座椅设计毕业论文.docx

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座椅设计毕业论文

编号（学号）：

12254013

毕业论文（设计）

（2012届本科）

题目：

拖拉机安全舒适座椅设计

学院：

工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

姓名：

余东

指导教师：

张本华

完成日期：

2012年6月4日

毕业论文（设计）任务书

论文（设计）

题目

拖拉机安全舒适座椅设计

下发任务日期

2012.05.01

学生姓名

余东

指导教师

张本华教授

一.论文（设计）主要内容

对座椅的设计包括总体设计和部分零部件的设计，总体设计包括对座椅的设计最优方案选择、座椅设计内容的确定；部分零部件的设计可分为座椅底座设计、座椅靠背设计、座椅减震系统设计。

利用Ansys软件对减震系统的截锥螺旋压缩弹簧进行分析，得出它在受到载荷时应力的分布、共振频率，然后根据这些数据指导座椅的设计。

并且建立人—座椅模型来模拟驾驶员的工作状态，得出座椅的仿真运动，以此指导座椅的设计内容。

二.论文（设计）的基本要求

1.有关资料的收集：

要求尽量收集第一手资料，资料要真实、可靠、有代表性。

2资料的整理与分析：

要求条理清晰，数据分析详尽。

3查阅相关文献：

要求贴近主题，有参考价值。

4认真撰写论文，字数在10000字以上。

三.论文（设计）工作进度安排

阶段

论文（设计）各阶段名称

日期

1

座椅在国内外的研究现状的资料收集

2012.4.1—2012.4.15

2

查阅相关文献

2012.4.16—2012.4.20

3

座椅总体设计

2012.4.21—2012.5.1

4

撰写论文初稿

2012.5.1—2012.5.10

5

集合总体设计，对座椅的零件进行设计

2012.5.10—2012.5.25

6

论文完成

2012.5.26—2012.6.12

备注：

四.应收集的资料及主要参考文献（指导教师指定）

1、拖拉机驾驶座椅的人机工程学设计文献

2、自动控制原理文献

3、拖拉机座椅系统动态舒适性的设计综述研究资料

说明：

此任务由指导教师填写一式两份，一份发给学生，一份发给指导教师留存。

沈阳农业大学毕业论文（设计）选题审批表

选题名称

拖拉机安全舒适座椅设计

题目来源

指导老师提供

学号

12254013

姓名

余东

专业

机械设计制造及其自动化

指导教师

张本华

职称

教授

研究

内容

1.座椅底座尺寸设计、结构设计。

2.座椅靠背尺寸设计、结构设计。

3.座椅减震系统设计。

4.座椅关键零件分析。

研究

计划

1.先从网络、图书馆和指导老师处收集与拖拉机座椅安全舒适设计相关的文献资料，对这些文献资料进行筛选、归纳，总结自己所需要的文献资料。

2.对座椅进行总体设计，最优方案选择、零部件设计，及其减震系统的设计。

3.对座椅的设计编写任务说明书，对照任务说明书对座椅的零件进行校核。

4.对关键零部件进行进一步分析，校核。

5.对设计说明书进行修改，对整个设计进行论证。

6.设计完成。

特色

1.利用截锥螺旋压缩弹簧对座椅进行非常有效的减震设计。

2.座椅靠背和座椅底座采用凹凸面设计。

指导教师意见

教研室意见

学院意见

毕业论文（设计）指导记录

学生姓名

余东

专业

机械设计制造及其自动化

指导教师姓名

张本华

职称

教授

本年度指导毕业生人数

论文（设计）题目

拖拉机安全舒适座椅设计

时间

地点

指导内容

学生签字：

年月日

指导教师签字：

年月日

教研室主任签字：

年月日

沈阳农业大学毕业论文（设计）考核表

论文题目：

拖拉机安全舒适座椅设计

姓名：

余东学号：

12254013专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师评语：

指导教师（签字）：

年月日

评阅人评审意见：

评阅人（签字）：

年月日

答辩委员会意见：

主任委员（签字）：

 年月日

注：

答辩委员会意见除填写简要评语、给出成绩外，还要提出是否授予学位的建议。

中文摘要（关键词）………………………………………………………………………1

Abstract……………………………………………………………………………………2

前言…………………………………………………………………………………………3

1拖拉机安全舒适座椅总体设计………………………………………………………4

1.1拖拉机安全舒适座椅理论设计思路……………………………………………4

1.2座椅的设计内容…………………………………………………………………5

1.3座椅设计方案比较………………………………………………………………5

1.3.1座椅采用普通压缩弹簧与座椅采用截锥压缩弹簧方案比较………………6

1.3.2座椅采用整体式与座椅采用框架式方案比较……………………………10

2拖拉机座椅零部件设计………………………………………………………………12

2.1座椅底座设计…………………………………………………………………12

2.1.1座椅底座主动振动仿真分析………………………………………………12

2.1.2座椅底座高度、宽度、长度、倾角的尺寸设计…………………………15

