)值和真實(shí)的工作狀況是至關(guān)重要的。 2.1.1 座椅主動(dòng)振動(dòng)仿真分析 拖拉機(jī)乘坐舒適性包括靜態(tài)舒適性和動(dòng)態(tài)舒適性,前者主要與尺寸參數(shù)、表面質(zhì)量、調(diào)節(jié)特性等有關(guān),后者主要與振動(dòng)特性有關(guān)。在3個(gè)減振環(huán)節(jié)中, 座椅系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的改變對(duì)拖拉機(jī)的實(shí)用性能不會(huì)有明顯影響。設(shè)計(jì)表明,就坐時(shí)人體模型的動(dòng)態(tài)特性對(duì)拖拉機(jī)座椅的動(dòng)態(tài)性能有很大的影響,因此,結(jié)合科學(xué)合理的人體模型來(lái)綜合設(shè)計(jì)和改善座椅的動(dòng)態(tài)性能及隔振效果,對(duì)于提高拖拉機(jī)乘坐舒適性有著十分重要的意義[12 ] 。 （a） 人體—座椅系統(tǒng)模型 由于乘員所受到的振動(dòng)沖擊當(dāng)中,影響最大的是垂直方向的振動(dòng),為

41、此,設(shè)計(jì)人員建立了許多種垂直方向的人體線(xiàn)性模型。雖然建立的模型越來(lái)越復(fù)雜,但模型性能并沒(méi)有顯示出比簡(jiǎn)單模型有更大的改進(jìn)[13] 。1997 年Boileau[14] 提出了四自由度人體模型,根據(jù)該模型計(jì)算出的理論曲線(xiàn),在頻域中與實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)論在幅值上還是在相位上都比較吻合,所以本文采用了該模型。該模型將座椅上的人體分為4 個(gè)質(zhì)量塊: ①頭部質(zhì)量塊,主要包括頭部和頸部; ②上軀干質(zhì)量塊,包括手臂、肩部和胸部; ③下軀干質(zhì)量塊,包含上軀干和臀部之間的各個(gè)器官; ④臀部質(zhì)量塊,包括臀部和大腿。4 個(gè)質(zhì)量塊間通過(guò)剛度阻尼系統(tǒng)連接,如圖7所示。 圖9 人體—座椅系統(tǒng)模型 六自由度人體—座椅模型如圖

42、9 所示,其中,mh 為頭部質(zhì)量; kh 為頸部等效剛度; ch 為頸部等效阻尼; mu 為上部軀干質(zhì)量; ku 為上下軀干間等效剛度; cu 為上下軀干間等效阻尼; ml 為下部軀干質(zhì)量; kl 為下部軀干與臀部間等效剛度; cl 為下部軀干與臀部間等效阻尼; mt 為臀部及大腿質(zhì)量; kt 為臀剛度; ct 為臀部阻尼; kc 為座墊剛度; cc 為座墊阻尼; ms 為座椅質(zhì)量; ks 為座椅剛度; cs 為座椅阻尼; zh 為頭部質(zhì)量塊垂直位移; zu為上部軀干質(zhì)量塊垂直位移; zl 為下部軀干質(zhì)量塊垂直位移; zt 為臀部質(zhì)量塊垂直位移; zc 為座墊垂直位移; zs 為座椅質(zhì)量塊垂直

43、位移; z0 為車(chē)身垂直位移;AVC 為主動(dòng)振動(dòng)控制器。 經(jīng)過(guò)對(duì)座椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),建立了二自由度的座椅系統(tǒng)模型,在模型當(dāng)中將質(zhì)量集中為一個(gè)座椅質(zhì)量塊,座墊抽象為無(wú)質(zhì)量模塊,通過(guò)剛度阻尼系統(tǒng)與座椅質(zhì)量塊相連,同時(shí)座椅質(zhì)量塊也通過(guò)彈簧和阻尼系統(tǒng)與車(chē)身相連。如圖7所示。 (b) 座椅座墊震動(dòng)仿真分析 在人體—座椅—AVC 系統(tǒng)仿真中, 人體模型各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下[15] :mh = 5.131kg , kh =310kN/ m , ch = 014kN ·s/ m , mu = 28.149kg ,ku =183 kN ·s/ m , cu = 4175 kN ·s/ m , ml =8162kg ,

