拖拉機安全舒適座椅設計全套圖紙

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1、畢業(yè)設計說明書論文(全套CAD圖紙) QQ 36396305 編號（學號）：12254013 畢 業(yè) 論 文 （設 計） （ 2012 屆本科） 題 目： 拖拉機安全舒適座椅設計 學 院： 工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 指導教師： 完成日

2、期： 2013 年 6 月 4 日 畢業(yè)論文(設計)任務書 論文(設計) 題目 拖拉機安全舒適座椅設計 下發(fā)任務日期 2013.05.01 學生姓名 指導教師 教授 一. 論文（設計）主要內容 對座椅的設計包括總體設計和部分零部件的設計，總體設計包括對座椅的設計最優(yōu)方案選擇、座椅設計內容的確定；部分零部件的設計可分為座椅底座設計、座椅靠背設計、座椅減震系統(tǒng)設計。利用Ansys軟件對減震系統(tǒng)的截錐螺旋壓縮彈簧進行分析，得出它在受到載荷時應力的分布、共振頻率，然后根據這些數據指導座椅的設計。并且建立人—座椅模型來模擬駕駛員的工作

3、狀態(tài)，得出座椅的仿真運動，以此指導座椅的設計內容。 二.論文（設計）的基本要求 1.有關資料的收集： 要求盡量收集第一手資料，資料要真實、可靠、有代表性。 2 資料的整理與分析： 要求條理清晰，數據分析詳盡。 3 查閱相關文獻： 要求貼近主題，有參考價值。 4 認真撰寫論文，字數在10000字以上。 三.論文（設計）工作進度安排 階段 論文（設計）各階段名稱 日期 1 座椅在國內外的研究現狀的資料收集 2012.4.1—2012.4.15 2 查閱相關文獻 2012.4.16—2012.4.20 3 座椅總體設計 2012.4.21—2012.

4、5.1 4 撰寫論文初稿 2012.5.1—2012.5.10 5 集合總體設計，對座椅的零件進行設計 2012.5.10—2012.5.25 6 論文完成 2012.5.26 —2012.6.12 備注： 四.應收集的資料及主要參考文獻（指導教師指定） 1、拖拉機駕駛座椅的人機工程學設計文獻 2、自動控制原理文獻 3、拖拉機座椅系統(tǒng)動態(tài)舒適性的設計綜述研究資料 說明：此任務由指導教師填寫一式兩份，一份發(fā)給學生，一份發(fā)給指導教師留存。 沈陽農業(yè)大學畢業(yè)論文（設計）選題審批表 選題名稱 拖拉機安全舒適座椅設計 題目來源 指導老師提供 學號

5、12254013 姓名 余東 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 指導教師 張本華 職稱 教授 研 究 內 容 1.座椅底座尺寸設計、結構設計。 2.座椅靠背尺寸設計、結構設計。 3.座椅減震系統(tǒng)設計。 4.座椅關鍵零件分析。 研 究 計 劃 1.先從網絡、圖書館和指導老師處收集與拖拉機座椅安全舒適設計相關的文獻資料，對這些文獻資料進行篩選、歸納，總結自己所需要的文獻資料。 2.對座椅進行總體設計，最優(yōu)方案選擇、零部件設計，及其減震系統(tǒng)的設計。 3.對座椅的設計編寫任務說明書，對照任務說明書對座椅的零件進行校核。 4.對關鍵零部件進行進一步分析

6、，校核。 5.對設計說明書進行修改，對整個設計進行論證。 6.設計完成。 特 色 1.利用截錐螺旋壓縮彈簧對座椅進行非常有效的減震設計。 2.座椅靠背和座椅底座采用凹凸面設計。 指 導 教 師 意 見 教 研 室 意 見 學 院 意 見 畢業(yè)論文（設計）指導記錄 學生姓名 余東 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 指導教師姓名 張本華 職稱 教授 本年度指導畢業(yè)生人數 論文（設計）題目 拖拉機安全舒適座椅設計 時間 地點 指導內容

7、 學生簽字： 年 月 日 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 沈陽農業(yè)大學畢業(yè)論文（設計）考核表 論文題目：拖拉機安全舒適座椅設計 姓名：余東 學號：12254013 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導教師評語： 指導教師（簽字）：? 年 月 日 評閱人評審意見：

