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原文传递汽车座椅的非线性准零刚度隔振技术研究

论文题名：	汽车座椅的非线性准零刚度隔振技术研究
关键词：	汽车座椅;准零刚度;非线性隔振器;反馈控制;动态特性;隔振性能
摘要：	汽车座椅悬架系统用于支撑驾乘人员，减缓路面不平给人体带来的冲击并缓和车身传递的振动，为驾乘人员提供良好的乘坐环境，对提高整车乘坐舒适性具有重要的意义。众所周知，当线性被动座椅悬架系统的刚度比较小时，系统固有频率较低，隔振频带较宽，整车乘坐舒适性较好，但会导致座椅悬架系统的静态位移增大，承载能力降低。为了克服线性被动座椅悬架系统存在的这对矛盾，本文研究一种具有准零刚度的非线性隔振器，并将其运用到汽车座椅的隔振中，以实现汽车座椅的低频宽频带隔振，并提高整车的乘坐舒适性。本文的主要研究内容归纳如下：　　(1)研究了考虑过载及轻载状态的准零刚度隔振器的动态特性及隔振性能。首先，利用谐波平衡法求得了准零刚度隔振器在简谐激励下的主共振响应，分析了其跳跃现象，并利用弗洛凯理论分析了主共振响应的稳定性。其次，利用谐波平衡法求得了考虑过载及轻载的准零刚度隔振器在简谐激励下的1/2亚谐共振响应，同时利用数值法研究了此时由倍周期分岔导致的混沌等复杂的非线性动力学行为。然后定义了力传递率与位移传递率来评价准零刚度隔振器的隔振性能，分析了系统线性阻尼、外界激励幅值及系统参数对准零刚度隔振器传递特性的影响，并与等效的线性隔振器进行了对比分析。最后设计了一种准零刚度隔振器，对其进行了试验研究，通过对加载后的准零刚度隔振器施加基础简谐位移激励，获取了准零刚度隔振器的传递特性，并与等价的线性隔振器进行了对比分析。　　(2)研究了考虑时滞的立方速度反馈控制的准零刚度隔振器的动态特性及隔振性能。首先，利用多尺度法求得了受控系统的主共振响应，分析了系统线性阻尼，立方速度反馈增益及时滞对主共振幅频特性的影响。其次，分别采用Sylvester结式法及Levenberg-Marquardt优化算法分析了不考虑时滞和考虑时滞影响的受控系统的跳跃现象，获得了受控系统不发生跳跃现象的临界激励幅值和跳跃频率，得到系统不发生跳跃现象的临界参数曲面，并利用弗洛凯理论分析了受控系统主共振响应的稳定性。然后，利用多尺度法求得了受控系统的1/3亚谐共振响应，分析了系统线性阻尼，立方速度反馈增益及时滞对亚谐共振幅频特性和亚谐共振存在区域的影响。最后，定义了力传递率来评价受控系统的隔振性能，分析了系统线性阻尼，立方速度反馈增益及时滞对准零刚度隔振器传递特性的影响，并与等效的线性隔振器进行了对比分析。　　(3)建立了准零刚度隔振器在冲击激励及随机激励下的动力学模型，研究了其动态特性及隔振性能。利用近似解析法求得了准零刚度隔振器在这两种一般激励下的动态响应，并与数值解进行了对比分析，验证了解析法的有效性。进而定义了合适的评价指标，评价其在一般激励下的隔振性能，研究了系统参数对其隔振性能的影响，并与等效的线性隔振器进行了对比分析。　　(4)设计了三种两自由度准零刚度隔振器，研究了其动态特性及隔振性能。首先，对比分析了单自由度准零刚度隔振器与单自由度线性隔振器的动态特性及隔振性能。其次，对比分析了单自由度线性隔振器与两自由度线性隔振器的动态特性及隔振性能，此时两者的静态位移相等。然后，分析了三种两自由度准零刚度隔振器的动态特性及隔振性能，采用谐波平衡法求得了其主共振响应，利用骨架线及能量平衡法求得了其动态位移峰值，定义了四个评价指标来评价其隔振性能，对比分析了单自由度线性隔振器，单自由度准零刚度隔振器与两自由度线性隔振器的隔振性能。最后，依据这四个评价指标在一定的参数范围内确定了两自由度准零刚度隔振器最佳的结构参数，并在这六种隔振器中选择了最佳的隔振器。　　(5)研究了基于准零刚度隔振器的车-座椅-人耦合动力学模型的动态特性。当准零刚度隔振器处于理想状态时，即实际乘客体重与设计的乘客体重一致，建立了考虑准零刚度隔振器的8自由度车-座椅-人耦合动力学模型，采用数值法分析了此耦合动力学模型受到路面三种不同激励(冲击激励，简谐激励及随机激励)下的动态响应，研究了准零刚度隔振器系统参数对此耦合模型动态特性的影响，并与等效的线性被动座椅悬架进行了对比分析。考虑实际工程中乘客体重的变化特性，即准零刚度隔振器处于轻载或过载状态，将乘客体重设计为一个不确定参数，并为了更好的提高汽车的乘坐舒适性，设计了一种基于界限Lyapunov函数的约束自适应逆推控制器，建立了考虑准零刚度隔振器的3自由度主动车-座椅-人耦合动力学模型，采用数值法分析了此主动耦合动力学模型在受到路面冲击激励下的动态响应，研究了主动控制器的有效性。　　综上所述，本文系统地研究了准零刚度隔振器的动态特性及隔振性能，并将其运用到汽车座椅的隔振中，研究了考虑准零刚度隔振器的车-座椅-人耦合动力学模型的动态特性，研究结果对将准零刚度隔振器设计成汽车座椅悬架具有指导意义。
作者：	王勇
专业：	车辆工程
导师：	李舜酩
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京航空航天大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文