國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 南瑞集團(tuán)有限公司 戴迎宏 胡華鋒 孫萬(wàn)士

針對(duì)車載電子設(shè)備在運(yùn)輸和使用過(guò)程中，無(wú)法避免的會(huì)受到各種振動(dòng)、沖擊等因素的影響，設(shè)計(jì)出一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的減振裝置，并通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了這一減振裝置的有效性，為其大規(guī)模推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

如今，在科技快速發(fā)展的支持下，車載電子設(shè)備類型越來(lái)越多，使用也逐漸廣泛，不同行業(yè)對(duì)設(shè)備有著不同的要求。當(dāng)車載電子設(shè)備在運(yùn)輸和使用時(shí)，無(wú)法避免的會(huì)受到各種機(jī)械力的作用，其中破壞力最大的是振動(dòng)和沖擊的影響。它們?cè)斐傻钠茐闹饕袕?qiáng)度破壞和疲勞破壞兩種形式。為了減少或防止振動(dòng)與沖擊對(duì)電子設(shè)備的影響，對(duì)車載電子設(shè)備整體進(jìn)行減振設(shè)計(jì)，減小外部激勵(lì)對(duì)電子設(shè)備的作用力，研制出一種簡(jiǎn)單可行的基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的減振裝置是具有重要現(xiàn)實(shí)意義的。

1 車載減振裝置的現(xiàn)狀

就減振的基本原理而言，當(dāng)存在具有一定彈性及阻尼的材料進(jìn)行振動(dòng)能量吸收時(shí)，就可以達(dá)到減振目標(biāo)?；诖?，對(duì)于傳統(tǒng)減振裝置，多由塑料或者是橡膠加工而成，也可直接安裝彈性阻尼類的減振裝置，用于實(shí)現(xiàn)基于多個(gè)自由度實(shí)際情況的減振目標(biāo)。然而，對(duì)非金屬材料而言，由于它容易老化而喪失基本特性，壽命相對(duì)較短另外，對(duì)于彈性阻尼類的減振裝置，其多為單自由度，想要在多自由度的情況下實(shí)現(xiàn)減振，要采用多層結(jié)構(gòu)相組合的形式，但這樣會(huì)使裝置變得十分復(fù)雜。國(guó)外學(xué)者提出的基于單自由度條件的多層結(jié)構(gòu)，即防振擔(dān)架床，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其成本較高。為克服傳統(tǒng)裝置在結(jié)構(gòu)及材料性能等方面的缺陷，可直接將并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為全新形式的減振裝置，目前這一想法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到初步討論。但真正把并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于多維減振當(dāng)前還沒(méi)有形成系統(tǒng)研究。對(duì)此，探討將基于三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于車載減振的可行性，具體做法為在車載電子設(shè)備的安裝表面及車廂地板銜接部位進(jìn)行減振裝置的安裝，以此達(dá)到減振的目標(biāo)（張俊紅,徐子喻,李德勝,劉海.基于3-RPC并聯(lián)機(jī)構(gòu)的車輛座椅減振裝置研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2015,32(02):26-31）。

2 車載減振裝置的設(shè)計(jì)

2.1 車載減振裝置基本要求

（1）當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，因路面不平整、車輛起步和剎車、中途加速與減速及轉(zhuǎn)彎等實(shí)際因素的持續(xù)影響，車輛必定存在多維振動(dòng)。對(duì)于多維振動(dòng)，由于其十分復(fù)雜，所以要進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅沿著x向、y向與z向的振動(dòng)。因此，對(duì)于連接車載電子設(shè)備和車體的減振裝置，其主體機(jī)構(gòu)存在至少三個(gè)自由度（黃賢群,楊桂浩,賴錦坤,陳曉萍.基于多維彈簧振子的減振蓄能裝置的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2017(14):187），且減振裝置的自由度應(yīng)與車輛行駛過(guò)程的振動(dòng)維度相匹配。

（2）由振動(dòng)產(chǎn)生的系統(tǒng)能量可通過(guò)包含機(jī)械、電磁等在內(nèi)的多種形式來(lái)消耗及儲(chǔ)存。對(duì)此，需要設(shè)置必要的彈簧和阻尼設(shè)置在主動(dòng)副當(dāng)中，借助彈簧具有的阻力特性進(jìn)行緩沖及吸收外部激勵(lì)的振動(dòng)能量，以起到有效減振作用。

（3）因車輛中的空間有限，所以減振裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單，體積不能太大，為安裝提供方便。