8、 評閱人（簽字）：? 年 月 日 答辯委員會意見： 主任委員（簽字）：? ? 年 月 日 注：答辯委員會意見除填寫簡要評語

9、、給出成績外，還要提出是否授予學位的建議。 目 錄 中文摘要（關鍵詞）………………………………………………………………………1 Abstract……………………………………………………………………………………2 前言…………………………………………………………………………………………3 1 拖拉機安全舒適座椅總體設計 ………………………………………………………4 1.1 拖拉機安全舒適座椅理論設計思路……………………………………………4 1.2 座椅的設計內容…………………………………………………………………5 1.3 座椅設計方案比較………………………………………

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 拖拉機座椅零部件設計………………………………………………………………12 2.1 座椅底座設計 …………………………………………………………………12 2.1.1 座椅底座主動振動仿真分析 ………………………………………………12 2.1.2 座椅底座高度、寬度、長度、傾角的尺寸設計 …………………………15 2.2 座椅靠背結構設計 ……………………………………………………………16

11、 2.3 座椅靠背寬度、高度、傾角尺寸設計 ………………………………………16 3 拖拉機座椅截錐螺旋壓縮彈簧分析…………………………………………………19 3.1 截錐螺旋壓縮彈簧實體模型的建立 …………………………………………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算 …………………………………………21 4 結論……………………………………………………………………………………22 參考文獻 …………………………………………………………………………………23 致

12、謝 ………………………………………………………………………………………25 附錄 ………………………………………………………………………………………26 [鍵入文字] [鍵入文字] [鍵入文字] 摘 要 拖拉機座椅是拖拉機駕駛員工作的第一環(huán)境，以往的拖拉機座椅都是直接采用座墊保證座椅的安全舒適，但本篇論文是通過對拖拉機駕駛員的身體幾何尺寸的分析，設計出拖拉機座椅的合適座椅底座寬度，座椅底座長度，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軟件對座椅整體進行模擬繪制，確定座椅整體及零部件尺寸；利用cad軟件對座椅整體

13、裝配圖進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；在整個設計過程中，對于座椅最重要的零件截錐彈簧，采用ANSYS軟件對截錐螺旋壓縮彈簧進行靜力分析和模態(tài)分析，通過ANSYS的建模、加載、求解、結果分析等的過程，并與理論解進行比較，判斷求解精度; 利用前饋型自適應控制系統(tǒng)的最小均方值算法,對座椅振動實施主動控制,以改善座椅的動態(tài)舒適性。建立六自由度人體—座椅系統(tǒng)模型和主動振動控制系統(tǒng)模型,并在Simulink 下進行仿真。 關鍵詞：設計；模擬繪制；靜力分析；主動振動控制仿真分析 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 駕駛座椅設計的良好與否直接影響著駕乘者的健康。長時間坐在拖拉機座椅中，若是脊椎得不到應有的支持，則腰部就會因弓彎而造成椎骨、椎盤、肌腿的負荷，進而導致慢性肌肉疲勞并產生酸痛;再加上長時間維持相同坐姿，還會造成脊椎壓力過大而導致椎間盤突出，若是壓迫到神經，容易發(fā)生麻痹的想象。然而，在駕乘拖拉機的過程中，脊椎除了不一定保持停滯狀態(tài)外，也會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雜，其所導致坐姿不良的狀況，會引起腰酸背疼或慢性的肌肉發(fā)炎，加上拖拉機工作環(huán)境比較惡劣，所以駕乘拖拉機時，對人體健康影響很大[1]。 拖拉機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，拖拉機駕駛員座椅設計優(yōu)劣與否直接關系到駕駛質量[2]。 拖拉機中的座椅是人與車接觸的界面,人們駕駛拖拉機的舒適性主要與座椅有關。隨著科學技術的發(fā)展和生產力的提高,人們對工作、生活、休息質量的要求不斷提高,以前的那種從拖拉機座椅到拖拉機座椅設計模式已不能滿足日益豐富的工業(yè)產品的生產以及廣大消費者對它的期望[3]。 這就要求拖拉機座椅設計者在設計產品的時候能充分將人的因素、產品使用的環(huán)境因素甚至整個社會的文明文化合理地、科學地運用其中。在設計中必須始終將人的因素貫穿在整個設計的始終。技術的發(fā)展要圍繞人的需求來展開,產品和環(huán)境的設計要更好地適應和