44、 kl = 16218kN/ m , cl = 41585 kN ·s/ m ,mt = 12178kg , kt = 90kN/ m , ct = 21064kN ·s/ m。座墊質(zhì)量mc = 0 , 座墊的剛度kc一般為718 ～ 1118kN/ m , 這里取kc = 8kN/ m ,cc =01357 kN ·s/ m。座椅質(zhì)量一般取為人體質(zhì)量的5/ 7[16] ,所以取ms = 40kg ; 座椅剛度ks =34kN/ m、阻尼cs = 0125 kN ·s/ m。根據(jù)以上數(shù)據(jù),在Simulink 下建立Gs 、Gsh 、Gsu 、Gsl 、Gst 傳遞函數(shù)模塊。AVC 系統(tǒng)通過(guò)提前

45、編制好的程序?qū)崿F(xiàn)。 (c) 座椅座墊震動(dòng)的性能仿真 由于人體的共振峰值一般處于4～6Hz 頻率區(qū)間[17] ,所以這里采用頻率為5Hz 的正弦信號(hào)作為車(chē)身的振動(dòng)輸入,振幅取為15mm。仿真得到人體4 個(gè)質(zhì)量塊的加速度曲線(xiàn),如圖10所示。由圖10可知,在沒(méi)有AVC 系統(tǒng)的情況下,人體各個(gè)部分的振動(dòng)加速度幅值幾乎都在5m/ s2 以上。所以說(shuō),普通的被動(dòng)隔振座椅的隔振效果較差;相對(duì)而言,加入AVC 系統(tǒng)后,頭部和上軀干的振動(dòng)加速度幅值在1s 后降到了115m/ s2 以下,下軀干的加速度幅值也幾乎都在3m/ s2 以下,臀部和大腿質(zhì)量塊的振動(dòng)加速度幅值雖沒(méi)有前3個(gè)質(zhì)量塊降低明顯,但也有約20

46、%的降低。所以加入AVC 后,身體各部分的振動(dòng)有了明顯的降低,主動(dòng)振動(dòng)控制座椅的隔振效果明顯。 (d) 座椅座墊震動(dòng)得出的結(jié)論 (1)仿真結(jié)果表明,采用AVC 系統(tǒng),可有效降低車(chē)身振動(dòng)對(duì)人體的影響,提高了拖拉機(jī)座椅的動(dòng)態(tài)舒適性。 (2) 仿真結(jié)果同時(shí)表明,目前拖拉機(jī)上普遍采用的被動(dòng)隔振座椅的隔振效果較差,直接影響了拖拉機(jī)座椅的動(dòng)態(tài)舒適性。 （a) 頭部加速度曲線(xiàn) (b) 上軀干加速度曲線(xiàn) （c) 下軀干加速度曲線(xiàn) （d) 臀部和大腿加速度曲線(xiàn) 圖10 仿真結(jié)果 (3) 由仿真結(jié)果也可以看出,AVC 系統(tǒng)的收斂速度不快,幾乎都是在1s 后才有較好的控制效果,而且

47、系統(tǒng)對(duì)臀部質(zhì)量塊的減振效果并不明顯,這些將是系統(tǒng)進(jìn)一步完善解決的問(wèn)題。 2.1.2 座椅底座高度、寬度、長(zhǎng)度、傾角的尺寸設(shè)計(jì) 座椅高度應(yīng)該足夠,這樣可以避免過(guò)度的壓力壓在下方的大腿上。而這種壓力可能會(huì)降低小腿血液循環(huán)。座椅高度應(yīng)低于距離下方的腳凳腿當(dāng)駕駛員坐在座椅上即通過(guò)座椅高度來(lái)減少過(guò)多的壓力。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)建議座椅高度不能超過(guò)540毫米。座椅高度理想值對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)工人應(yīng)為366毫米。因此, 即使駕駛員穿上鞋子，在我國(guó)拖拉機(jī)最佳座椅高度（圖11）應(yīng)為380毫米[30]。 圖11 座椅底座高度 圖12 座椅底座寬

48、度和長(zhǎng)度 為了保證駕駛員舒適、方便姿勢(shì)變化,座位寬度應(yīng)大于駕駛員臀部寬度。它不應(yīng)小于400毫米。我國(guó)的農(nóng)業(yè)工人的理想值介于362和396毫米之間。根據(jù)統(tǒng)計(jì)局的資料，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(GB),這個(gè)座椅寬度（圖12）應(yīng)不少于450毫米[18]。因此,基于這個(gè)值應(yīng)該考慮人體測(cè)量420 - 450毫米,包括保障操作工作的波動(dòng)幅度。 座椅長(zhǎng)度要大于臀部長(zhǎng)度值，應(yīng)該有足夠間隙的小腿與背前沿的位置。座椅長(zhǎng)度不應(yīng)太長(zhǎng)了,讓駕駛員雙腿支撐抵抗振動(dòng)。我國(guó)西部的男農(nóng)業(yè)工人臀部長(zhǎng)度介于379和362毫米之間。因此,這個(gè)座位長(zhǎng)度（圖12）不應(yīng)低于362 mm。國(guó)際推薦的座位長(zhǎng)度為400±50毫米。Zande