2.2座椅靠背结构设计……………………………………………………………16

2.3座椅靠背宽度、高度、倾角尺寸设计………………………………………16

3拖拉机座椅截锥螺旋压缩弹簧分析…………………………………………………19

3.1截锥螺旋压缩弹簧实体模型的建立…………………………………………19

3.2截锥螺旋压缩弹簧静力分析…………………………………………………19

3.3截锥螺旋压缩弹簧的自振频率计算…………………………………………21

4结论……………………………………………………………………………………22

参考文献…………………………………………………………………………………23

致谢………………………………………………………………………………………25

附录………………………………………………………………………………………26

摘要

拖拉机座椅是拖拉机驾驶员工作的第一环境，以往的拖拉机座椅都是直接采用座垫保证座椅的安全舒适，但本篇论文是通过对拖拉机驾驶员的身体几何尺寸的分析，设计出拖拉机座椅的合适座椅底座宽度，座椅底座长度，座椅底座高度，座椅靠背宽度，座椅靠背高度靠背与座椅底座角度及座椅底座自身角度。

利用solidworks软件对座椅整体进行模拟绘制，确定座椅整体及零部件尺寸；利用cad软件对座椅整体装配图进行绘制及座椅的重要零部件绘制，确定部分零部件的精确尺寸及装配条件；在整个设计过程中，对于座椅最重要的零件截锥弹簧，采用ANSYS软件对截锥螺旋压缩弹簧进行静力分析和模态分析，通过ANSYS的建模、加载、求解、结果分析等的过程，并与理论解进行比较，判断求解精度;利用前馈型自适应控制系统的最小均方值算法,对座椅振动实施主动控制,以改善座椅的动态舒适性。

建立六自由度人体—座椅系统模型和主动振动控制系统模型,并在Simulink下进行仿真。

关键词：

设计；模拟绘制；静力分析；主动振动控制仿真分析

Abstract

TractorseatisthefirstworkenvironmenttoTractordriver,thetraditionaltractorseatdirectlyusesseatcushiontoensuretheseatsafeandcomfortable.Inthisarticle,throughtheanalysisofthetractordriver’sbodygeometrysize,designingtherightseatbasewidthofthetractorseat,seatbaselength,seatbaseheight,theseatbackwidthandheight,theangleoftheseatbackandseatbase.Usesolidworkssoftwaretosimulatedrawingthewholeseat,determinetheseatpartsandthewhole‘ssizesoftheseat.UseCADsoftwaretodrawthewholeseatassemblyandimportantpaintcomponents,determinetheexactdimensionsoftheseatpartsandtheassemblyconditionstotheseat.Inthedesigningprocess,fortheseatthemostimportantseatpartsisthecutconehelicalspring,useansyssoftwaretoanalysisthecutconehelicalspring’sstaticandmodalcharacteritics,throughtheprocessofansysmodeling,loading,solving,resultanalysis,etc,thencomparedwiththetheoreticalsolution,judgetheprecision.Basedontheminimummeansquarevaluefilteroffeedforwardadaptivecontrolsystem,andtakeactivecontrolmentfortheimplementationofseatvibrationinordertoimprovethedynamiccomfortseat.Setupsixdegreesoffreedom,humanbody-seatsystemmodelandactivevibrationcontrolsystemmodel,andsimulatedinSimulink.

Keywords:

Design;Simulationdraw；Staticanalysis；Activevibrationcontrolsimulationanalysis

前言

驾驶座椅设计的良好与否直接影响着驾乘者的健康。

长时间坐在拖拉机座椅中，若是脊椎得不到应有的支持，则腰部就会因弓弯而造成椎骨、椎盘、肌腿的负荷，进而导致慢性肌肉疲劳并产生酸痛;再加上长时间维持相同坐姿，还会造成脊椎压力过大而导致椎间盘突出，若是压迫到神经，容易发生麻痹的想象。

然而，在驾乘拖拉机的过程中，脊椎除了不一定保持停滞状态外，也会跟着路况的变化而改变，这些情况下，脊椎的变化也就更加复杂，其所导致坐姿不良的状况，会引起腰酸背疼或慢性的肌肉发炎，加上拖拉机工作环境比较恶劣，所以驾乘拖拉机时，对人体健康影响很大[1]。