21、滿足人類的生理和心理的特點,這已逐漸在產品的設計生產者和消費者中形成共識[4]。 因為靠背主要是駕駛員放松時用來承載力的，所以座椅靠背設計寬些[5]?，F代的工業(yè)設計師意識到:產品是否能夠被用戶接受及被接受的程度不但取決于產品的市場因素如技術特征、價格和服務,而且越來越多地取決于產品的外觀造型和人機工程學設計[6]。隨著我國農業(yè)機械化的提高，越來越多的拖拉機已走進千家萬戶。拖拉機座椅設計的好壞直接影響著駕駛員身體的健康狀況。因此設計出一種能夠適合我國廣大拖拉機駕駛員的拖拉機座椅意義很大[7]。 1 拖拉機座椅總體設計 1.1 拖拉機安全舒適座椅理論設計思路 拖拉機

22、座椅安全舒適設計原理：通過一套從座椅底座到座墊的減震裝置使拖拉機在行駛時，將拖拉機自身及其外部對拖拉機作用產生的震動消除，通過拖拉機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，這時就可以調節(jié)座椅靠背的傾角，此外，通過調節(jié)座椅在滑道上前后位置以滿足體型不同的駕駛員，對座椅進行四向調節(jié)，使駕駛員舒適駕駛；在駕駛過程中，在座椅兩側加上擋板，避免拖拉機側翻將駕駛員壓住，使駕駛員安全駕駛，座椅初步設計圖1，如下 圖1 座椅整體設計 拖拉機座椅的設計要考慮靜態(tài)和動態(tài)性能要求[8]。一個舒適的拖拉機座椅要求如下: (1)座椅底座應該提供一個舒適的坐姿和控制姿勢。 (2)它應該降對低

23、操作員的機械沖擊和振動。 (3)它應該穩(wěn)固操作員并提供容易控制機器的作用。 (4)它的位置相對于拖拉機,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)一個好座椅應該支持脊柱姿勢接近正確的曲率（圖2）。不應該是軟的靠背調整到后面,防止疾病。 (7)座墊前面的膝蓋和臀部肌肉應該去改變駕駛員的位置,這樣來緩解壓力和對肌肉的擠壓。 (8)拖拉機座椅能為身體在連續(xù)工作時間內提供舒適環(huán)境。這就要求調整座位以適應不同的人群。 拖拉機上發(fā)生的大量的運動都是由駕駛員用不同的身

24、體部位承擔[26]。其中一個例子是轉向的拖拉機,座椅和控制機器的執(zhí)行和操作離合器、制動器、液壓控制杠桿有一定的運動時間差，這時，這些不同的機構分別將運動作用給駕駛員的臀部、腿等不同身體部位。而拖拉機座椅是影響這些組成部分之一的因素，拖拉機座椅設計可以用來作為一種手段來修改荷載結構來減輕操作人員身體的不適。盡管拖拉機處于振動的動態(tài)環(huán)境中，但農業(yè)拖拉機的駕駛要求駕駛員維持一個穩(wěn)定的姿態(tài)。可以發(fā)現舒適的拖拉機座椅上的應變對拖拉機駕駛員在運行過程中產生的作用，與傳統(tǒng)拖拉機座椅相比：人體能量消耗將會減少13 - 29%來進行駕駛拖拉機。結果表明, 提高正確設計的拖拉機安全舒適座椅對保證駕駛員的工作效率和

25、舒適的操作有很大的幫助，進行各方面的主觀試驗拖拉機座椅設計,從而使它適合不同的環(huán)境[27]。 1.2 座椅的設計內容 座椅的設計內容主要是從座椅機構和座椅結構這兩個方面考慮，主要內容： （1）在座椅底部與座椅靠背連接支撐桿上加上一個拉桿機構來將靠背調整一定的角度，適應不同的人群，使拖拉機駕駛員以舒適的姿勢進行操作。 （2）在座椅底部即承載駕駛員重量的下方采用網狀支架，不僅可以在拖拉機震動時，均勻承載，緩慢卸去受力，使駕駛員有震感，而不會出現不舒服的感覺，從心理上設計可以提高駕駛員的注意力。此外，采用這種結構還可以減少座椅的材料及其制作費用，降低座椅制作的成本。 （3）座椅靠背采用下