49、r推薦的座椅長(zhǎng)度為380毫米，我國(guó)男性的身材有1750毫米，因此,座位長(zhǎng)度為370±10毫米的適合我國(guó)拖拉機(jī)駕駛員[19]。 一個(gè)座位向后傾斜,會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的作用。第一,重力的作用使背走向座椅靠背,從而支持背部肌肉。第二,稍微傾斜的座位將有助于防止打滑的漸進(jìn)的駕駛員的座位。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)推薦一個(gè)座椅底座傾角（圖13）介于3 - 12°之間。最佳座位向后傾斜傾角β=5 - 7°，這樣舒適性和安全性是適合拖拉機(jī)駕駛員[31]。 圖13 座椅底座傾角 2.2 座椅靠背設(shè)計(jì) 座椅靠背設(shè)計(jì)主要考慮駕駛員的舒適性，由于拖拉機(jī)駕駛速度較慢，不易發(fā)生車(chē)禍，可以不設(shè)計(jì)靠背頭枕，但拖拉機(jī)

50、駕駛環(huán)境較差，因此，座椅靠背的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。 2.21 座椅靠背寬度、高度、傾角尺寸設(shè)計(jì) 一個(gè)座椅靠背的功能是維持一個(gè)輕松的脊髓的姿勢(shì)。一定形狀和傾斜的靠背都是非常重要的[20]。該尺寸很簡(jiǎn)單聯(lián)系座椅靠背上腰椎地區(qū)距離下方的臀部和座椅寬度。我國(guó)農(nóng)業(yè)工人座椅靠背寬度值（圖14）介于253和357毫米之間。梯形形狀可以提供座位靠背上具有較小寬度等因素對(duì)拖拉機(jī)的上方有操作工的空閑的那只手的運(yùn)動(dòng)。因此,建議的座位靠背寬度在底部和頂部應(yīng)為380 - 400和270 - 290毫米,分別包括補(bǔ)助給操作工的波動(dòng)幅度[21]。 如果有座椅襯墊，背墊高度測(cè)量壓縮在座位上面。許多設(shè)計(jì)人員建議靠背的一個(gè)

51、開(kāi)放的地方應(yīng)該至少容納125 - 200毫米的部分及臀部上方座椅里,讓腰部很好地靠上。一個(gè)高靠背防止全面的移動(dòng)手臂和肩膀后面和運(yùn)行期間觀看在拖拉機(jī)上液壓控制杠桿。國(guó)際推薦的座位靠背最低高度為260毫米。我國(guó)駕駛員座椅靠背低于448毫米。因此,靠背的高度應(yīng)該是348毫米(～350毫米),減去100毫米自由座椅高度。拖拉機(jī)座椅應(yīng)該支持的背腰部,只應(yīng)獨(dú)立可調(diào)[21]。 圖14 座椅靠背寬度 圖15 座椅靠背傾角 座椅靠背的傾角有兩個(gè)目的。首先,它防止了駕駛員打滑；其次,它使駕駛員靠著背墊(腰部)與下他的背

52、和臀部部分的支持。為了使這些拖拉機(jī)座椅的角度在舒適區(qū)域,該角度應(yīng)該在95 - 105°之間。最好有一個(gè)可調(diào)靠背傾角（圖15）該傾角α定為100°，提供更好的拖拉機(jī)座椅傾角支持[21]。 調(diào)整方法：通過(guò)駕駛員壓座椅左杠桿與座椅底座的相對(duì)軸向位置來(lái)使座椅靠背和座椅底座相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而座椅左套手與座椅底座與靠背連接桿通過(guò)圓柱螺旋拉伸彈簧固定靠背連接桿或者使靠背連接桿浮動(dòng)的作用來(lái)（如圖16）產(chǎn)生一定的角度，座椅右套手通過(guò)旋轉(zhuǎn)彈簧在5°的范圍使的靠背的旋轉(zhuǎn)角度在95-105°變換，從而達(dá)到調(diào)整座椅靠背傾角的目的。 拉伸彈簧的選擇： 表4 螺旋拉伸彈簧參考資料 所選彈簧的節(jié)距t=（H0-D）/n=

