基于并聯機構的車載電子設備的減振裝置的研究

國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司 南瑞集團有限公司 戴迎宏 胡華鋒 孫萬士

針對車載電子設備在運輸和使用過程中，無法避免的會受到各種振動、沖擊等因素的影響，設計出一種基于并聯機構的減振裝置，并通過仿真分析，驗證了這一減振裝置的有效性，為其大規模推廣應用提供理論依據。

如今，在科技快速發展的支持下，車載電子設備類型越來越多，使用也逐漸廣泛，不同行業對設備有著不同的要求。當車載電子設備在運輸和使用時，無法避免的會受到各種機械力的作用，其中破壞力最大的是振動和沖擊的影響。它們造成的破壞主要有強度破壞和疲勞破壞兩種形式。為了減少或防止振動與沖擊對電子設備的影響，對車載電子設備整體進行減振設計，減小外部激勵對電子設備的作用力，研制出一種簡單可行的基于并聯機構的減振裝置是具有重要現實意義的。

1 車載減振裝置的現狀

就減振的基本原理而言，當存在具有一定彈性及阻尼的材料進行振動能量吸收時，就可以達到減振目標。基于此，對于傳統減振裝置，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，用于實現基于多個自由度實際情況的減振目標。然而，對非金屬材料而言，由于它容易老化而喪失基本特性，壽命相對較短另外，對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現減振，要采用多層結構相組合的形式，但這樣會使裝置變得十分復雜。國外學者提出的基于單自由度條件的多層結構，即防振擔架床，其結構十分復雜，其成本較高。為克服傳統裝置在結構及材料性能等方面的缺陷，可直接將并聯機構作為全新形式的減振裝置，目前這一想法已經在國內外得到初步討論。但真正把并聯機構用于多維減振當前還沒有形成系統研究。對此，探討將基于三自由度的并聯機構用于車載減振的可行性，具體做法為在車載電子設備的安裝表面及車廂地板銜接部位進行減振裝置的安裝，以此達到減振的目標（張俊紅,徐子喻,李德勝,劉海.基于3-RPC并聯機構的車輛座椅減振裝置研究[J].機械設計,2015,32(02):26-31）。

2 車載減振裝置的設計

2.1 車載減振裝置基本要求

（1）當車輛正常行駛時，因路面不平整、車輛起步和剎車、中途加速與減速及轉彎等實際因素的持續影響，車輛必定存在多維振動。對于多維振動，由于其十分復雜，所以要進行簡化，僅沿著x向、y向與z向的振動。因此，對于連接車載電子設備和車體的減振裝置，其主體機構存在至少三個自由度（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計[J].電子世界,2017(14):187），且減振裝置的自由度應與車輛行駛過程的振動維度相匹配。

（2）由振動產生的系統能量可通過包含機械、電磁等在內的多種形式來消耗及儲存。對此，需要設置必要的彈簧和阻尼設置在主動副當中，借助彈簧具有的阻力特性進行緩沖及吸收外部激勵的振動能量，以起到有效減振作用。

（3）因車輛中的空間有限，所以減振裝置的結構應盡可能的簡單，體積不能太大，為安裝提供方便。

2.2 并聯機構型綜合

針對三自由度并聯機構型綜合這一實際問題，目前已經有許多專家及學者給予大量研究，比如以螺旋理論為基礎對型綜合方面的問題進行分析研究，實踐表明，這具有良好指導作用與意義；以微動并聯機構為依據，分析微操作機構方面的型綜合問題；通過對群論等方法的合理應用，對三維平動并聯對應的型綜合進行分析。上述分析研究都提出相應機型，并且還有很多機型目前已經投入使用，取得了良好的效果。

將單開鏈確定為一個單元，基于現有研究成果進行機構類型的選擇，在類型選擇時，主要存在下列基本條件：第一，期望輸出運動確定為三平移運動，而非期望的輸出運動則是一個常量；第二，機構可以由下列部分組成：轉動副R，移動副P，圓柱副C，萬向節U，螺旋副H與球副S，同時盡量減少運動副的實際數量；第三，所有主動副都處在相同的平臺上；第四，所有或個別的單開鏈支路都有一只的結構類型（朱小蓉,朱偉,沈惠平.磁流變并聯減振系統半主動控制及實驗[J].機械設計與研究,2010,26(01):40-43+47）。

