隔振系统实验台总体方案设计.docx
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隔振系统实验台总体方案设计
摘要
振动在日常生活中是到处可见的。
隔振是阻止振源向隔振物体的传递。
汽车座椅或减振器的功能都是在人体的敏感频率范围内（2Hz～8Hz）阻止振源向人体的传递。
本设计任务要设计出一套激振装置，给予座椅或减振器以宽频范围的正弦激励，通过检测汽车座椅或减振器的输出振幅，观察其是否在人体敏感频率范围内处于减振状态。
如果没有达到理想的减振效果，则通过改变座椅或减振器的刚度或阻尼，或同时改变其刚度及阻尼，以期达到预定的减振要求。
推而广之，本文所设计的激振装置也可用于检验其它种类的隔振装置。
关键词：
振动，隔振，座椅，减振器
Abstract:
Itisnormalthatthereisthevibrationinourdailyliveseverywhere.Thevibrationispreventedfromvibrationsourcetovibratedobjectbytechnologyofvibrationinsulation.
TheAutomobileseatandanti-vibrationdeviceareallbelongedtoakindsofanti-vibration.Thepaperaimsatdesigningasetofvibrationexcitingdevice,gettingoutputamplitudewhilegivingsinusoidexcitationtotheseatorvibrationisolator.Throughexperimenting,theoutputamplitudewasobservedwhetheritisreduceinthefrequencydomainof2Hz~8Hzwhichissensitivitytohumanbody.Iftheresultofexperimentisn’tmettheidealpurpose,wecanchangeeitherthespringstiffnessordampofseatoranti-vibrationdevice,orchangespringstiffnessanddampofseatoranti-vibrationdevicewiththeoutputamplitudewasobservedagain,untiltheidealpurposeisattained.
Thissetofvibrationexcitingdevicemayalsobeusedfortheotheranti-vibrationdevices.
Keywords:
vibration，anti-vibration，seat，anti-vibrationdevice
目录
前言。
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摘要。
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第一章隔振理论。
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1.1振动。
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1.2隔振概念。
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1.3隔振原理。
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1.4隔振装置性能的影响因素。
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1.5隔振理论在工程上的应用。
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第二章实验台总体方案设计。
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2.1设计任务与目的。
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2.2激振方案的选择。
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第三章激振系统的设计。
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3.1推杆的设计与校核。
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3.2滑动轴承的设计与校核。
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3.3滑块与滑槽的设计与校核。
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3.4滚动轴承,曲轴,滚针轴承的设计与校核。
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3.5箱体的设计。
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第四章激振系统附件的设计。