2.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合

針對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合這一實(shí)際問(wèn)題，目前已經(jīng)有許多專家及學(xué)者給予大量研究，比如以螺旋理論為基礎(chǔ)對(duì)型綜合方面的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，實(shí)踐表明，這具有良好指導(dǎo)作用與意義；以微動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)為依據(jù)，分析微操作機(jī)構(gòu)方面的型綜合問(wèn)題；通過(guò)對(duì)群論等方法的合理應(yīng)用，對(duì)三維平動(dòng)并聯(lián)對(duì)應(yīng)的型綜合進(jìn)行分析。上述分析研究都提出相應(yīng)機(jī)型，并且還有很多機(jī)型目前已經(jīng)投入使用，取得了良好的效果。

將單開鏈確定為一個(gè)單元，基于現(xiàn)有研究成果進(jìn)行機(jī)構(gòu)類型的選擇，在類型選擇時(shí)，主要存在下列基本條件：第一，期望輸出運(yùn)動(dòng)確定為三平移運(yùn)動(dòng)，而非期望的輸出運(yùn)動(dòng)則是一個(gè)常量；第二，機(jī)構(gòu)可以由下列部分組成：轉(zhuǎn)動(dòng)副R，移動(dòng)副P，圓柱副C，萬(wàn)向節(jié)U，螺旋副H與球副S，同時(shí)盡量減少運(yùn)動(dòng)副的實(shí)際數(shù)量；第三，所有主動(dòng)副都處在相同的平臺(tái)上；第四，所有或個(gè)別的單開鏈支路都有一只的結(jié)構(gòu)類型（朱小蓉,朱偉,沈惠平.磁流變并聯(lián)減振系統(tǒng)半主動(dòng)控制及實(shí)驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2010,26(01):40-43+47）。

對(duì)于減振裝置的核心機(jī)構(gòu)，即以多自由度為基礎(chǔ)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，應(yīng)滿足基本條件，同時(shí)施以尺度優(yōu)選，機(jī)構(gòu)選型方面不僅要滿足以上條件，還應(yīng)根據(jù)輸出維數(shù)開展針對(duì)性分析。對(duì)于輸出維數(shù)，是指坐標(biāo)系當(dāng)中減振運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的自由度實(shí)際數(shù)量。在一系列運(yùn)動(dòng)輸出類型當(dāng)中，自由度為6的機(jī)型相比之下較多，對(duì)此，學(xué)者對(duì)這一并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)施了型綜合，獲取各個(gè)回路的一種等基本理論。而自由度在2-5范圍內(nèi)的機(jī)型則相對(duì)較少。找到和不同輸出類型對(duì)應(yīng)的機(jī)型，對(duì)基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)型創(chuàng)新而言，是一個(gè)亟待解決的重難點(diǎn)。在這一方面已有報(bào)告給出了詳細(xì)分析及統(tǒng)計(jì)，可為本次研究奠定良好的理論基礎(chǔ)。

2.3 主體機(jī)構(gòu)選型

在選擇具體的主體機(jī)構(gòu)類型時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照以下基本原則進(jìn)行。

其一，所選擇的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度由振動(dòng)的維數(shù)決定；動(dòng)、靜平臺(tái)一般互相平行。

其二，機(jī)構(gòu)的構(gòu)型應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，盡可能采取對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各支路盡量采用相同的結(jié)構(gòu)形式；選擇的機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的構(gòu)件數(shù)量和運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量需要盡量少，運(yùn)動(dòng)副之間的空隙應(yīng)盡可能的小。

其三，機(jī)構(gòu)在進(jìn)行正、反向的傳動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)具有良好傳力特性，保證在傳動(dòng)的過(guò)程中不會(huì)自鎖；轉(zhuǎn)動(dòng)中機(jī)構(gòu)的最大壓力角不大于許用壓力角，提高實(shí)際傳動(dòng)效率，符合減振裝置基本設(shè)計(jì)原理（劉芳華,吳洪濤,馬履中,盧道華.空間三自由度減振裝置在陀螺儀抗沖擊中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2008(03):379-381+385）。

其四，機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)幅值需要處在工作空間范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)奇異位置；頻率盡可能避開對(duì)工作性能有較大影響的共振點(diǎn)。

其五，在機(jī)構(gòu)中，彈簧要有合適的剛度，以能夠承受足夠的載荷，又要避免車載電子設(shè)備發(fā)生較大的位移而影響減振效果。

其六，機(jī)構(gòu)的構(gòu)型盡量選擇能完全或部分解耦的機(jī)型，方便分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)學(xué)。