26、寬上窄的結構，駕駛員在操作過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 座椅設計方案比較 座椅的設計主要分為兩個部分：座椅機構設計和座椅結構設計。座椅機構設計中最重要設計之一是座椅底座設計，座椅底座是拖拉機駕駛員第一工作環(huán)境，對駕駛員的操作有著第一影響力的作用，設計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。由于拖拉機的振動較為劇烈，對于座椅舒適性

27、的設計，結合大學所學的知識，我采用了彈簧減震元件，但彈簧種類不同，其性能差異也比較大，因此，結合彈簧中的兩種類型進行全面分析，做出最佳彈簧方案的選擇。對于現代工業(yè)來講，各種機械之間互換性配合是很重要的，而裝配時，由專業(yè)技術人員裝配和出廠后的裝配在整個裝配精度上有時會相差很大，對座椅的安全舒適性就會產生巨大影響，因此，對于座椅結構設計采用座椅整體裝配出廠和零部件出廠的方案進行全面分析，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： 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；G為彈簧的切變模量。 這樣彈簧的圈數及剛度分別為 ： n=Gd4λ/8FD23=Gdλ/8FC3 k=F/λ=Fd4/8D23n=Gd/8C3n 對于拉伸彈簧，n1>20時，一般圓整為整圈數，n1<20時，可圓整為1/2圈；對于壓縮彈簧總圈數n1的尾數宜取1

29、/4、1/2或整圈數，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最少為2圈。C值大小對彈簧剛度影響很大。若其它條件相同時，C值愈小的彈簧，剛度愈大，彈簧也就愈硬；反之則愈軟。不過，C值愈小的彈簧卷制愈困難，且在工作時會引起較大的切應力。此外，k值還和G、d、n有關，在調整彈簧剛度時，應綜合考慮這些因素的影響[10]。 將彈簧參數帶入可得彈簧剛度：k=31500N/M 圓柱壓縮彈簧穩(wěn)定性計算： 壓縮彈簧的長度較大時，受載后容易發(fā)生圖3)所示的失穩(wěn)現象，所以還應進行穩(wěn)定性的驗算。 圖3 圓柱彈簧受力失穩(wěn) 為了便于制造和避免失穩(wěn)現象出現，通常建議彈簧的長徑比b=H

30、0/D2按下列情況取為： 彈簧兩端均為回轉端時，b≤2.6； 彈簧兩端均為固定端時，b≤5.3 ； 彈簧兩端一端固定而另一端回轉時，b≤3.7。 如果b大于上述數值時，則必須進行穩(wěn)定性計算，并限制彈簧載荷F小于失穩(wěn)時的臨界載荷Fcr。一般取F=Fcr/(2～2.5)，其中臨界載荷可按下式計算： Fcr=CBkH0 式中，CB為不穩(wěn)定系數，由下圖查取。 如果F>Fcr，應重新選擇有關參數，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 彈簧兩端均為固定端,所以，當圓柱壓縮彈簧在受力時，b>=5.3 此時臨界載荷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 設計模型中的各物理參數： 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——為彈簧最內層的半徑， t——為彈簧節(jié)距 n——為彈簧的有效圈數 nz——彈簧支撐圈數 G——質量塊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： 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，當彈簧受到軸向荷載作用時，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，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 又根據截錐螺旋壓縮彈簧的彈簧圈半徑表達式可得 （4） 從而得 （5） 將此式代入（3）式，并改取積分限由到，得變形計算式 （6） 對于圓形截面材料，極慣性矩，代入上式，得 （7） 由此可得截錐螺旋彈簧的剛度計算式為