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19
4.1油塞。
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4.3视孔盖。
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第五章振动系统的动力选择。
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5.1选择电动机。
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5.2选择电动机的调速方法。
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第六章激振系统用于汽车部件振动的分析。
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6.1汽车座椅振动分析。
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22
6.2汽车减振器振动分析。
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第七章隔振系统测试与信号分析。
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7.1传感器。
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25
7.2电荷放大器。
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7.3示波器，采集器与电子计算机。
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第八章设计小结。
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参考文献。
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致谢。
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英文资料。
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前言
机械设备在运转时将不可避免地产生振动，振动是造成工程结构损坏及寿命降低的原因，同时，振动会导致机器和仪器仪表的工作效率、工作质量和工作精度的降低；此外，机械结构的振动是产生结构振动辐射噪声的主要原因，如建筑机械、交通运输机械等产生的噪声是构成城市噪声的主要来源；振动对人体也会产生很大的危害，振动会引起人体内部器官的振动或共振，从而导致疾病的发生，对人体造成危害，严重时会影响人们的生命安全，因此振动是一种不可忽略的公害。
随着经济的发展，高等级公路里程的增加，长途客流已成为我国公路运输的主要特征。
在这一背景下，长距离（2000km以上）、长时间（20h以上）的驾驶作业已是平常。
隔振装置在汽车上发挥着越来越重要的作用，如轮胎、弹簧钢板、减振器、座椅、气囊等等。
这些装置缓和了路面不平传给人体的冲击和衰减了由此引起的振动，也给驾驶员和乘员提供舒适、安全的乘座条件及工作条件。
所以检测汽车的座椅和减振器是必要和必行的。
本文考虑仅对于汽车座椅和减振器的隔振性能进行检测，通过改变其阻尼或刚度，或同时改变其阻尼和刚度，而使其舒适性得以改善。
在设计的过程中，感到理论水平和写作能力都比较低，难免会有缺点，甚至会出现一些错误，希望读者给予批评和指正。
在此过程中，指导教师给予了很大的支持和鼓励，并提出许多的宝贵意见，也给予了很大的关心和指导，克服了许多的缺点、改正了许多错误。
没有他的帮助，本设计也达不到现在的水平。
在此，向吴努教授表示衷心的感谢。
第一章隔振理论
1.1振动
振动是自然界以及工程技术中普遍存在的自然现象。
一方面，振动常常破坏机器的正常工作，加速机器的损坏，造成事故，也危害人体的健康；另一方面我们可以利用隔振的原理，使消极的振动一面转变为积极的，有利于人身健康的一面。
引起振动的原因很多。
在长期的生活实践中，人们积累了丰富的宝贵经验，掌握了不少行之有效的减少和控制振动的方法。
如减少扰动、采取有效的隔振措施等。
本文将从隔振的角度出发，设计一种激振器，从而检验汽车驾驶座椅和减振器的隔振效果。
1.2隔振概念
隔振是在振源和被隔振的物体之间的传递途径中插入适当量值的弹簧和阻尼，切断或阻止振动由振源向隔振物体传递。
车辆振动是影响车辆性能的重要因数,这种振动不仅大大降低了车辆行使平顺性,也影响其操纵稳定性.车辆振动严重时,还影响其行使速度;同时车辆振动也是车内噪声的主要来源.研究隔振的原理,将大大的提高汽车的舒适性和平稳性。
1.3隔振原理
对于二阶欠阻尼隔振系统，其幅频特性，即振动传递率
为：
（1-1）
其中
式（1-1）中，
为系统的固有频率，
为阻尼比，
为被隔振物体的质量、
为隔振结构的刚度、
为隔振结构的粘性阻尼系数。
振动传递率
的变化曲线如图（1-1）所示。
图（1-1）振动传递率
的变化曲线
由图（1-1）知只有当
时才有减振效果，