其七，對(duì)阻尼值大小進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保其減振效果能夠達(dá)到最佳。

根據(jù)車載減振裝置的實(shí)際要求和選型原則，選擇出性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的有很實(shí)用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為減振裝置的主體結(jié)構(gòu)。

2.4 模型構(gòu)建

如圖1所示，三平移減振裝置模型中，下平臺(tái)為靜平臺(tái)，上平臺(tái)為動(dòng)平臺(tái)，外側(cè)3個(gè)支路為對(duì)稱分布，每個(gè)支路兩端采用單自由度的移動(dòng)副與動(dòng)、靜平臺(tái)相連接。其中每個(gè)支路一端與靜平臺(tái)垂直固定連接，三個(gè)固定點(diǎn)均勻分布在在靜平臺(tái)的同一個(gè)圓周上；另一端通過(guò)平行四邊形桿組以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接，平行四邊形桿組的上部與動(dòng)平臺(tái)以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的連接點(diǎn)也均勻分布在同一圓周上。平行四邊形桿組內(nèi)部通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副兩兩相連接，能在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。在每個(gè)移動(dòng) 副P處安裝彈性阻尼構(gòu)成浮動(dòng)支持。本機(jī)構(gòu)中的三個(gè)支路關(guān)于圓心對(duì)稱分布，因此，三個(gè)移動(dòng)副的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)相同。下平臺(tái)直接與車輛底板相連，上平臺(tái)與車載電子設(shè)備相連。上平臺(tái)相對(duì)于下平臺(tái)可產(chǎn)生x 、y、z 3個(gè)方向的平移，通過(guò)設(shè)計(jì)彈性阻尼剛度來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有頻率，從而使可調(diào)阻尼器消耗車輛振動(dòng)沖擊的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)減振。

圖1 三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)減振裝置的模型

3 減振裝置的性能仿真分析

當(dāng)汽車正常行駛時(shí)，如果遇到突發(fā)狀況進(jìn)行急剎車，或由于路況等因素進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎及急剎車，都會(huì)以力及力矩施加到減振裝置所在動(dòng)平臺(tái)，同時(shí)產(chǎn)生多維振蕩，具體的振蕩幅度和衰減速度能直接反映出裝置具有的性能。當(dāng)外部激勵(lì)對(duì)靜平臺(tái)施加作用力后，對(duì)動(dòng)平臺(tái)而言，其多維振蕩可對(duì)沿著三個(gè)方向上的不同特征進(jìn)行測(cè)量來(lái)描述。對(duì)此，借助Adams具有的測(cè)量功能，對(duì)動(dòng)平臺(tái)具有的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)用運(yùn)動(dòng)線圖的方式表達(dá)參數(shù)分析結(jié)果。

設(shè)置模型當(dāng)中各參數(shù)的數(shù)值，具體如表1所示。

當(dāng)外部激勵(lì)對(duì)靜平臺(tái)施加X(jué)方向的瞬時(shí)沖擊力為20N時(shí)，動(dòng)平臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向均有平動(dòng)位移，采用Adams軟件進(jìn)行仿真分析，得出三個(gè)方向的加速度曲線如圖2所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 加速度曲線圖

從以上運(yùn)動(dòng)線圖可以看出，三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)特征均在不超過(guò)1s的時(shí)間內(nèi)明顯衰減，當(dāng)時(shí)間變?yōu)?s時(shí)，整體機(jī)構(gòu)處在相對(duì)平衡的位置，此時(shí)的加速度等于零，平臺(tái)受到的沖擊得以很大程度的抑制，說(shuō)明這一減振裝置有良好減振效果。（莫亞梅,吳努,錢永明,林航.基于Adams的車載多維減振裝置的設(shè)計(jì)[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(01):66-69）

4 結(jié)束語(yǔ)

并聯(lián)機(jī)器人目前已經(jīng)可以用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，但我國(guó)卻處在前期研制階段。當(dāng)前主要選擇的是結(jié)構(gòu)為對(duì)稱形式的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這樣做的目的是該結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)?；诖?，利用Adams進(jìn)行建模，開展仿真試驗(yàn)，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及可行性。經(jīng)分析與研究得知，該機(jī)構(gòu)除了位置與速度容易計(jì)算以外，奇異位形的確定也十分容易。對(duì)此，研制出基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的車載電子設(shè)備減振裝置樣機(jī)，并進(jìn)行了仿真分析驗(yàn)證，由分析結(jié)果可知，這種裝置因采用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)和彈簧阻尼，所以可以取得良好減振效果，值得大范圍推廣應(yīng)用。