53、(15.5-7)/8.5=1 圓柱螺旋拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)： 圖a 圖b 圖16 座椅底座與靠背連接桿作用圖示 連接原理：座椅左套手通過(guò)拉伸彈簧與座椅底座和座椅靠背連接桿連接，如圖b所示，座椅底座和座椅靠背連接示意圖，座椅左套手只能在軸的軸向方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此，通過(guò)左套手上的8個(gè)棘與座椅底座側(cè)面的8個(gè)空進(jìn)行棘條拔出與插入的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)座椅靠背轉(zhuǎn)動(dòng)獲得所需功能。 3 拖拉機(jī)座椅截錐螺旋壓縮彈簧分析 分析的意義：拖拉

54、機(jī)駕駛員駕駛過(guò)程中，由于路面的不平整，拖拉機(jī)主動(dòng)震動(dòng)的因素，使駕駛員感覺(jué)在座椅上顛簸，本次設(shè)計(jì)的座椅旨在消除這些因素，讓駕駛員安全舒適的駕駛。座椅主要采用截錐螺旋壓縮彈簧減震系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能要求。 3.1 截錐螺旋壓縮彈簧實(shí)體模型的建立 阿基米德螺線(xiàn) ，亦稱(chēng)“等速螺線(xiàn)”。當(dāng)一點(diǎn)P沿動(dòng)射線(xiàn)OP一等速率運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，這射線(xiàn)有以等角速度繞點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)P的軌跡稱(chēng)為“阿基米德螺線(xiàn)，它的極坐標(biāo)方程為：r = aθ[22]。中心線(xiàn)同時(shí)在z方向上勻速上升。為了便于加載，約束，我們將彈簧分為三段建模：下部支撐段，有效工作圈，上部支撐段。這3段在z方向上分別上升d，nt，d。通過(guò)*do循環(huán)命令，建立中心線(xiàn)

55、上的481個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后利用BSPLIN語(yǔ)句光滑連接各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)形成空間曲線(xiàn)，最后通過(guò)lcomb命令將每個(gè)工作段內(nèi)的線(xiàn)加成一整條線(xiàn)，以便于拖拉形成體。 利用ANSYS分析軟件，生成實(shí)體模型圖17： 圖 17 截錐螺旋壓縮彈簧實(shí)體模型 3.12 截錐螺旋壓縮彈簧靜力分析 對(duì)于接觸問(wèn)題，應(yīng)該考慮接觸非線(xiàn)性影響[23]。調(diào)用上部所得有限元模型，通過(guò)接觸向?qū)?，設(shè)置目標(biāo)面單元targe170，接觸面單元contac174，并設(shè)置單元實(shí)參，控制法向接觸剛度因子FKN為0.1，最大滲透范圍FTLON為0.1，將目標(biāo)面單元和接觸面單元附屬到所有面上，進(jìn)行接觸網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行靜力求解[24]。因?yàn)?/p>

56、求解的問(wèn)題是從線(xiàn)性到非線(xiàn)性的變化過(guò)長(zhǎng)，激活自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)以便根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)。對(duì)有限元模型下部支撐段下面的線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行所有方向的約束，在加載時(shí)通過(guò)選中上部支撐段線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)，將1000N的集中力均布加到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。 結(jié)果如下： 圖18 彈簧荷載-變形曲線(xiàn) 圖19 彈簧剛度-變形曲線(xiàn) 由此可得ANSYS模擬的變剛度彈簧的剛度曲線(xiàn)基本符合實(shí)際規(guī)律，在線(xiàn)性階段剛度基本不變。由于所加荷載較小，所以剛度曲線(xiàn)的上升段不是很明顯。 圖20 彈簧變形圖 圖21 彈簧應(yīng)力圖 通過(guò)壓并圖，可以發(fā)現(xiàn)彈簧壓并后并不是所有的簧圈都落在一平面上，而是重重疊加在一起。根據(jù)實(shí)

57、際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)，彈簧可以壓并在同一平面內(nèi)，否則彈簧不能被壓并到同一面上，在該題中，所以不能被壓并到一平面上，擬合效果與實(shí)際一致。通過(guò)應(yīng)力圖分析，發(fā)現(xiàn)該彈簧模型在1000N的壓力作用下，大部分區(qū)域的mises應(yīng)力在500Mpa左右，在上部支撐段和下部支撐段，應(yīng)力較小，在幾十Mpa范圍內(nèi)，應(yīng)力最大的區(qū)域在彈簧下部支撐段頂點(diǎn)與工作圈接觸的地方，應(yīng)力達(dá)到上千Mpa，但是該區(qū)屬于應(yīng)力奇異區(qū)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用影響不大，不作分析。根據(jù)實(shí)際受力分析可以發(fā)現(xiàn)，彈簧的上部支撐段和下部支撐段的截面上的應(yīng)力主要是有剪應(yīng)力引起的切應(yīng)力，而有效工作段除了受剪力引起的切應(yīng)力外，還包括扭矩引起的切應(yīng)力。由此可以發(fā)現(xiàn)ansys的應(yīng)