34、 （8） 其中，將彈簧參數代入可求得彈簧剛度為：F’=33010N/m。 截錐螺旋彈簧穩(wěn)定性： 變剛度彈簧以其獨特的剛度特性在工業(yè)各領域得到廣泛應用，截錐螺旋彈簧是這種非線性特性螺旋彈簧的典型代表[11]。這種彈簧在受荷載初期，特性線是直線，即剛度不變，當荷載逐漸增大時，彈簧從大圈開始逐漸接觸，有效工作圈數隨之減少，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行，從而實現較寬頻率范圍內為共振峰，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[12]。這種彈簧

35、在受力后特性線的OA段是直線，當荷載逐漸增大時彈簧的大圈開始逐漸接觸，有效工作圈數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合。 圖4 截錐螺旋彈簧及其特性曲線 經過上面的比較可以得出以下結論：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，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地方進行裝配，這樣可以在運送過程中將總的座椅質量分成幾部分，減輕每次的運送量；如果座椅的零部件壞了，可以直接拆卸，重新購買零部件裝配，這些都是整體式座椅不能實現的。但整體式座椅在使用時，可以方便準確的安裝，它安裝精度較高。 從受力方面進行分析（圖5）： （a）框架式 (b) 整體式 圖5 座椅結構比較受力圖 圖中框架式結構將座椅所受的力的轉移到座椅支撐結構上，而整體式結構中座椅受力都分給了座椅座墊等機構上，由于框架式中的支撐機構采用的都是強度較大構件，其支

37、撐能力大，而整體式結構中座椅座墊等主要受力構件其強度不大，對其毀壞作用較大。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。 經過上面的比較可以得出以下結論：座椅安裝不需較高的精度，有截錐螺旋彈簧進行主要減震工作，整體式結構就沒有框架式結構明顯，所以，采用框架式結構為最優(yōu)方案。 與傳統(tǒng)拖拉機座椅相比，本次設計的座椅主要是在座椅底座加了兩側板防止拖拉機側翻直接壓住駕駛員造成駕駛員的傷害（圖6）；取消拖拉機座椅頭枕，簡化拖拉機結構，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 本次設計拖拉機座椅 （a） (b) 圖

38、7 傳統(tǒng)拖拉機座椅 2 拖拉機座椅零部件設計 根據不同身體尺寸數據得出座椅的幾何參數，即座位尺寸(長度、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,設計出一個安全舒適的座椅[28]。座椅的特點會影響駕駛員的姿勢和靜態(tài)的舒適性。座墊和封裝材料也會極大地影響駕駛員的舒適性感覺。根據對農業(yè)工人人體測量數據(圖8)設計適合的拖拉機座椅高度、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。座椅的幾何參數是通過在我國拖拉機座椅設計的基礎上編制完成人體測量數據,回顧相關文獻,遵循是ISO(4253)標準[29] ，確定的。圖8為人體測量的尺寸，在設計拖拉機座椅時，根據人體

39、測量資料書可獲得：(一) 拖拉機座椅高度、座椅長度、 座椅寬度、座椅靠背寬度和高度以及座椅靠背傾角。結果和討論顯示，我國拖拉機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。通過在設計原則的基礎上，拖拉機座椅人體測量數據可以通過我國駕駛員每15分座椅底座和靠背座位后改變一次，他們得到的最優(yōu)值是拖拉機座椅寬度、座椅長度,靠背的寬度,座椅高度和靠背傾角。 圖8 人體測量的尺寸 2.1 座椅底座設計 座椅底座的設計是整個設計的重點，它是駕駛員工作過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、關鍵性的因

40、素，對座椅進行仿真分析以獲得實際的數值和真實的工作狀況是至關重要的。 2.1.1 座椅主動振動仿真分析 拖拉機乘坐舒適性包括靜態(tài)舒適性和動態(tài)舒適性,前者主要與尺寸參數、表面質量、調節(jié)特性等有關,后者主要與振動特性有關。在3個減振環(huán)節(jié)中, 座椅系統(tǒng)動態(tài)參數的改變對拖拉機的實用性能不會有明顯影響。設計表明,就坐時人體模型的動態(tài)特性對拖拉機座椅的動態(tài)性能有很大的影響,因此,結合科學合理的人體模型來綜合設計和改善座椅的動態(tài)性能及隔振效果,對于提高拖拉機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沖擊當中,影響最大的是垂直方向的振動,為