拖拉机座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要因素。

舒适而操作方便的驾驶座椅,可以减少驾驶员疲劳程度,降低故障的发生率，拖拉机驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶质量[2]。

拖拉机中的座椅是人与车接触的界面,人们驾驶拖拉机的舒适性主要与座椅有关。

随着科学技术的发展和生产力的提高,人们对工作、生活、休息质量的要求不断提高,以前的那种从拖拉机座椅到拖拉机座椅设计模式已不能满足日益丰富的工业产品的生产以及广大消费者对它的期望[3]。

这就要求拖拉机座椅设计者在设计产品的时候能充分将人的因素、产品使用的环境因素甚至整个社会的文明文化合理地、科学地运用其中。

在设计中必须始终将人的因素贯穿在整个设计的始终。

技术的发展要围绕人的需求来展开,产品和环境的设计要更好地适应和满足人类的生理和心理的特点,这已逐渐在产品的设计生产者和消费者中形成共识[4]。

因为靠背主要是驾驶员放松时用来承载力的，所以座椅靠背设计宽些[5]。

现代的工业设计师意识到:

产品是否能够被用户接受及被接受的程度不但取决于产品的市场因素如技术特征、价格和服务,而且越来越多地取决于产品的外观造型和人机工程学设计[6]。

随着我国农业机械化的提高，越来越多的拖拉机已走进千家万户。

拖拉机座椅设计的好坏直接影响着驾驶员身体的健康状况。

因此设计出一种能够适合我国广大拖拉机驾驶员的拖拉机座椅意义很大[7]。

1拖拉机座椅总体设计

1.1拖拉机安全舒适座椅理论设计思路

拖拉机座椅安全舒适设计原理：

通过一套从座椅底座到座垫的减震装置使拖拉机在行驶时，将拖拉机自身及其外部对拖拉机作用产生的震动消除，通过拖拉机座椅左边的拉杆向里压，使座椅底座和座椅靠背连接处空套连接，这时就可以调节座椅靠背的倾角，此外，通过调节座椅在滑道上前后位置以满足体型不同的驾驶员，对座椅进行四向调节，使驾驶员舒适驾驶；在驾驶过程中，在座椅两侧加上挡板，避免拖拉机侧翻将驾驶员压住，使驾驶员安全驾驶，座椅初步设计图1，如下

图1座椅整体设计

拖拉机座椅的设计要考虑静态和动态性能要求[8]。

一个舒适的拖拉机座椅要求如下:

（1）座椅底座应该提供一个舒适的坐姿和控制姿势。

（2）它应该降对低操作员的机械冲击和振动。

（3）它应该稳固操作员并提供容易控制机器的作用。

（4）它的位置相对于拖拉机,为驾驶员提供足够的视野,让驾驶员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须支撑体重大部分。

图2股骨在正常位置的缩略图

（6）一个好座椅应该支持脊柱姿势接近正确的曲率（图2）。

不应该是软的靠背调整到后面,防止疾病。

（7）座垫前面的膝盖和臀部肌肉应该去改变驾驶员的位置,这样来缓解压力和对肌肉的挤压。

（8）拖拉机座椅能为身体在连续工作时间内提供舒适环境。

这就要求调整座位以适应不同的人群。

拖拉机上发生的大量的运动都是由驾驶员用不同的身体部位承担[26]。

其中一个例子是转向的拖拉机,座椅和控制机器的执行和操作离合器、制动器、液压控制杠杆有一定的运动时间差，这时，这些不同的机构分别将运动作用给驾驶员的臀部、腿等不同身体部位。

而拖拉机座椅是影响这些组成部分之一的因素，拖拉机座椅设计可以用来作为一种手段来修改荷载结构来减轻操作人员身体的不适。

尽管拖拉机处于振动的动态环境中，但农业拖拉机的驾驶要求驾驶员维持一个稳定的姿态。

可以发现舒适的拖拉机座椅上的应变对拖拉机驾驶员在运行过程中产生的作用，与传统拖拉机座椅相比：

人体能量消耗将会减少13-29%来进行驾驶拖拉机。

结果表明,提高正确设计的拖拉机安全舒适座椅对保证驾驶员的工作效率和舒适的操作有很大的帮助，进行各方面的主观试验拖拉机座椅设计,从而使它适合不同的环境[27]。

1.2座椅的设计内容

座椅的设计内容主要是从座椅机构和座椅结构这两个方面考虑，主要内容：

（1）在座椅底部与座椅靠背连接支撑杆上加上一个拉杆机构来将靠背调整一定的角度，适应不同的人群，使拖拉机驾驶员以舒适的姿势进行操作。

（2）在座椅底部即承载驾驶员重量的下方采用网状支架，不仅可以在拖拉机震动时，均匀承载，缓慢卸去受力，使驾驶员有震感，而不会出现不舒服的感觉，从心理上设计可以提高驾驶员的注意力。