58、力模擬效果基本與實(shí)際一致。因?yàn)楸绢}建模時(shí)考慮的是將荷載均布到上部支撐圈頂端的節(jié)點(diǎn)上，所以偏心效果不明顯，基本看不到。 3.13 截錐螺旋壓縮彈簧的自振頻率計(jì)算 （1）、手算彈簧剛度及質(zhì)量彈簧系統(tǒng)在壓并前的自振頻率彈簧參數(shù)： 20 30 6.5 4 1+1 11.5 200 （2）質(zhì)量彈簧系統(tǒng)在壓并前的自振頻率 v = （9） 式中 為彈簧的剛

59、度，為當(dāng)量質(zhì)量。 查得相關(guān)資料如下[25]： 表5 彈簧數(shù)據(jù)資料 彈簧的質(zhì)量 ms=ρ*ν=ρ*s*L=ρ*π*d*d/4*n*π*（R2+R1） 得到ms=1.626×10-4kg （10） 質(zhì)量塊的質(zhì)量 m=F/g=20kg （11） 可見(jiàn)，ms/m =1.626x0.0001/20=18.13×10-6，從而由表（

60、5）查得,ξ=0.2 故當(dāng)量質(zhì)量me=4*π *π*(m+ξ* ms)= 789.6kg （12） 由（9）式可得質(zhì)量彈簧系統(tǒng)在壓并前的自振頻率為： ν=(33010/789.6)0.5=6.466Hz 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該盡量使外擾激勵(lì)避開(kāi)這個(gè)自振頻率范圍6—7Hz，防止共振出現(xiàn)。 分析得出結(jié)論:采用截錐螺旋壓縮減震彈簧可以在非共振頻率范圍內(nèi)，當(dāng)震動(dòng)較為劇烈時(shí)，由截錐螺旋壓縮減震彈簧的線(xiàn)性區(qū)域特性進(jìn)行快速減震；當(dāng)震動(dòng)頻率高時(shí)，由截錐螺旋壓縮減震彈簧的非線(xiàn)性區(qū)域特性進(jìn)行穩(wěn)穩(wěn)減震；因此，這將非常有效的減少座椅底部對(duì)駕駛員的震動(dòng)作用，使駕駛員舒適駕

61、駛。 4 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)我國(guó)整個(gè)拖拉機(jī)市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，集合自己的農(nóng)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并綜合老師給的資料，結(jié)果表明：我國(guó)拖拉機(jī)市場(chǎng)處于很大的缺口狀態(tài)，拖拉機(jī)座椅的安全舒適性較差。所以，對(duì)于拖拉機(jī)中的駕駛員駕駛座椅設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的意義。 設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮拖拉機(jī)座椅的安全和舒適性（其中，舒適性為著中設(shè)計(jì)的內(nèi)容），對(duì)座椅的設(shè)計(jì)分總體設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)主要是對(duì)座椅設(shè)計(jì)的內(nèi)容選擇、座椅整體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及幾種方案的比較，然后選擇其中較為合理的。零部件設(shè)計(jì)主要是座椅底座和座椅靠背兩部分，座椅底座考慮到是駕駛員的第一工作環(huán)境，保證其對(duì)駕駛員

62、的安全舒適性是整個(gè)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的內(nèi)容之一。由于拖拉機(jī)不采用座椅安全帶，座椅底座采用兩個(gè)側(cè)板以保證拖拉機(jī)在側(cè)翻時(shí)對(duì)駕駛員的身體保護(hù)；拖拉機(jī)工作時(shí)，震動(dòng)較為劇烈，采用好的減震系統(tǒng)就很必要了，設(shè)計(jì)中，對(duì)選擇截錐還是圓柱彈簧進(jìn)行了一點(diǎn)的方案比較，結(jié)果表明最終采用截錐螺旋壓縮彈簧進(jìn)行整個(gè)座椅第一減震體系較好；拖拉機(jī)工作環(huán)境不穩(wěn)定，因此，拖拉機(jī)工作環(huán)境中的震動(dòng)作用在設(shè)計(jì)中也進(jìn)行了仿真分析，得出了拖拉機(jī)座椅的震動(dòng)自振頻率，對(duì)設(shè)計(jì)座椅舒適性起到指導(dǎo)性作用。 參考文獻(xiàn) [1]龔錦編譯.人體尺度與室內(nèi)空間[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1987:35-41.

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