41、此,設計人員建立了許多種垂直方向的人體線性模型。雖然建立的模型越來越復雜,但模型性能并沒有顯示出比簡單模型有更大的改進[13] 。1997 年Boileau[14] 提出了四自由度人體模型,根據該模型計算出的理論曲線,在頻域中與實驗結果無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 個質量塊: ①頭部質量塊,主要包括頭部和頸部; ②上軀干質量塊,包括手臂、肩部和胸部; ③下軀干質量塊,包含上軀干和臀部之間的各個器官; ④臀部質量塊,包括臀部和大腿。4 個質量塊間通過剛度阻尼系統(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 為頭部質量; kh 為頸部等效剛度; ch 為頸部等效阻尼; mu 為上部軀干質量; 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 為座椅質量; ks 為座椅剛度; cs 為座椅阻尼; zh 為頭部質量塊垂直位移; zu為上部軀干質量塊垂直位移; zl 為下部軀干質量塊垂直位移; zt 為臀部質量塊垂直位移; zc 為座墊垂直位移; zs 為座椅質量塊垂直

43、位移; z0 為車身垂直位移;AVC 為主動振動控制器。 經過對座椅結構的設計,建立了二自由度的座椅系統(tǒng)模型,在模型當中將質量集中為一個座椅質量塊,座墊抽象為無質量模塊,通過剛度阻尼系統(tǒng)與座椅質量塊相連,同時座椅質量塊也通過彈簧和阻尼系統(tǒng)與車身相連。如圖7所示。 (b) 座椅座墊震動仿真分析 在人體—座椅—AVC 系統(tǒng)仿真中, 人體模型各項數據如下[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。座椅質量一般取為人體質量的5/ 7[16] ,所以取ms = 40kg ; 座椅剛度ks =34kN/ m、阻尼cs = 0125 kN ·s/ m。根據以上數據,在Simulink 下建立Gs 、Gsh 、Gsu 、Gsl 、Gst 傳遞函數模塊。AVC 系統(tǒng)通過提前

45、編制好的程序實現。 (c) 座椅座墊震動的性能仿真 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 的正弦信號作為車身的振動輸入,振幅取為15mm。仿真得到人體4 個質量塊的加速度曲線,如圖10所示。由圖10可知,在沒有AVC 系統(tǒng)的情況下,人體各個部分的振動加速度幅值幾乎都在5m/ s2 以上。所以說,普通的被動隔振座椅的隔振效果較差;相對而言,加入AVC 系統(tǒng)后,頭部和上軀干的振動加速度幅值在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,臀部和大腿質量塊的振動加速度幅值雖沒有前3個質量塊降低明顯,但也有約20

46、%的降低。所以加入AVC 后,身體各部分的振動有了明顯的降低,主動振動控制座椅的隔振效果明顯。 (d) 座椅座墊震動得出的結論 (1)仿真結果表明,采用AVC 系統(tǒng),可有效降低車身振動對人體的影響,提高了拖拉機座椅的動態(tài)舒適性。 (2) 仿真結果同時表明,目前拖拉機上普遍采用的被動隔振座椅的隔振效果較差,直接影響了拖拉機座椅的動態(tài)舒適性。 （a) 頭部加速度曲線 (b) 上軀干加速度曲線 （c) 下軀干加速度曲線 （d) 臀部和大腿加速度曲線 圖10 仿真結果 (3) 由仿真結果也可以看出,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)對臀部質量塊的減振效果并不明顯,這些將是系統(tǒng)進一步完善解決的問題。 2.1.2 座椅底座高度、寬度、長度、傾角的尺寸設計 座椅高度應該足夠,這樣可以避免過度的壓力壓在下方的大腿上。而這種壓力可能會降低小腿血液循環(huán)。座椅高度應低于距離下方的腳凳腿當駕駛員坐在座椅上即通過座椅高度來減少過多的壓力。我國標準建議座椅高度不能超過540毫米。座椅高度理想值對我國農業(yè)工人應為366毫米。因此, 即使駕駛員穿上鞋子，在我國拖拉機最佳座椅高度（圖11）應為380毫米[30]。 圖11 座椅底座高度 圖12 座椅底座寬