此外，采用这种结构还可以减少座椅的材料及其制作费用，降低座椅制作的成本。

（3）座椅靠背采用下宽上窄的结构，驾驶员在操作过程中腰部和背部受力较大并且不均匀，靠背下方的部分将卸去大部分冲击，

（4）座椅底部盘向后倾斜一定角度。

（5）座椅底部采用凹面形式，使驾驶员在座椅上不易打滑。

（6）座椅靠背与座椅底部形成一定角度。

（7）座椅靠背采用凹面形式，使驾驶员腰部和背部较为均匀的接触。

1.3座椅设计方案比较

座椅的设计主要分为两个部分：

座椅机构设计和座椅结构设计。

座椅机构设计中最重要设计之一是座椅底座设计，座椅底座是拖拉机驾驶员第一工作环境，对驾驶员的操作有着第一影响力的作用，设计出安全舒适的座椅从座椅底座的安全舒适出发就很重要了。

由于拖拉机的振动较为剧烈，对于座椅舒适性的设计，结合大学所学的知识，我采用了弹簧减震元件，但弹簧种类不同，其性能差异也比较大，因此，结合弹簧中的两种类型进行全面分析，做出最佳弹簧方案的选择。

对于现代工业来讲，各种机械之间互换性配合是很重要的，而装配时，由专业技术人员装配和出厂后的装配在整个装配精度上有时会相差很大，对座椅的安全舒适性就会产生巨大影响，因此，对于座椅结构设计采用座椅整体装配出厂和零部件出厂的方案进行全面分析，选择最佳方案。

1.3.1座椅减震弹簧采用圆柱压缩弹簧与座椅采用截锥压缩弹簧方案比较

（1）圆柱压缩弹簧

弹簧的材料参数为[9]：

弹簧采用油淬火回火碳素弹簧钢丝

E——弹性模量，2e11Pa

λ——泊松比，0.3

ρ——材料密度，7800kg/m3

圆柱压缩弹簧刚度:

表1弹簧参数：

组别

D（mm）

d（mm）

N

Nz

t（mm）

1（圆）

25

6.5

4

1+1

11.5

圆柱弹簧受载后的轴向变形量：

λ=8FD23n/Gd4=8FC3n/Gd

式中n为弹簧的有效圈数；G为弹簧的切变模量。

这样弹簧的圈数及刚度分别为：

n=Gd4λ/8FD23=Gdλ/8FC3

k=F/λ=Fd4/8D23n=Gd/8C3n

对于拉伸弹簧，n1>20时，一般圆整为整圈数，n1<20时，可圆整为1/2圈；对于压缩弹簧总圈数n1的尾数宜取1/4、1/2或整圈数，常用1/2圈。

为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数最少为2圈。

C值大小对弹簧刚度影响很大。

若其它条件相同时，C值愈小的弹簧，刚度愈大，弹簧也就愈硬；反之则愈软。

不过，C值愈小的弹簧卷制愈困难，且在工作时会引起较大的切应力。

此外，k值还和G、d、n有关，在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响[10]。

将弹簧参数带入可得弹簧刚度：

k=31500N/M

圆柱压缩弹簧稳定性计算：

压缩弹簧的长度较大时，受载后容易发生图3）所示的失稳现象，所以还应进行稳定性的验算。

图3圆柱弹簧受力失稳

为了便于制造和避免失稳现象出现，通常建议弹簧的长径比b=H0/D2按下列情况取为：

弹簧两端均为回转端时，b≤2.6；

弹簧两端均为固定端时，b≤5.3；

弹簧两端一端固定而另一端回转时，b≤3.7。

如果b大于上述数值时，则必须进行稳定性计算，并限制弹簧载荷F小于失稳时的临界载荷Fcr。

一般取F=Fcr/（2～2.5），其中临界载荷可按下式计算：

Fcr=CBkH0

式中，CB为不稳定系数，由下图查取。

如果F>Fcr，应重新选择有关参数，改变b值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax之值，以保证弹簧的稳定性[11]。