對于減振裝置的核心機構，即以多自由度為基礎的并聯機構，應滿足基本條件，同時施以尺度優選，機構選型方面不僅要滿足以上條件，還應根據輸出維數開展針對性分析。對于輸出維數，是指坐標系當中減振運動對應的自由度實際數量。在一系列運動輸出類型當中，自由度為6的機型相比之下較多，對此，學者對這一并聯機構實施了型綜合，獲取各個回路的一種等基本理論。而自由度在2-5范圍內的機型則相對較少。找到和不同輸出類型對應的機型，對基于并聯機構的機型創新而言，是一個亟待解決的重難點。在這一方面已有報告給出了詳細分析及統計，可為本次研究奠定良好的理論基礎。

2.3 主體機構選型

在選擇具體的主體機構類型時，應嚴格按照以下基本原則進行。

其一，所選擇的并聯機構的自由度由振動的維數決定；動、靜平臺一般互相平行。

其二，機構的構型應盡量簡單，盡可能采取對稱結構，各支路盡量采用相同的結構形式；選擇的機構對應的構件數量和運動副的數量需要盡量少，運動副之間的空隙應盡可能的小。

其三，機構在進行正、反向的傳動過程中，應具有良好傳力特性，保證在傳動的過程中不會自鎖；轉動中機構的最大壓力角不大于許用壓力角，提高實際傳動效率，符合減振裝置基本設計原理（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用研究[J].機械科學與技術,2008(03):379-381+385）。

其四，機構的實際運動幅值需要處在工作空間范圍內，不會出現奇異位置；頻率盡可能避開對工作性能有較大影響的共振點。

其五，在機構中，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備發生較大的位移而影響減振效果。

其六，機構的構型盡量選擇能完全或部分解耦的機型，方便分析機構的運動學、動力學和振動學。

其七，對阻尼值大小進行嚴格控制，確保其減振效果能夠達到最佳。

根據車載減振裝置的實際要求和選型原則，選擇出性能優良，結構簡單的有很實用的并聯機構作為減振裝置的主體結構。

2.4 模型構建

如圖1所示，三平移減振裝置模型中，下平臺為靜平臺，上平臺為動平臺，外側3個支路為對稱分布，每個支路兩端采用單自由度的移動副與動、靜平臺相連接。其中每個支路一端與靜平臺垂直固定連接，三個固定點均勻分布在在靜平臺的同一個圓周上；另一端通過平行四邊形桿組以轉動副相連接，平行四邊形桿組的上部與動平臺以轉動副相連接，三個轉動副的連接點也均勻分布在同一圓周上。平行四邊形桿組內部通過轉動副兩兩相連接，能在平面內轉動。在每個移動 副P處安裝彈性阻尼構成浮動支持。本機構中的三個支路關于圓心對稱分布，因此，三個移動副的剛度系數和阻尼系數相同。下平臺直接與車輛底板相連，上平臺與車載電子設備相連。上平臺相對于下平臺可產生x 、y、z 3個方向的平移，通過設計彈性阻尼剛度來調節系統的固有頻率，從而使可調阻尼器消耗車輛振動沖擊的能量來實現減振。

圖1 三平移并聯機構減振裝置的模型

3 減振裝置的性能仿真分析

當汽車正常行駛時，如果遇到突發狀況進行急剎車，或由于路況等因素進行急轉彎及急剎車，都會以力及力矩施加到減振裝置所在動平臺，同時產生多維振蕩，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。當外部激勵對靜平臺施加作用力后，對動平臺而言，其多維振蕩可對沿著三個方向上的不同特征進行測量來描述。對此，借助Adams具有的測量功能，對動平臺具有的各項運動參數進行分析，同時用運動線圖的方式表達參數分析結果。

設置模型當中各參數的數值，具體如表1所示。

當外部激勵對靜平臺施加X方向的瞬時沖擊力為20N時，動平臺在X、Y、Z三個方向均有平動位移，采用Adams軟件進行仿真分析，得出三個方向的加速度曲線如圖2所示。

表1 結構參數

圖2 加速度曲線圖

從以上運動線圖可以看出，三個方向上的運動特征均在不超過1s的時間內明顯衰減，當時間變為3s時，整體機構處在相對平衡的位置，此時的加速度等于零，平臺受到的沖擊得以很大程度的抑制，說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計[J].南通大學學報(自然科學版),2008(01):66-69）

4 結束語

并聯機器人目前已經可以用在工業生產領域，但我國卻處在前期研制階段。當前主要選擇的是結構為對稱形式的并聯機構，這樣做的目的是該結構較為簡單，容易實現。基于此，利用Adams進行建模，開展仿真試驗，以此驗證設計的合理性及可行性。經分析與研究得知，該機構除了位置與速度容易計算以外，奇異位形的確定也十分容易。對此，研制出基于并聯機構的車載電子設備減振裝置樣機，并進行了仿真分析驗證，由分析結果可知，這種裝置因采用了并聯機構和彈簧阻尼，所以可以取得良好減振效果，值得大范圍推廣應用。