48、度和長度 為了保證駕駛員舒適、方便姿勢變化,座位寬度應大于駕駛員臀部寬度。它不應小于400毫米。我國的農業(yè)工人的理想值介于362和396毫米之間。根據統(tǒng)計局的資料，我國標準(GB),這個座椅寬度（圖12）應不少于450毫米[18]。因此,基于這個值應該考慮人體測量420 - 450毫米,包括保障操作工作的波動幅度。 座椅長度要大于臀部長度值，應該有足夠間隙的小腿與背前沿的位置。座椅長度不應太長了,讓駕駛員雙腿支撐抵抗振動。我國西部的男農業(yè)工人臀部長度介于379和362毫米之間。因此,這個座位長度（圖12）不應低于362 mm。國際推薦的座位長度為400±50毫米。Zande

49、r推薦的座椅長度為380毫米，我國男性的身材有1750毫米，因此,座位長度為370±10毫米的適合我國拖拉機駕駛員[19]。 一個座位向后傾斜,會產生兩個方面的作用。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的駕駛員的座位。我國標準推薦一個座椅底座傾角（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駕駛員[31]。 圖13 座椅底座傾角 2.2 座椅靠背設計 座椅靠背設計主要考慮駕駛員的舒適性，由于拖拉機駕駛速度較慢，不易發(fā)生車禍，可以不設計靠背頭枕，但拖拉機

50、駕駛環(huán)境較差，因此，座椅靠背的設計是至關重要的。 2.21 座椅靠背寬度、高度、傾角尺寸設計 一個座椅靠背的功能是維持一個輕松的脊髓的姿勢。一定形狀和傾斜的靠背都是非常重要的[20]。該尺寸很簡單聯(lián)系座椅靠背上腰椎地區(qū)距離下方的臀部和座椅寬度。我國農業(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拖拉機的上方有操作工的空閑的那只手的運動。因此,建議的座位靠背寬度在底部和頂部應為380 - 400和270 - 290毫米,分別包括補助給操作工的波動幅度[21]。 如果有座椅襯墊，背墊高度測量壓縮在座位上面。許多設計人員建議靠背的一個

51、開放的地方應該至少容納125 - 200毫米的部分及臀部上方座椅里,讓腰部很好地靠上。一個高靠背防止全面的移動手臂和肩膀后面和運行期間觀看在拖拉機上液壓控制杠桿。國際推薦的座位靠背最低高度為260毫米。我國駕駛員座椅靠背低于448毫米。因此,靠背的高度應該是348毫米(～350毫米),減去100毫米自由座椅高度。拖拉機座椅應該支持的背腰部,只應獨立可調[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。為了使這些拖拉機座椅的角度在舒適區(qū)域,該角度應該在95 - 105°之間。最好有一個可調靠背傾角（圖15）該傾角α定為100°，提供更好的拖拉機座椅傾角支持[21]。 調整方法：通過駕駛員壓座椅左杠桿與座椅底座的相對軸向位置來使座椅靠背和座椅底座相對運動，而座椅左套手與座椅底座與靠背連接桿通過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的作用來（如圖16）產生一定的角度，座椅右套手通過旋轉彈簧在5°的范圍使的靠背的旋轉角度在95-105°變換，從而達到調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構： 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行運動，因此，通過左套手上的8個棘與座椅底座側面的8個空進行棘條拔出與插入的轉向調節(jié)，即可實現座椅靠背轉動獲得所需功能。 3 拖拉機座椅截錐螺旋壓縮彈簧分析 分析的意義：拖拉

54、機駕駛員駕駛過程中，由于路面的不平整，拖拉機主動震動的因素，使駕駛員感覺在座椅上顛簸，本次設計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)來實現其功能要求。 3.1 截錐螺旋壓縮彈簧實體模型的建立 阿基米德螺線 ，亦稱“等速螺線”。當一點P沿動射線OP一等速率運動的同時，這射線有以等角速度繞點O旋轉，點P的軌跡稱為“阿基米德螺線，它的極坐標方程為：r = aθ[22]。中心線同時在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*do循環(huán)命令，建立中心線