表2圆柱弹簧不稳定系数

弹簧两端均为固定端,所以，当圆柱压缩弹簧在受力时，b>=5.3此时临界载荷Fcr=0.5X31500X63=992N

因此，所受力F=496N

（2）截锥螺旋弹簧：

弹簧的材料参数为：

弹簧采用油淬火回火碳素弹簧钢丝

E——弹性模量，2e11Pa

λ——泊松比，0.3

ρ——材料密度，7800kg/m3

设计模型中的各物理参数：

a、b——截锥涡卷螺旋弹簧弹簧板材料厚度和宽度（截面为矩形）

d——截锥螺旋压缩弹簧材料直径（截面为圆形）

R2——为弹簧最外层的半径

R1——为弹簧最内层的半径，

t——为弹簧节距

n——为弹簧的有效圈数

nz——弹簧支撑圈数

G——质量块m重力

等节距截锥螺旋压缩弹簧（较小，不自锁）；

弹簧刚度

表3弹簧参数：

组别

R1（mm）

R2（mm）

d（mm）

N

nz

t（mm）

1（圆）

20

30

6.5

4

1+1

11.5

由于截锥螺旋压缩弹簧的螺旋角

比较小，当弹簧受到轴向荷载

作用时，可近似地看做各弹簧圈材料截面受到如下扭矩

（1）

在单位轴向荷载作用时，材料截面所受扭矩

（2）

将上两式代入弹簧轴向变形的一般积分公式得：

（3）

又

又根据截锥螺旋压缩弹簧的弹簧圈半径表达式

可得

（4）

从而得

（5）

将此式代入（3）式，并改取积分限由

到

，得变形计算式

（6）

对于圆形截面材料，极惯性矩

，代入上式，得

（7）

由此可得截锥螺旋弹簧的刚度计算式为

（8）

其中

，将弹簧参数代入可求得弹簧刚度为：

F’=33010N/m。

截锥螺旋弹簧稳定性：

变刚度弹簧以其独特的刚度特性在工业各领域得到广泛应用，截锥螺旋弹簧是这种非线性特性螺旋弹簧的典型代表[11]。

这种弹簧在受荷载初期，特性线是直线，即刚度不变，当荷载逐渐增大时，弹簧从大圈开始逐渐接触，有效工作圈数随之减少，而刚度逐渐增大，直到所有弹簧圈压并为止。

该弹簧的变刚度特性引起了弹簧自振频率变化，使得在不同外扰频率作用力下弹簧变刚度运行，从而实现较宽频率范围内为共振峰，可以有利于消除或缓和共振。

图4为截锥螺旋压缩弹簧及其特性线[12]。

这种弹簧在受力后特性线的OA段是直线，当荷载逐渐增大时弹簧的大圈开始逐渐接触，有效工作圈数减少而刚度逐渐增大，一直到所有的弹簧圈完全压并为止。

其特性线AB段为渐增型。

这种弹簧的刚度是变值，所以自振频率也是变值，有利于防止发生共振，因而多用于需要减振的场合。

图4截锥螺旋弹簧及其特性曲线

经过上面的比较可以得出以下结论：

选择刚度接近的圆柱压缩弹簧和截锥螺旋弹簧，圆柱压缩弹簧可承载受力值为50kg,这不能满足广大驾驶员的身体尺寸值，此外，截锥螺旋弹簧的稳定性比圆柱压缩弹簧的强，所以，选择截锥螺旋弹簧方案较好。

1.3.2座椅采用整体式与座椅采用框架式方案比较

从理论上分析，座椅采用框架式可以使得部件到了一个地方进行装配，这样可以在运送过程中将总的座椅质量分成几部分，减轻每次的运送量；如果座椅的零部件坏了，可以直接拆卸，重新购买零部件装配，这些都是整体式座椅不能实现的。

但整体式座椅在使用时，可以方便准确的安装，它安装精度较高。

从受力方面进行分析（图5）：

（a）框架式（b）整体式

图5座椅结构比较受力图

图中框架式结构将座椅所受的力的转移到座椅支撑结构上，而整体式结构中座椅受力都分给了座椅座垫等机构上，由于框架式中的支撑机构采用的都是强度较大构件，其支撑能力大，而整体式结构中座椅座垫等主要受力构件其强度不大，对其毁坏作用较大。

但采用整体式可以将驾驶员的作用力减弱，提高其座椅舒适性。

经过上面的比较可以得出以下结论：

座椅安装不需较高的精度，有截锥螺旋弹簧进行主要减震工作，整体式结构就没有框架式结构明显