值越小，减振效果越好。
振动传递率的大小是随信号频率的变化而变化的，以
为分界线。
谐振频率
在
之间为振动传递特性曲线的增幅区；谐振频率大于
为减振区，只有在这个频率区域内才具有减振效果。
隔振系统的效果主要取决于两个特征参数：
隔振系统的固有频率
和阻尼比
。
这两个参数都需要通过计算和实验来调整。
以某种激振方式给被测对象作用力，使之产生受迫振动，测量输入和输出，从而确定被测件的频率响应，然后进行模态分析，求得隔振系统的动态参数。
1.4隔振装置性能的影响因素
根据对二阶系统的振动传递率特性图（1-1）的分析可知，隔振系统的隔振效能与隔振系统的弹簧刚度和阻尼系数密切相关。
一般地，相对阻尼比
越大，隔振效果越好，但当
时阻尼大的系统比阻尼小的振幅反而要小一些。
因此在实际工作中要通盘考虑。
系统固有频率的平方与刚度成反比，与质量成正比。
可见对隔振系统的分析要综合考虑激励、阻尼、刚度、质量这四个因数，以期获得最理想的隔振效果。
然而这四个因数之间具有何种关系时隔振效果最佳呢？
这可以通过隔振实验，固定四个因数中的三个因素，改变另外一个因素，考察隔振效果的改变来达到目的。
根据前人总结的上述四因素对隔振效果的影响，可得以下几条规律：
（1）激励频率
，增幅区，
，不阻振；
，减幅区，
，可以阻振。
阻尼比
增大可有效地抑制增幅区的共振现象，但同时却使减幅区的阻振效果下降。
这一规律要求对激励频率充分了解的同时，要根据隔振的需要设计隔振系统。
如满足人体舒适性需要，则应避开人体敏感性频率的振动；如要满足货物的完整性，则应考虑各频率对其的损坏程度。
对于要求有特殊隔振频率范围的装置，例如像汽车悬挂系统或载运工具仪表减振系统，它们的固有频率
要求很低，隔振区域要求较宽。
（2）隔振系统固有频率的平方与刚度成反比，与质量成正比。
因此要得到理想的隔振系统频率就必须设计好它们之间的关系。
（3）线性隔振系统隔振作用域及其效果几乎依赖于系统的固有频率
，与系统的阻尼比
关系不显著。
（4）一般地，相对阻尼比
越大，隔振效果越好，但当
时阻尼大的系统比阻尼小的振幅反而要小一些[5]。
通过控制和改变振动传递系统（阻振器）的固有频率
和阻尼比
，可以设计减幅区域。
（5）线性隔振系统的缺陷是：
隔振作用域及其效果几乎依赖于系统的固有频率
，小阻尼情况下与系统的阻尼比
关系不显著；对于要求有特殊隔振频率范围的装置，例如像汽车悬挂系统或载运工具仪表减振系统，它们的固有频率
要求很低，隔振域要求较宽，线性隔振系统机理给制造工艺带来困难，且隔振域内不同振动频率的隔振效果不均匀。
1.5隔振理论在工程上的应用（在汽车上的应用）
现代汽车尽管有各种各样的结构，但由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，加上汽车本身的机械振动，它们产生一种冲击力，冲击力传导车架及车身，可能引起的车身机件的早期损坏，传递给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒服,货物也可能引起损伤。
因此为了缓冲冲击，除了在行驶系中采用弹性的充气轮胎，在悬架中安装使振动迅速衰减的弹性元件和减振器，还给乘员提供减振器座椅。
减振器主要包括单向作用式减振器，双向作用筒式减振器，充气式减振器，阻力可调式减振器。
它们的作用主要是加速车身和车架振动的衰减，以提高汽车行使的平稳性。
车架的弹性元件主要包括钢板弹簧,镙旋弹簧，扭杆弹簧，囊式空气弹簧，模式空气弹簧，油气弹簧等。
而座椅是人与车相联系的重要部件，随着人类生活水平的不断提高及汽车性能的飞跃发展，汽车座椅已不在是仅仅满足于坐，今天座椅已成为一种复杂的、多功能的、符合人体工程学具有高科技水平的部件，它是决定驾驶员与乘客的舒适与安全的重要因素。
座椅振动状况的好坏当以是否影响驾驶员正常作业为根据，可以从以下几方面考虑：
①ISO2631《人体全身受振动评价标准》的规定。
该标准将人体受振动影响的容许限度划分为三个准则：
a.降低舒适界限，b.疲劳降低工作效率界限，c.暴露界限。
显然对于长途客车驾驶员座椅振动状况的评价，应以长时间驾车的驾驶员因为座椅振动而使其疲劳程度改变为标准，即以保存工作效率的“疲劳降低工作效率界限”为标准。
②人体容许的振动感觉与振动的强度、频率、方向、时间有关。
给出了质量为73kg的男性青年坐在静刚度为691N/m的坐垫上时得到的身体有关部位前三阶模态参数，如表（1-1）所示；根据试验指出为了提高驾驶员所能承受的暴露界限值，特别应当降低座椅在2Hz~6Hz、振幅小于g/12范围的振动传递率；引用ISO2631振动加速度1/3倍频程图，给出了在垂直振动时能连续乘坐（驾驶员能承受）8小时的座椅振动临界范围，如图（1-2）。
③由表（1-1）和图（1-2）可见，人体一阶振动固有频率约5Hz，此时在头、胸、腹三处人体最容易发生不适（疲劳、晕车）的部位，其振型值均大于高阶的情形，在4Hz～8Hz之间人体承受振动的能力最低、最敏感。
④我国一般大型车辆驾驶室地面的振动频率成分范围在常用车速时为2Hz～20Hz[1]，恰好覆盖了人体的前三阶固有频率，这意味着客车驾驶员将在敏感振动区域内作业。
⑤综合上述的讨论，汽车座椅振动状况及其评价标准应
以在2Hz～8Hz范围内的振动传递率和阻振（衰减振动）效果来考察。
阶数
固有频率Hz
阻尼比%
主振型
头
胸
腹
1
2
3
4.92
9.92
13.03
15.5
11.4
15.9
22.41