55、上的481個關鍵點，然后利用BSPLIN語句光滑連接各個關鍵點形成空間曲線，最后通過lcomb命令將每個工作段內的線加成一整條線，以便于拖拉形成體。 利用ANSYS分析軟件，生成實體模型圖17： 圖 17 截錐螺旋壓縮彈簧實體模型 3.12 截錐螺旋壓縮彈簧靜力分析 對于接觸問題，應該考慮接觸非線性影響[23]。調用上部所得有限元模型，通過接觸向導，設置目標面單元targe170，接觸面單元contac174，并設置單元實參，控制法向接觸剛度因子FKN為0.1，最大滲透范圍FTLON為0.1，將目標面單元和接觸面單元附屬到所有面上，進行接觸網格劃分，然后進行靜力求解[24]。因為

56、求解的問題是從線性到非線性的變化過長，激活自動時間步長以便根據需要自動調整時間步長。對有限元模型下部支撐段下面的線的節(jié)點進行所有方向的約束，在加載時通過選中上部支撐段線上的節(jié)點，將1000N的集中力均布加到各個節(jié)點上。 結果如下： 圖18 彈簧荷載-變形曲線 圖19 彈簧剛度-變形曲線 由此可得ANSYS模擬的變剛度彈簧的剛度曲線基本符合實際規(guī)律，在線性階段剛度基本不變。由于所加荷載較小，所以剛度曲線的上升段不是很明顯。 圖20 彈簧變形圖 圖21 彈簧應力圖 通過壓并圖，可以發(fā)現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。根據實

57、際經驗發(fā)現，當時，彈簧可以壓并在同一平面內，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，擬合效果與實際一致。通過應力圖分析，發(fā)現該彈簧模型在1000N的壓力作用下，大部分區(qū)域的mises應力在500Mpa左右，在上部支撐段和下部支撐段，應力較小，在幾十Mpa范圍內，應力最大的區(qū)域在彈簧下部支撐段頂點與工作圈接觸的地方，應力達到上千Mpa，但是該區(qū)屬于應力奇異區(qū)，對實際應用影響不大，不作分析。根據實際受力分析可以發(fā)現，彈簧的上部支撐段和下部支撐段的截面上的應力主要是有剪應力引起的切應力，而有效工作段除了受剪力引起的切應力外，還包括扭矩引起的切應力。由此可以發(fā)現ansys的應

58、力模擬效果基本與實際一致。因為本題建模時考慮的是將荷載均布到上部支撐圈頂端的節(jié)點上，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算 （1）、手算彈簧剛度及質量彈簧系統(tǒng)在壓并前的自振頻率彈簧參數： 20 30 6.5 4 1+1 11.5 200 （2）質量彈簧系統(tǒng)在壓并前的自振頻率 v = （9） 式中 為彈簧的剛

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

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

61、駛。 4 結論 本次設計過程中，首先充分利用網絡資源，對我國整個拖拉機市場進行調查，集合自己的農業(yè)經驗，并綜合老師給的資料，結果表明：我國拖拉機市場處于很大的缺口狀態(tài)，拖拉機座椅的安全舒適性較差。所以，對于拖拉機中的駕駛員駕駛座椅設計有著至關重要的意義。 設計過程中，主要考慮拖拉機座椅的安全和舒適性（其中，舒適性為著中設計的內容），對座椅的設計分總體設計和零部件設計?？傮w設計主要是對座椅設計的內容選擇、座椅整體機構的設計以及幾種方案的比較，然后選擇其中較為合理的。零部件設計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，保證其對駕駛員

62、的安全舒適性是整個設計中最關鍵的內容之一。由于拖拉機不采用座椅安全帶，座椅底座采用兩個側板以保證拖拉機在側翻時對駕駛員的身體保護；拖拉機工作時，震動較為劇烈，采用好的減震系統(tǒng)就很必要了，設計中，對選擇截錐還是圓柱彈簧進行了一點的方案比較，結果表明最終采用截錐螺旋壓縮彈簧進行整個座椅第一減震體系較好；拖拉機工作環(huán)境不穩(wěn)定，因此，拖拉機工作環(huán)境中的震動作用在設計中也進行了仿真分析，得出了拖拉機座椅的震動自振頻率，對設計座椅舒適性起到指導性作用。 參考文獻 [1]龔錦編譯.人體尺度與室內空間[M].天津：天津科學技術出版社，1987:35-41.

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