13.90
3.01
37.02
-21.71
7.97
13.83
-10.36
-4.21
表（1-1）男性青年人体前三阶主振型
图（1-2）驾驶员作业8h等感度曲线
第二章隔振系统实验台总体方案设计
2.1设计任务与目的
2.1.1实验目的
通过搭建实验台架，组建隔振能力检测系统，设置试验方案，对于刚度、阻尼两个影响因素与隔振系统减振性能之间的关系作出较为深入的分析，并进一步进行隔振性能影响因素的敏感性分析。
为载运工具（汽车）的隔振装置设计提供有价值的建设性意见。
2.1.2设计目的
座椅是作为客车的重要组成部分，直接关系到客车的乘座舒适性、方便性和安全性，并在感情上影响乘员对客车的评价驾驶座椅的舒适性包括动态舒适性、静态舒适性和操作舒适性。
动态舒适性主要是指座椅的振动传递性，它对汽车的平顺性有较大的影响。
一个传递特性与振动输入匹配良好的座椅，可以使平顺性评价指标总加权加速度振级下降2dB~6dB。
本设计的主要目的是设计一套针对汽车座椅和减振器的激振装置，通过检测它们对于激振输入的输出信号，观察在人体敏感频率2Hz~8Hz的范围内，它们的振动传递率是否是小于1，即处于衰减区域。
由于座椅的动态舒适性取决于座椅系统的动态参数固有频率
与相对阻尼
，所以对座椅动态舒适性的设计就转化为对两个动态参数的选择。
本设计主要是设计一套激振系统，给座椅和减振器输入一系列稳定的激振响应信号。
通过试验，调节相对阻尼
和系统固有频率
，使人体敏感频率范围2Hz~8Hz处于衰减区域。
2.1.3设计任务与要求
1）了解隔振系统的工作原理和影响因素；
2）选择一类激振机构，设计机械部分（结构）；对动力系统进行选型、校核；对测试环节进行分析与选择；
3）
（1）出图：
隔振系统实验台结构总图,隔振系统实验台主要零件图和数据处理流程
图；
（2）说明书：
动力系统选型校核；测试环节分析与选择。
2.2激振方案的选择
2.2.1选取激振信号
激振器的主要任务是对系统进行激励，测出其响应频率。
隔振实验中主要有以下几种激励：
1）快速正弦扫描激振：
对测试系统施以正弦激励，当系统达到稳态时，其输出与输入的幅值比和相位差即为该激励频率下被测系统的传递特性。
该方法的特点是：
在频域内能量集中，而在时域内具有最大峰值/平均能量比，信噪比高，能检测出系统的非线性，可任意选择测试频率点或测试频率密度。
但测试速度慢。
2）阶跃信号响应法：
这是一种宽频带激励方法。
其特点是：
试件尺寸选择范围广，加载方向和大小易于控制，能提供较大低频能量，与脉冲相比，难以应用于一般大小的试件。
3）随机信号响应法：
随机信号响应法是给系统施加一个不能用确定函数描述的激励信号，使系统作随机振动。
这是一种宽频带激励方法。
该方法常分为纯随机激励、伪随机激励和周期激励三类。
纯随机激励的平均能量较好，能消除噪声、非线性等的影响，可用来在线识别；伪随机激励的特点是速度快，平均能量较低，激励信号的大小和频率易于控制；周期随机激励则是一种理想的激励信号，特别适用于用曲线拟和方法求取系统模态参数的场合，既综合了纯随机和伪随机的优点，又扬弃了缺点，缺陷是速度慢。
4）脉冲信号响应法：
该方法是用脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。
其特点是：
所需的安装调试时间最短、设备最少、速度最快。
在空间狭小或激振器难于安装的情况下，是一种理想的测试方法；但其信噪比低，易出现过载、连击等现象。
且不适用于非现象性强的系统。
综合以上几种激励方案，各有优点和缺点。
但是根据研究要求，需要在不同频率的情况下，对隔振系统进行激励，当输入不同频率的激励时，测量系统的输出。
由于隔振系统的动态特性可以通过不同频率的稳态正弦激励方法求得，快速正弦扫描激励符合本设计的要求。
所以，选择快速正弦扫描激振方法。
2.2.2激振方案选择
通过查阅资料和分析机构的加速度的频率特性，主要有如下三种机构:
分别如图（2-1）～
图（2-3）所示：
图（2-1）推杆机构图（2-2）滑块机构图（2-3）电动激振器
图（2-1）中，凸轮机构的推杆推程的运动方程式为：
（2-1）
凸轮机构的推杆回程的运动方程式为：
（2-2）
式（2-1）~式（2-2）中，h为凸轮的升程,
推程角，
为角速度。
图（2-2）中，滑块机构的推杆运动方程式为：
（2-3）
式（2-3）中：
s为推杆的位移，v为推杆的速度，a为推杆的加速度L为曲轴的半径。
图（2-3）中，电动激振器推杆的加速度方程式为：
（2-4）
式（2-4）中，p静为激振器静止时的压力，p动为通电时的电磁力。
综合以上几种激振机构的情况，凸轮机构的加工比较困难，精度要求较高，而且它产生的激振频率只有在机构加工精度较高时，才能够有标准的频率输入，并且凸轮与推杆之间的摩擦力很难控制润滑方式较难，最重要的一点是它的加速度波形在一个周期内不是标准的正弦波形，所以凸轮机构的加速度的波形不符合快速正弦扫描激励的要求。
电动激振器是利用电流来控制电磁线圈对推杆的磁力使推杆做上下做周期性的运动，产生正弦波形，其缺点是结构复杂，附属设备多。
动激振器主要是用来对被测物体做绝对激振，因而在激振时最好使激振器在空间基本保持静止，在实际中间很难这样做到。
因此电动激振器不适合本设计。
滑块机构结构简单，材料来源广泛，价格便宜，运动路线简单，加速度的
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